基于FDS環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐火災(zāi)安全間距模擬研究

魏 堯，凌標(biāo)燦，汪修全

(1.華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601；2.中礦龍科能源科技(北京)股份有限公司，北京 100083；3安徽理工大學(xué)，安徽淮南 232001)

基于FDS環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐火災(zāi)安全間距模擬研究

魏 堯1,2，凌標(biāo)燦1,2，汪修全3

(1.華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601；2.中礦龍科能源科技(北京)股份有限公司，北京 100083；3安徽理工大學(xué)，安徽淮南 232001)

以LK公司化工廠區(qū)為工程應(yīng)用背景，通過對(duì)環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐區(qū)計(jì)算模型的建立，應(yīng)用FDS火災(zāi)模擬軟件對(duì)不同工況下著火儲(chǔ)罐對(duì)臨近儲(chǔ)罐的影響進(jìn)行研究，結(jié)果確認(rèn)了對(duì)于小型儲(chǔ)罐，不適合按規(guī)定的距離布置，當(dāng)兩儲(chǔ)罐相距4.72 m時(shí)可以使臨近儲(chǔ)罐保持安全狀態(tài)，或者在噴淋系統(tǒng)的強(qiáng)度為50 L/min時(shí)可以縮短兩罐之間距離至2.72 m。從環(huán)氧乙烷罐區(qū)的整體安全性出發(fā)，提出了具體布置措施和建議，為企業(yè)的安全管理工作提供了參考依據(jù)。

環(huán)氧乙烷；燃燒數(shù)值模擬；壓力容器

0 引言

石油化工生產(chǎn)過程中經(jīng)常使用大量的壓力容器，特別是儲(chǔ)罐來充裝可燃液體或氣體，同時(shí)這些儲(chǔ)罐區(qū)也是火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)的多發(fā)區(qū)域。石油化工儲(chǔ)罐區(qū)一般儲(chǔ)存有大量易燃易爆物質(zhì)，儲(chǔ)罐一旦發(fā)生泄漏引起火災(zāi)，就會(huì)迅速蔓延。儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)時(shí)，會(huì)嚴(yán)重威脅周圍的儲(chǔ)罐，產(chǎn)生的輻射熱往往會(huì)使周圍的儲(chǔ)罐損壞、坍塌，進(jìn)而燃燒、爆炸，災(zāi)害升級(jí)、撲救困難。罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)會(huì)伴有大量的有毒有害氣體，危及周邊的人員，并給環(huán)境帶來污染。為了保證環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐區(qū)的安全，通過利用FDS軟件對(duì)LK公司儲(chǔ)區(qū)的燃燒數(shù)值模擬的研究，研究在不同的條件下著火罐對(duì)臨近罐的影響，同時(shí)也為儲(chǔ)區(qū)布置提供指導(dǎo)意義。

1 環(huán)氧乙烷危險(xiǎn)性分析

環(huán)氧乙烷是最小的一種環(huán)醚,又稱惡烷?；瘜W(xué)式為C2H4O，分子量為44，閃點(diǎn)為-17.7℃，沸點(diǎn)為10.4℃，燃點(diǎn)為447℃，蒸發(fā)熱為569.87 kJ/kg，燃燒熱為1262.8 kJ/mol。環(huán)氧乙烷是雜環(huán)類化合物，是重要的石油化工產(chǎn)品，主要用于和水發(fā)生反應(yīng)生成乙二醇，用做各種生活及生產(chǎn)用劑。環(huán)氧乙烷氣體的密度比空氣大，因此能夠在較低的地方沿著空氣流動(dòng)的方向傳播，造成人員的中毒。其與空氣形成的混合物具有爆炸性，并且威力非凡，其爆炸強(qiáng)度是TNT炸藥的3～5倍，影響范圍為等量TNT爆炸的1.4倍，沖擊波持續(xù)的時(shí)間也比TNT長。

2 模型的建立

2.1 LK公司概況

環(huán)氧乙烷罐區(qū)位于某石化公司的廠區(qū)內(nèi)，車間現(xiàn)有員工110多人，罐區(qū)總投資1700多萬元，采用立式儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐容量為10 m3，儲(chǔ)罐的公稱直徑為1800 mm，壁厚12 mm，設(shè)計(jì)壓力為1.2 MPa，設(shè)計(jì)儲(chǔ)存溫度為50℃。環(huán)氧乙烷儲(chǔ)量為8 t，罐區(qū)面積為500 m2。

2.2 模擬參數(shù)設(shè)定

模型中各種參數(shù)的設(shè)置是模擬結(jié)果正確與否的前提?？紤]著火罐體對(duì)臨近罐體的影響，在建模過程中應(yīng)對(duì)其所涉及到的各種材料參數(shù)進(jìn)行收集，包括EO密度、儲(chǔ)罐厚度、比熱、熱傳導(dǎo)率、火焰熱釋放率等。

表1 模擬參數(shù)設(shè)置

模擬研究的儲(chǔ)罐容量為10 m3，高3.4 m，直徑為1.8 m。儲(chǔ)罐壁為0Cr18Ni9型，邊界條件設(shè)為熱厚層。地面為混凝土材質(zhì)，邊界條件也為熱厚層。(兩個(gè)儲(chǔ)存的罐體間的防火間距是有規(guī)定的，但是各規(guī)定之間有差距。我國《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定的防火間距一般為0.4D(D為儲(chǔ)罐直徑)，美國的標(biāo)準(zhǔn)為1/6(D1+D2)，英國、日本和俄羅斯分別為D/2，D/3，3/4D。)這些規(guī)定往往根據(jù)本國實(shí)際情況確定，為了能進(jìn)一步研究環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐防火間距對(duì)其影響，設(shè)定不同的工況，研究環(huán)氧乙烷儲(chǔ)罐在不同著火條件下與臨罐的安全距離。

2.3 火源設(shè)定

采用設(shè)置給定的熱釋放率來定義火災(zāi)的大小，探討距離對(duì)火災(zāi)的影響。國外的研究認(rèn)為儲(chǔ)罐直徑越大，熱釋放率越大，但是儲(chǔ)罐直徑擴(kuò)大到一定的程度熱釋放率不會(huì)增加，熱釋放率的大小為3280 kW/m2。本文研究的儲(chǔ)罐直徑為1.8 m，因此，熱釋放速率低于3280 kW/m2。儲(chǔ)罐受外界其他因素影響罐內(nèi)壓力升高，當(dāng)罐內(nèi)壓力升高到一定值后就會(huì)發(fā)生物理性的爆炸，在爆炸的過程中如果產(chǎn)生火花或空氣急劇壓縮升溫，極有可能會(huì)造成儲(chǔ)罐的燃燒。據(jù)統(tǒng)計(jì)大部分的爆炸破壞的是頂蓋部分，并且頂蓋只損毀一部分，并非所有的頂蓋都受到破壞，為此本文設(shè)置開口為罐體頂部的一部分。

2.4 水噴淋系統(tǒng)

在儲(chǔ)罐噴淋中常常使用水幕噴頭。水幕噴頭噴出的水可以形成霧狀和膜狀的效果，水噴淋的位置如下圖所示，位于臨近罐主體上方0.5 m的位置處。各國對(duì)水噴淋的強(qiáng)度的規(guī)定是不同的，美國規(guī)定水噴淋的強(qiáng)度為50 L/min，而按國家標(biāo)準(zhǔn)是10 L/min。為了研究在此種情況下水噴淋的強(qiáng)度對(duì)災(zāi)害的處置是否有效，將分別對(duì)這兩種情況進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 噴淋布置

2.5 溫度探測(cè)點(diǎn)的布置

在實(shí)際的儲(chǔ)罐中罐體是圓柱體，但FDS是一個(gè)在直線網(wǎng)格上解控的方程，因此描述的物體或區(qū)域必須是矩形以適應(yīng)背景網(wǎng)格，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)考慮溫度較高的面為靠近火源的面，因此選取了下列6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)來測(cè)量儲(chǔ)罐壁周圍的溫度。(如圖1所示)

圖2 溫度測(cè)點(diǎn)布置

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 罐體相距0.4D時(shí)臨近罐受著火罐的影響研究

在無風(fēng)的情況下，罐壁和罐頂都受到著火罐的作用溫度上升，所測(cè)得三個(gè)點(diǎn)中，罐壁的最高溫度為110℃，罐頂?shù)淖罡邷囟葹?0℃，兩者相差40℃；風(fēng)速為3 m/s(根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件一般風(fēng)速不超過3 m/s)時(shí)，罐壁最高溫度為180℃，罐頂最高溫度為120℃，罐頂和罐壁溫度相較與無風(fēng)時(shí)都有所增加，罐壁處溫度增加了70℃，罐頂處溫度增加了50℃，罐頂和罐壁的溫差為60℃。因此在風(fēng)速為3 m/s的時(shí)候，罐頂和罐壁的溫度上升，溫差增大，這不利于臨近罐的安全。

圖2 風(fēng)速為0 m/s罐壁、罐頂溫度變化

圖3 風(fēng)速為3 m/s罐壁、罐頂溫度變化

3.2 臨近罐距著火罐不同距離罐壁周圍溫度變化研究

在風(fēng)速為0 m/s，著火罐和臨近罐相距不同距離，罐壁和罐頂周圍溫度的變化情況。隨著距離的縮短，罐壁和罐頂周圍不同測(cè)定的溫度差異明顯，相距為0.72 m時(shí)溫差達(dá)到THCP11、THCP12和THCP13的溫差約為20℃，而兩罐距離為4.72 m時(shí)，溫差幾乎為0℃。罐頂?shù)臏囟纫灿型瑯拥内厔?shì)。兩罐溫度隨距離的變化趨勢(shì)為溫度隨距離的增大下降，但是在2.72 m處下降的幅度逐漸的減弱，最終保持不變。

圖4 不同距離罐壁、罐頂處溫度變化圖

3.3 噴淋強(qiáng)度對(duì)臨近罐體周圍溫度的影響

為研究噴淋強(qiáng)度對(duì)臨近罐的影響，分別選取風(fēng)速為3 m/s，兩罐壁面距離2.72 m處測(cè)溫點(diǎn)THCP11和THCP21加以研究。在10 L/min的噴淋強(qiáng)度下，罐體周圍的溫度基本還處于設(shè)計(jì)溫度50℃附近，處于較危險(xiǎn)；噴淋強(qiáng)度為50 L/min時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)THCP11和THCP21的溫度為36℃和24℃，(儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)溫度為50℃)處于安全水平。

3.4 臨近罐安全距離研究

當(dāng)兩罐距離為4.72 m時(shí)，從溫度切面云圖中可知，風(fēng)會(huì)將熱量從著火罐帶到臨近罐附近，對(duì)臨近罐產(chǎn)生影響，但是臨近罐體周圍的溫度都遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)溫度50℃，因此罐體不會(huì)升溫到設(shè)計(jì)溫度附近，即使噴淋設(shè)施失效或無噴淋設(shè)施，從罐壁溫度角度可完全保證臨近臨近罐的安全。

圖5 THCP11、THCP21點(diǎn)溫度變化圖

圖6 風(fēng)速1 m/s溫度切面圖

圖7 風(fēng)速3 m/s溫度切面圖

4 結(jié)論

(1) 通過對(duì)臨近罐受著火罐影響的數(shù)值模擬分析，判斷出臨近罐距離著火罐最近的位置是溫度升高最大的區(qū)域，臨近罐該區(qū)域最易在事故中發(fā)生損壞從而導(dǎo)致事故的擴(kuò)大，因此有必要重點(diǎn)加強(qiáng)相鄰罐間區(qū)域的安全措施。

(2) 通過對(duì)不同風(fēng)速大小工況和有無噴淋工況下臨近罐受著火罐的影響的分析認(rèn)為，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到3 m/s時(shí)風(fēng)增強(qiáng)了著火罐對(duì)臨近罐的作用，即使兩罐相距2.72 m時(shí)，風(fēng)速達(dá)到3 m/s時(shí)，臨近罐同樣處于不安全的狀態(tài)。對(duì)有無噴淋情況的工況比較發(fā)現(xiàn)環(huán)氧乙烷罐著火后，若按國家標(biāo)準(zhǔn)10 L/min的噴淋量不能很好的減弱臨近罐的影響，當(dāng)按美國標(biāo)準(zhǔn)50 L/min噴淋強(qiáng)度，兩罐相距2.72 m風(fēng)速達(dá)到3 m/s同樣可以是臨近罐保持安全狀態(tài)。

(3) 為研究考慮到噴淋可能失效的情況下的安全距離，將兩罐距離增大到4.72 m，模擬結(jié)果顯示臨近罐處于安全狀態(tài)，這一距離相較于國內(nèi)安全防火間距相差較大，但可以取得較好的防火效果。如按美國的標(biāo)準(zhǔn)不能確保噴淋失效時(shí)臨罐仍處于安全狀態(tài)。

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Numerical Simulation of Combustion of Ethylene Oxide Reservoir in LK Company

WEI Yao1，2,LING Biao-can1，2,WANG Xiu-quan3

(1.NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China;2.ZhongkuangLongkeEnergyandTechnology(Beijing)CoLtd,Beijing,100083,China;3.AuhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,232001,China)

With LK Company chemical plant as engineering application background,the research on influence of fire tank on the adjacent storage tank under different working conditions is conducted,using FDS fire simulation software.The results confirmed that for small tanks,arrangement in the specified distance is not suitable.When the two tanks are separated from the 4.72m,adjacent storage tank stays safe.Or when the strength of the spray system is 50L/min,the distance between two tanks could be reduced to 2.72m.Considering the overall safety of the EO Tank Farm,Specific arrangement measures and suggestions are brought up,which provides a reference for enterprises’ safety management.

Ethylene oxide;Numerical simulation of combustion;Pressure vessel

2016-08-23

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142015126)

魏堯(1990-)，男，河北石家莊人，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：粉塵治理；危險(xiǎn)化學(xué)品管理。E-mail：458711885@qq.com

TQ223.26

A

1672-7169(2016)05-0072-05