LPG低溫儲罐泄漏擴散數(shù)值模擬及影響因素分析

孫秉才 冉冉 顧曉敏 王學岐

（1.中國石油集團安全環(huán)保技術研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油長慶油田分公司 第四采油廠，陜西 榆林 750000）

0 引言

LPG作為清潔能源，工業(yè)和民用需求不斷增長，為了節(jié)約建設成本、提升儲存能力，其儲罐日益向大型化發(fā)展。但因LPG易燃易爆，最低引燃能量小、爆炸下限低且爆炸濃度范圍較寬［1］，在儲存和運輸中易發(fā)生泄漏爆炸事故。如1979年吉林市液化氣站LPG儲罐發(fā)生破裂并引起爆炸，事故導致36人死亡、50人重傷［2-3］；1984年墨西哥LPG供應站發(fā)生火災爆炸事故，造成約650人死亡；2017年山東金譽石化液化氣罐車發(fā)生爆炸并著火，事故造成10人死亡、9人受傷［4］。以上事故都造成了嚴重的人員傷亡和經濟損失，引起了行業(yè)內高度重視。由于LPG泄漏速度快、擴散過程不易控制且受環(huán)境影響大，研究LPG泄漏擴散過程并確定安全范圍，對事故預防與救援具有重要意義。

國外對LNG泄漏進行了一系列實驗研究，如Burro實驗［5］、Falcon實驗［6］、Maplin Sands實驗［7-8］，而對LPG的實驗研究較少。隨著計算機技術發(fā)展，計算流體力學方法（CFD）以其成本低、可重復等優(yōu)勢在LPG泄漏研究方面得到廣泛應用。PONTIGGIA M等［9］運用CFD模擬了罐車中LPG泄漏擴散過程。WANG Z J等［10］運用CFD對燃料的泄漏擴散過程和損傷區(qū)域進行了定量分析。馮博等［11］利用FLUENT軟件模擬了3 000 m3LPG球罐的泄漏擴散規(guī)律。

目前，大多數(shù)數(shù)值模擬研究主要集中在常溫壓力儲存的LPG球罐上，對大型低溫拱頂罐的泄漏相變過程研究較少。本文以30 000 m3LPG低溫常壓拱頂罐為研究對象，利用FLUENT模擬其泄漏擴散過程，研究風速、溫度、相對濕度等因素對擴散過程的影響，并通過灰色關聯(lián)法確定各因素對氣云擴散的權重。

1 數(shù)學模型和基本假設

1.1 數(shù)學模型

LPG液相泄漏擴散過程涉及質量、能量、動量守恒方程以及湍流方程。由于泄漏過程包含LPG液相、LPG重氣云和空氣三相，所以需開啟多相流模型，選擇可以描述相間存在混合的Mixture模型。對于湍流模型，選擇能較好模擬彎曲壁面、邊界層流動的Realizable k-模型。

LPG液相泄漏后，低溫液體會與周圍空氣進行質量和熱量交換，因此需要蒸發(fā)相變模型來描述這一過程，利用FLUENT中自定義函數(shù)（UDF）將蒸發(fā)相變模型進行編程導入，方程為：

式中，T為混合溫度，K；Tsat為飽和溫度，K；mg為液相轉化為氣相的相變率，kg/（m3·s）；ml為氣相轉化為液相的相變率，kg/（m3·s）。

1.2 基本假設

LPG泄漏過程比較復雜，為了便于模擬分析，做出以下假設：

1）LPG成分主要以丙烷、丁烷為主，在模擬中將組分簡化為丙烷。

2）認為泄漏速度不隨時間變化。

3）空氣和LPG氣云的混合氣體視為不可壓縮理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程。

4）忽略環(huán)境溫度的變化，認為環(huán)境溫度為恒溫。

2 計算模型及條件

2.1 計算模型

以單罐為研究對象建立模型，根據(jù)前人經驗及試算，確定計算流域尺寸為500 m×200 m×60 m，儲罐直徑為42 m，高為24 m，邊界條件如圖1所示。

圖1 模型及邊界條件

網格劃分是進行計算的關鍵，網格質量的好壞決定計算結果的準確性。本文采用結構網格和非結構網格混合方式進行網格劃分，對泄漏口周圍及下風向進行加密，劃分效果如圖2所示，網格總數(shù)為228萬，網格質量良好。

圖2 網格劃分俯視圖

2.2 模擬條件

此LPG儲罐儲存溫度為－45℃，工作壓力為0.0147 MPa。根據(jù)當?shù)丨h(huán)境參數(shù)設置風速分別為3、5、10、15 m/s，溫度分別為5、15、22、30℃，地面粗糙度分別為0.01、0.05、0.1、0.2，相對濕度分別為0.5、0.71、0.8、0.88。將泄漏口簡化為=100 mm的圓形，通過液相泄漏公式計算得到泄漏量Q=172.8 kg/s。

3 模擬結果分析

介質儲存溫度較低，泄漏后會立即從環(huán)境中吸熱而蒸發(fā)，形成氣云。泄漏100 s后，丙烷液相和氣相的分布情況如圖3所示，液相具有一定的動量并向外噴射，在地面形成部分液池。丙烷沸點為-42℃，接近儲存溫度，大部分液相發(fā)生了相變，形成氣云向下風向擴散。儲罐的阻礙作用使儲罐附近的流場發(fā)生變化，出現(xiàn)回流和渦流現(xiàn)象，氣云會向兩側堆積。

圖3 100 s時液相和氣相分布

LPG泄漏后會沿地表擴散，危害較大。丙烷的爆炸極限為2.2%~9.5%，在該范圍內的區(qū)域稱為危害范圍。不同時刻氣云沿地表擴散危害范圍如圖4所示?？梢钥闯?，隨著泄漏時間的增加，危害范圍逐漸增大，高濃度氣云主要集中在下風向兩側，軸線處濃度較低。

圖4 不同時刻氣云危害范圍

3.1 風速影響

利用UDF功能將梯度風加載到風入口面進行模擬，不同風速下泄漏100 s后，氣云危害范圍及擴散距離隨時間變化規(guī)律如圖5、圖6所示。由模擬結果可知，隨著風速的增大，氣云沿地面擴散距離先增大后減小，下風向形成的兩條氣云帶變窄，處于高濃度范圍內的氣云逐漸被稀釋。在較低風速下，風流對氣云主要起運輸作用，能使氣云向下風向擴散；而在風速較高時，風流對氣云的擴散主要起稀釋作用，使高濃度氣云濃度降低，擴散范圍減小，因此需要特別關注低風速下氣云的擴散情況。

圖5 100 s時不同風速沿地面擴散危險范圍

圖6 不同風速下氣云沿地面擴散距離

3.2 溫度影響

溫度對泄漏擴散的影響主要是通過影響大氣湍流度以及蒸發(fā)吸熱過程，進而影響LPG氣云擴散。不同溫度下氣云LFL、UFL沿下風向擴散距離變化如圖7所示。由圖可知，環(huán)境溫度越高，蒸發(fā)的氣云在下風向擴散速度越快，擴散范圍增大。這是由于溫度會加速氣云與環(huán)境的熱量交換，提高蒸發(fā)速率，使大氣湍流程度增加，從而促進氣云擴散。

圖7 不同溫度下氣云沿地面擴散距離

3.3 地面粗糙度影響

重氣擴散會沿地表進行，容易積聚在低洼處，地面粗糙度是影響重氣擴散的重要因素。不同粗糙度下擴散距離及100 s時氣云危害范圍分布如圖8、圖9所示。由圖可知，隨著地面粗糙度的增大，氣云擴散距離變小，危害范圍及氣云寬度變小。地面粗糙度反映了地表的光滑程度，粗糙度越大，氣云在地面擴散的阻礙作用就越大，因此可以采用增大地面粗糙度的方式來阻止氣云擴散，如設立圍堰、防火堤等設施。

圖8 不同粗糙度下氣云沿地面擴散距離

圖9 100 s時不同粗糙度地面危害范圍

3.4 相對濕度影響

大氣相對濕度是通過影響空氣密度而間接影響氣云擴散過程。在FLUENT中開啟組分輸運模型，分別設置不同的相對濕度進行模擬。泄漏100 s后爆炸上下限沿地面擴散最遠距離如表1所示，可以看出，隨著相對濕度的增加，爆炸下限和上限擴散距離逐漸減小，因為相對濕度越大，泄漏氣體形成云團的密度越大，越不易擴散。因此，可以通過增加空氣濕度的方法（如水幕）來減小氣云擴散距離，降低發(fā)生危害的風險。

表1 不同相對濕度下氣云LFL與UFL擴散距離

4 灰色關聯(lián)度分析

灰色關聯(lián)度分析是通過對系統(tǒng)內部分已知信息或因素進行處理，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)未知信息的預測及量化研究［12］。主要步驟包括評價參數(shù)的選擇、數(shù)據(jù)的無量綱化處理、計算絕對差值矩陣、求關聯(lián)系數(shù)、關聯(lián)度等。

4.1 初始數(shù)據(jù)及無量綱化處理

將風速、溫度、地面粗糙度、相對濕度4個因素作為參考序列，構建分析指標體系X={X1,X2,X3,X4}，根據(jù)評價目的選擇泄漏100 s時LFL擴散距離作為評價參數(shù)x0={x0（1）,x0（2）,…,x0（m）}，m為指標個數(shù)。原始序列如表2所示。由于各因素的物理意義不同，數(shù)據(jù)的量綱也不統(tǒng)一，為了便于比較，運用初值法進行無量綱化處理。

表2 評價參數(shù)及指標參數(shù)原始序列

4.2 計算關聯(lián)度

首先計算每個指標與評價參數(shù)之間的絕對差值，然后計算關聯(lián)度，關聯(lián)度的計算式［13-14］為：

通過計算得到各因素關聯(lián)度：1=0.9778，2=0.8200，=0.890 7，4=0.806 6。由此說明，風速和地面粗糙度對氣云擴散影響較大，而溫度和相對濕度對其影響較小。

5 結論

本文運用FLUENT軟件對LPG低溫常壓拱頂罐進行泄漏擴散模擬，對事故的救援和預防具有一定指導作用。根據(jù)模擬結果，可得出以下結論：

1）受儲罐阻礙作用，流域內流場發(fā)生明顯變化，儲罐兩側發(fā)生擾流，背風側形成渦流。氣云在風場作用下出現(xiàn)分叉，向軸線兩側堆積。在低風速下，風對氣云的擴散起輸運作用，氣云擴散距離隨風速的增大而增大；當風速達到某閾值時，風對氣云的擴散起稀釋作用，氣云擴散距離隨風速的增大而減小。

2）溫度越高，氣云擴散距離越遠，因為溫度一方面會影響氣云與環(huán)境的熱量交換，另一方面會影響大氣湍流程度，使氣云和周圍空氣充分混合，促進氣云擴散。

3）地面粗糙度和相對濕度對氣云的擴散起阻礙作用，地面粗糙度和相對濕度越大，氣云擴散距離越近，因此可以采用設置地面障礙物和水幕等措施來降低危害范圍。

4）通過灰色關聯(lián)分析法，得到各因素對擴散距離的影響度排序，依次為風速、粗糙度、溫度、相對濕度，其中風速是影響擴散的關鍵因素。