障礙物對石化罐區(qū)重質(zhì)氣體泄漏擴散影響的探討

史先召 黃偉金 吳東偉 騰 欣 周 寧

〔1 江蘇海企化工倉儲股份有限公司 江蘇泰州 225327；2常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213016〕

障礙物對石化罐區(qū)重質(zhì)氣體泄漏擴散影響的探討

史先召1黃偉金1吳東偉2騰 欣2周 寧2

〔1 江蘇海企化工倉儲股份有限公司 江蘇泰州 225327；2常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213016〕

在油庫模擬實驗平臺上開展了罐區(qū)障礙物對重質(zhì)氣體二氧化碳泄漏擴散規(guī)律影響的實驗。通過改變障礙物的形狀和大小，研究不同工況下重質(zhì)氣體的泄漏擴散過程。結(jié)果表明，二氧化碳氣體在有障礙物阻擋的條件下發(fā)生泄漏擴散時，在障礙物前會造成氣體聚集沉降，形成高濃度，且不易擴散；幾何圖形相同的障礙物，正截面長度大的，障礙物背面的氣體濃度減少，障礙物高度的增加對其背面氣體濃度的分布沒有顯著影響；障礙物幾何形狀(長方體和圓柱體)對二氧化碳氣體泄漏擴散的阻礙作用差別很小，因此在實驗條件下障礙物尺寸的影響要大于幾何形狀對泄漏擴散的影響。

石化罐區(qū)重質(zhì)氣體泄漏擴散障礙物影響

隨著工業(yè)和經(jīng)濟的迅速發(fā)展，世界各地對石油與天然氣等清潔能源的需求日漸增加。與此同時，更多的安全問題也逐漸凸顯，事故風(fēng)險不斷加大，特別是化工園區(qū)內(nèi)易燃易爆品的種類和數(shù)量急劇增加，罐區(qū)重質(zhì)危險氣體的泄漏事故極易引發(fā)事故多米諾效應(yīng)[1,2]。因此，一旦發(fā)生易燃易爆及有毒有害氣體的大量泄漏事故，將會造成嚴重社會影響和無法估量的損失[3]。當化工罐區(qū)有毒有害氣體發(fā)生泄漏時，在實際泄漏擴散事故過程中一般會存在障礙物，如周邊建筑設(shè)施、復(fù)雜地形或樹木等植被。由于這些障礙物的影響，會改變周圍環(huán)境大氣的流動狀態(tài)，使重質(zhì)氣體泄漏擴散行為變得復(fù)雜。而罐區(qū)儲罐本身就具有遮擋障礙作用，因而泄漏區(qū)障礙物的存在是必然的。因此，研究障礙物存在情況下的重質(zhì)氣體泄漏擴散過程對于安全評價和事故應(yīng)急救援具有重要的現(xiàn)實意義。

本文對泄漏區(qū)障礙物的研究主要包括有無障礙物情況下的重質(zhì)氣體泄漏擴散規(guī)律及過程的對比分析，障礙物大小對泄漏擴散過程的不同影響以及障礙物形狀的不同，對泄漏擴散后重質(zhì)氣體不同過程的影響研究。

1 實驗平臺與設(shè)計

相似理論是模型模擬實驗的基礎(chǔ)，通過建立有效合理的實驗?zāi)Ｐ涂梢赃M行相關(guān)問題的模擬研究。本實驗的模擬平臺在相似理論的指導(dǎo)下搭建，根據(jù)某化工倉儲企業(yè)的儲罐區(qū)，以1：100的幾何相似比例建成。在運動相似方面，實驗采用二氧化碳氣體代替泄漏的重質(zhì)氣體，二氧化碳氣體在密度和大氣湍流行為方面與重質(zhì)氣體存在相似性。根據(jù)不同介質(zhì)性能、幾何相似的長度比例和對應(yīng)相似準則得出泄漏的體積流量Q和泄漏時間T，保證運動相似條件的滿足。最后采用弗勞德數(shù)為相似準則保證動力相似條件，由長度比例尺推導(dǎo)出模擬實驗的流速V等參數(shù)。在此基礎(chǔ)上開展了不同條件下重質(zhì)氣體的泄漏擴散過程研究。

本實驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)為臥式罐區(qū)，采用二氧化碳氣體，通過濃度監(jiān)測傳感器開展了不同條件下的重質(zhì)氣體的泄漏擴散過程的研究。其中氣體濃度監(jiān)測傳感器在指定位置監(jiān)測重質(zhì)氣體擴散濃度并會通過GMS環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)[4,5]生成數(shù)據(jù)，處理成曲線圖像，以便對實驗結(jié)果進行定量分析，實驗平臺示意見圖1。

圖1 實驗平臺模擬示意圖

1—通風(fēng)機；2—抽風(fēng)罩；3—模擬罐區(qū)；4—氣體濃度檢測傳感器；5—氣體泄漏檢測報警控制系統(tǒng)；6—計算機；7—泄漏源位置；8—三通接頭；9—流量計；10—減壓閥；11—氣瓶

實驗中共設(shè)置了長方體和圓柱體兩種形狀的障礙物，其中，長方體設(shè)置了4種尺寸。試驗用障礙物模型見圖2。

a障礙物1 b障礙物2 c障礙物3

d障礙物4 e 障礙物5

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 障礙物地形與平坦地形對泄漏擴散過程的

影響 以F104和F105罐為實驗泄漏源，在F104罐前輪換設(shè)置1、2、3和5不同障礙物，在F105罐前無阻擋。分別將氣體濃度傳感器放到兩泄漏源對應(yīng)位置，8號和6號傳感器分別位于障礙物前面和后面，4號傳感器前無障礙物，5號傳感器位于空曠地形。

參見圖3。

圖3 不同地形泄漏擴散實驗示意圖

將4號、8號以及5號、6號傳感器監(jiān)測得到的1、2、3、5不同障礙物在各時間段的濃度分布數(shù)據(jù)進行處理，得到實時氣體體積濃度分布曲線(圖4～7)。

圖4 不同地形空間重氣體積濃度分布曲線(障礙物1)

圖5 不同地形空間重氣體積濃度分布曲線(障礙物2)

圖6 不同地形空間重氣體積濃度分布曲線(障礙物3)

圖7 不同地形空間重氣體積濃度分布曲線(障礙物5)

由圖4～7可以看出障礙物地形條件下的濃度曲線的變化，對應(yīng)濃度曲線的大致走勢都遵循相同的規(guī)律。當泄漏源開始釋放氣體到停止釋放的時間為t=0～300s時，4號和8號傳感器監(jiān)測的氣體濃度基本一致;當t>300s時，泄漏點停止泄漏釋放，已泄漏的CO2氣體繼續(xù)向周圍擴散。8號傳感器位置的氣體濃度在對應(yīng)時間內(nèi)大于4號傳感器位置的濃度，并且4號傳感器位置的氣體濃度下降的較快。分析認為8號傳感器位于障礙物前，氣體從儲罐泄漏后，沿地面慢慢擴散，障礙物的阻擋作用使氣體擴散過程發(fā)生改變，一定時間內(nèi)重質(zhì)氣體會在障礙物前沉降聚集，導(dǎo)致濃度增加。5號傳感器處沒有障礙物，CO2氣體開始泄漏后，濃度快速上升，很快達到峰值濃度，泄漏源關(guān)閉后，隨著重質(zhì)氣體的擴散，5號傳感器位置的氣體濃度逐漸下降；據(jù)文獻報道，在空氣浮力卷吸作用下[6]，障礙物前近地面處聚集的重質(zhì)氣體開始沿壁面上升擴散,同時，在障礙物水平方向上，氣流將產(chǎn)生左右分流現(xiàn)象[7,8]。泄漏氣體從垂直和水平兩個方向繞流至障礙物背面的6號傳感器處。因此，由曲線圖可以看到延遲了6號監(jiān)測到濃度的時間。另一方面，大氣氣流遇到障礙物會在其背風(fēng)面形成低壓區(qū)域。由于壓力差作用，障礙物背后的重質(zhì)氣體濃度會有一定升高，并且在切斷泄漏源后，氣體不會立刻擴散，增加了泄漏事故的危險性。

2.2 障礙物大小對泄漏擴散過程的影響

選取障礙物1、2、3為實驗對象，F(xiàn)104罐為泄漏源，將障礙物放置在泄漏源正前方，分別在障礙物的前面、右側(cè)和背面設(shè)置氣體濃度監(jiān)測傳感器8號、4號和6號,見圖8。處理傳感器采集的數(shù)據(jù)傳到各傳感器濃度曲線，見圖9。由圖8可見，8號傳感器位于泄漏源正前方，泄漏的氣體最先到達8號傳感器位置。由于障礙物的阻擋致使氣體濃度不易向周圍擴散，造成該位置氣體聚集，形成較高濃度； 4號傳感器的濃度曲線顯示，開始泄漏時濃度上升較快，在達到濃度最高值后隨時間下降，這是因為4號傳感器在泄漏源側(cè)前方，CO2氣體泄漏擴散到4號位置需要一定時間。隨著泄漏時間的增加，CO2氣體的重力沉降作用逐漸消失，在重質(zhì)氣云的浮力和大氣湍流的作用下開始稀釋上升，近地面氣體濃度逐漸減小。另一方面，沒有障礙物的阻擋，氣體會繼續(xù)向四周擴散，因此不會形成氣體聚集的現(xiàn)象，并自由擴散使氣體濃度下降；6號傳感器處的氣體濃度趨勢相對于8號和4號傳感器，濃度上升最慢，下降最快，達到最高濃度時為最小的氣體濃度曲線，一是距離泄漏源遠，二是障礙物阻斷了泄漏氣體的繼續(xù)擴散，根據(jù)前面的分析，當氣體越過障礙物到達6號傳感器位置時，氣體濃度會大量減小。

圖8 不同大小障礙物對泄漏擴散的影響

(a) 障礙物1 (b) 障礙物2

(c) 障礙物3

圖9(a)、(b)、(c)實驗結(jié)果對比表明，障礙物2的正截面長度比障礙物1大，障礙物背面(6號傳感器)的氣體濃度減小，障礙物3高度的增加對障礙物背面氣體濃度的分布沒有顯著影響。

2.3 障礙物形狀對泄漏擴散過程的影響

實際罐區(qū)的障礙物多種多樣，為探究障礙物形狀對CO2氣體泄漏擴散的影響，本文對長方體(障礙物4)和圓柱(障礙物5)兩種形狀的障礙作為研究對象，其中兩種形狀的障礙物截面尺寸相同，實驗設(shè)置如圖10所示。

圖10 不同形狀障礙物泄漏擴散的影響

試驗結(jié)果如圖11所示，對比長方體障礙物和圓柱體障礙物濃度曲線，可以看到對應(yīng)位置的傳感器8號、4號和6號濃度分布曲線是基本重合的，濃度分布幾乎一致，即截面尺寸相同的長方體障礙物和圓柱體障礙物對泄漏擴散的CO2氣體的阻礙作用差別很小，因此重質(zhì)氣體泄漏擴散的過程中，在實驗條件下障礙物尺寸的影響要大于幾何形狀對泄漏擴散的影響。

(a) 障礙物4 (b) 障礙物5

3 結(jié)語

實驗結(jié)果表明：

(1)重質(zhì)氣體在有障礙物阻擋的條件下發(fā)生泄漏擴散時，在障礙物前會造成氣體聚集沉降，形成高濃度，不易擴散出去；在障礙物背面會聚集一定濃度的有害氣體且不易擴散。因此，障礙物的存在，增加了罐區(qū)重質(zhì)氣體聚集的風(fēng)險。

(2)幾何形狀相同的障礙物，正截面長度越長越容易在前方形成氣體高濃度區(qū)，其背面氣體濃度會相應(yīng)減??；障礙物高度變化對CO2氣體泄漏擴散過程規(guī)律影響不大。

(3)正截面尺寸相同的不同形狀障礙物(長方體和圓柱體)對CO2氣體泄漏擴散的阻礙作用差別微小。障礙物幾何形狀對CO2氣體泄漏擴散行為的影響要小于其尺寸大小的差別。

研究結(jié)果對于預(yù)防石化罐區(qū)重質(zhì)氣體聚集有一定參考價值。

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2017-07-04。

史先召(1967-)男,本科,高級工程師,主要從事化工儲運技術(shù)研究。

項目資助：建筑消防工程技術(shù)公安部重點實驗室開放課題(KFKT2014MS02)；常州市科技支撐計劃項目(CE20155025)；公安部科技強警基礎(chǔ)工作專項(2014GABJC047)；公安部消防局科研計劃項目(2015XFR22)；建筑消防工程技術(shù)公安部重點實驗室開放課題(KFKT2015ZD03)。