立式儲(chǔ)油罐油氣爆炸數(shù)值模擬研究

王志強(qiáng)

大慶油田工程建設(shè)有限公司

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)所依靠的石油能源需求日益增長(zhǎng)，油氣儲(chǔ)罐建設(shè)工程隨之增多。多年運(yùn)行的儲(chǔ)油罐維修改造項(xiàng)目，由于封堵不嚴(yán)、罐板腐蝕穿孔等，在焊接、切割、打磨時(shí)，會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸事故，威脅人們的生命安全，同時(shí)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。本文針對(duì)380 m3儲(chǔ)罐建立模型，采用有限容積法分析油氣在儲(chǔ)罐內(nèi)的爆炸燃燒情況，對(duì)比分析不同工況下油氣的爆炸燃燒時(shí)間及罐內(nèi)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。

1 模型建立

由于油氣爆炸發(fā)生在罐內(nèi)，幾何結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，采用直徑為8 m、高12 m的二維幾何模型，在儲(chǔ)罐罐內(nèi)右上方設(shè)置半徑為10 mm 的點(diǎn)火源，模型采用四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸20 mm，對(duì)點(diǎn)火區(qū)域網(wǎng)格局部細(xì)化，幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)圖及網(wǎng)格劃分Fig.1 Tank structure diagram and grid division

密閉空間氣體爆炸過(guò)程是一個(gè)快速的燃燒反應(yīng)過(guò)程，滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒及化學(xué)組分平衡方程，本文基于總能的RNG k-ε 湍流模型，對(duì)k 方程和ε 方程進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)方程組的封閉[3-4]。

質(zhì)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程

能量守恒方程

化學(xué)組分平衡方程

修正k 方程

修正ε 方程

式中：ρ 為氣體組分的密度，kg/m3；ui、uj分別為氣體組分在i、j 坐標(biāo)方向的速度矢量，m/s；p為壓強(qiáng)，Pa；μeff為流動(dòng)過(guò)程中總流動(dòng)黏性；δij為克羅內(nèi)克算子；E 為總能量；keff為有效換熱系數(shù)；T 為氣體溫度，℃；Qs為原項(xiàng)；w、ws為耗散項(xiàng)；fs為組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Deff為有效擴(kuò)散系數(shù)；k 為湍流脈動(dòng)動(dòng)能；ε 為湍動(dòng)能耗散率；αk、αε為隨湍流流場(chǎng)變化的系數(shù)；Gk為速度梯度引起的湍流動(dòng)能k 的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為考慮流場(chǎng)可壓縮性的修正項(xiàng)；C1ε為常數(shù)，取值1.42；C2ε為常數(shù)，取值1.68；Rε為方程修正項(xiàng)。

2 初始條件及邊界條件設(shè)置

計(jì)算模型選擇二維雙精度模型壓力求解器，采用SIMPLEC 算法，加入有化學(xué)反應(yīng)的組分運(yùn)輸模型[5]，由于油氣組分與庚烷的分子結(jié)構(gòu)決定了其爆炸極限、擴(kuò)散系數(shù)、黏度、沸點(diǎn)、熔點(diǎn)及相對(duì)分子質(zhì)量等近似為平均物性[5]，罐內(nèi)以庚烷作為單一油氣進(jìn)行模擬，罐內(nèi)壓力為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。確定按照罐內(nèi)初始油氣濃度、初始氧氣濃度條件分析油罐爆炸燃燒的點(diǎn)火溫度，設(shè)置為1 200 K，不同時(shí)刻、不同溫度油罐油氣爆炸燃燒的初始點(diǎn)火溫度分別為600 K 和1 200 K，其他區(qū)域溫度為313 K，整個(gè)區(qū)域初速度設(shè)置為0，對(duì)于罐壁面按典型的無(wú)滑移、無(wú)滲透邊界設(shè)定，材料為鋼材，壁厚為0.01 m，壁面絕對(duì)粗糙度為0.001 m[6-7]。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及影響因素分析

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣體爆炸過(guò)程影響因素研究較多，但大部分研究集中于爆炸發(fā)展規(guī)律和爆炸機(jī)理，而對(duì)于密閉油氣儲(chǔ)罐氣體爆炸過(guò)程影響因素的組分含量分析和數(shù)值模擬計(jì)算較少[8-10]。本文基于380 m3小罐，分析初始油氣濃度、罐內(nèi)初始氧氣濃度及初始點(diǎn)火溫度對(duì)油罐爆炸燃燒情況的影響。

3.1 罐內(nèi)油氣初始濃度對(duì)油罐油氣爆炸過(guò)程的影響

圖2 分別為不同時(shí)刻油氣濃度2.5%和6%（體積分?jǐn)?shù)）油氣爆炸燃燒溫度場(chǎng)云圖。從圖2可以看出，濃度為2.5%的油氣燃燒至整個(gè)罐需要1.6 s，而濃度為6%的油氣則需要2.6 s，且燃燒趨于穩(wěn)定時(shí)的溫度分別為2 240 K和1 870 K。這是因?yàn)橛蜌獾娜紵凉舛却嬖谝粋€(gè)最佳濃度值，通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)可知庚烷的最佳燃燒濃度為2%～3%[5]，只有處于最佳值范圍內(nèi)，爆炸燃燒才會(huì)釋放出最大的能量，燃燒溫度達(dá)到最大。

圖2 不同時(shí)刻不同油氣濃度油氣爆炸燃燒溫度分布云圖Fig.2 Cloud chart of explosion and combustion temperature distribution of oil and gas at different time and concentration

3.2 罐內(nèi)初始氧氣濃度對(duì)油罐油氣爆炸過(guò)程的影響

圖3分別為罐內(nèi)初始含氧濃度21%和15%（體積分?jǐn)?shù)）情況下不同時(shí)刻的油氣爆炸燃燒溫度分布云圖。從圖3 可以看出，21%的含氧濃度條件下油氣爆炸燃燒過(guò)程較快，同時(shí)溫度明顯高于15%含氧濃度的油氣爆炸溫度。這是因?yàn)楣迌?nèi)初始氧氣含量存在一個(gè)最優(yōu)值范圍，當(dāng)罐內(nèi)初始氧氣濃度低于最佳值時(shí)，氣體則會(huì)發(fā)生貧氧燃燒，不但會(huì)降低燃燒火焰的發(fā)展速度，同時(shí)還會(huì)降低燃燒溫度。

圖3 不同時(shí)刻不同含氧濃度油氣爆炸燃燒溫度分布云圖Fig.3 Cloud chart of explosion and combustion temperature distribution of oilandgas with different oxygen concentration at different time

3.3 初始點(diǎn)火溫度對(duì)油罐油氣爆炸過(guò)程的影響

圖4分別為初始點(diǎn)火溫度為600 K和1 200 K情況下不同時(shí)刻的油氣爆炸燃燒溫度分布云圖。從圖4 可以看出，點(diǎn)火溫度為600 K 的油罐，0.6 s 時(shí)的最高溫度為1 590 K，而點(diǎn)火溫度1 200 K的油罐此時(shí)已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段，溫度達(dá)到了2 240 K，到達(dá)1 s 時(shí)點(diǎn)火溫度較低的儲(chǔ)罐也進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段，相比于點(diǎn)火溫度高的儲(chǔ)罐，燃燒進(jìn)程相對(duì)較慢，這是因?yàn)橄嗤瑮l件下，氣體點(diǎn)火溫度越高，氣體的活化分子越多，因而使得燃燒反應(yīng)速度加快。

圖4 不同時(shí)刻不同點(diǎn)火溫度油氣爆炸燃燒溫度分布云圖Fig.4 Cloud chart of temperature distribution of oil gas explosion and combustion with different ignition temperature at different time

4 結(jié)論

本文采用Fluent 軟件對(duì)380 m3小罐內(nèi)油氣爆炸進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比計(jì)算并分析了不同影響因素下不同時(shí)刻小罐內(nèi)油氣的爆炸燃燒情況。結(jié)果表明：小罐內(nèi)油氣爆炸燃燒受油氣濃度、初始罐內(nèi)含氧量及點(diǎn)火溫度等不同因素的影響，通過(guò)數(shù)值模擬得到油氣濃度和罐內(nèi)含氧量均存在一個(gè)最佳值；在最佳油氣濃度和初始含氧量的瞬間，達(dá)到了爆炸濃度極限，遇到溫度高的火源發(fā)生爆炸，并且擴(kuò)散燃燒，爆炸中心點(diǎn)及擴(kuò)散區(qū)域的溫度達(dá)到最大；2.5%油氣濃度的爆炸可以達(dá)到最大的溫度并釋放出最大的能量，為最佳濃度。對(duì)比了含氧濃度為15%和21%時(shí)的油氣爆炸溫度，模擬結(jié)果表明，21%含氧濃度條件下油氣爆炸進(jìn)程優(yōu)于含氧濃度為15%的工況，初始罐內(nèi)含氧濃度低于21%時(shí)，氣體則會(huì)發(fā)生貧氧燃燒，會(huì)減緩爆炸的發(fā)展速度，降低爆炸中心點(diǎn)及擴(kuò)散區(qū)域的溫度。氣體點(diǎn)火溫度越高，氣體的活化分子越多，因而使得燃燒反應(yīng)速度加快。在日常施工作業(yè)時(shí)，明火、焊渣飛濺、電火花、靜電火花、高熱物、高溫表面等均會(huì)引發(fā)火災(zāi)造成爆炸燃燒，因此本文的研究對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有積極的借鑒和警示作用。