細(xì)水霧抑制石化污水系統(tǒng)內(nèi)油氣爆炸的實(shí)驗(yàn)與模擬

張廣文

(1. 化學(xué)品安全全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266104 2. 中石化安全工程研究院有限公司,山東青島 266104)

0 前言

石化企業(yè)污水系統(tǒng)多設(shè)計(jì)為狹長(zhǎng)型通道型結(jié)構(gòu),且串通連接,一旦發(fā)生原油、成品油等?；沸孤O易在污水系統(tǒng)內(nèi)積存,其揮發(fā)的烴蒸氣存在氣相空間油氣閃爆風(fēng)險(xiǎn)[1],如何實(shí)現(xiàn)污水系統(tǒng)內(nèi)氣相空間泄漏事故的應(yīng)急處置劑油氣閃爆風(fēng)險(xiǎn)抑制具有重要意義。細(xì)水霧作為一種清潔高效的新型應(yīng)急處置技術(shù),在狹長(zhǎng)通道及受限空間內(nèi)油氣燃爆抑制方面具有較好的應(yīng)用前景,早在1990年,Thomas,等[2]就發(fā)現(xiàn)水噴霧可以用來(lái)抑制氣體爆炸,認(rèn)為水滴越細(xì)抑爆效果越好。隨后,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始利用細(xì)水霧開展相關(guān)的抑爆研究,通常認(rèn)為細(xì)水霧抑制氣體爆炸受施加方式[3]、水霧通量[4]、霧滴直徑[5]等因素影響。如Wingerden,等[6]發(fā)現(xiàn)水霧的施加在一定條件下會(huì)強(qiáng)化爆炸后果,但當(dāng)改變施加條件時(shí)也會(huì)產(chǎn)生抑爆效果,但對(duì)其強(qiáng)化或抑爆的分界條件不明確。Gu,等[7]認(rèn)為細(xì)水霧的施加會(huì)使火焰面發(fā)生失穩(wěn),失穩(wěn)程度由水霧和可燃?xì)怏w濃度決定,水霧氣化程度是抑爆的關(guān)鍵。上述研究表明,細(xì)水霧可以作為一種有效的爆炸緩釋措施[8]。

然而,現(xiàn)有學(xué)者多以小尺度實(shí)驗(yàn)研究為主,對(duì)真實(shí)尺度下的細(xì)水霧抑制狹長(zhǎng)通道油氣燃爆規(guī)律研究較少,無(wú)法全面真實(shí)揭示石化污水系統(tǒng)內(nèi)細(xì)水霧抑制油氣爆炸沖擊規(guī)律[9]。通過(guò)采用1∶1真實(shí)尺度細(xì)水霧抑制油氣燃爆實(shí)驗(yàn),結(jié)合數(shù)值模擬,對(duì)狹長(zhǎng)通道內(nèi)油氣爆炸沖擊特性進(jìn)行研究,研究細(xì)水霧覆蓋區(qū)域、細(xì)水霧噴霧流量、水霧與可燃?xì)獬跏紳舛鹊纫蛩貙?duì)油氣爆炸超壓的變化規(guī)律影響,為石化污水系統(tǒng)內(nèi)油氣爆炸抗沖擊設(shè)計(jì)及應(yīng)急處置技術(shù)評(píng)估提供支持。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與模型構(gòu)建

1.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

由10 m通道、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、細(xì)水霧施加系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)腔體按照煉化企業(yè)污水系統(tǒng)通道尺寸1∶1設(shè)計(jì)而成,長(zhǎng)×寬×高分別為10 m×1.5 m×1.5 m,尾端開口,用PVC薄膜對(duì)尾端進(jìn)行封口,薄膜承壓能力約為2 kPa。在通道側(cè)壁上設(shè)置5處高頻動(dòng)態(tài)壓力變送器,圖1中MP1、MP5、MP10、MP15、MP20,量程為0～200 kPa,壓力傳感器水平間距2.375 m,其中1#傳感器位距離腔體前端0.25 m、距地面0.7 m,采用循環(huán)配氣法進(jìn)行配氣,即將一定質(zhì)量的丙烷氣體通入通道后,采用空壓機(jī)補(bǔ)充空氣,達(dá)到設(shè)定的體積比例后再用循環(huán)泵進(jìn)行腔內(nèi)氣體循環(huán),最終使氣體在腔體內(nèi)均勻分布。圖1中水霧區(qū)范圍約為 5 m,采用間隔區(qū)域?yàn)? m的3個(gè)噴頭進(jìn)行區(qū)域覆蓋,細(xì)水霧噴頭采用壓力式霧化噴頭,由水泵進(jìn)行供壓,最大壓力為15 MPa,單個(gè)噴頭細(xì)水霧平均直徑為123 μm,霧錐角為66°。

圖1 污水系統(tǒng)水霧抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

1.2 數(shù)值模型的建立

1.2.1 燃燒模型

采用FLACS v10.6軟件進(jìn)行污水系統(tǒng)油氣爆炸后果模擬。對(duì)于油氣爆炸過(guò)程中火焰?zhèn)鞑タ煞譃?個(gè)階段:層流燃燒、準(zhǔn)層流燃燒、湍流燃燒。預(yù)混氣體被點(diǎn)火后將以層流燃燒速度燃燒,火焰前鋒很平滑,火焰的傳播完全由熱和/或分子擴(kuò)散過(guò)程控制。隨后,流動(dòng)動(dòng)力學(xué)、瑞利-泰勒效應(yīng)等不穩(wěn)定因素影響下導(dǎo)致火焰表面起皺,火焰速度增加并發(fā)展成準(zhǔn)層流。經(jīng)過(guò)一段過(guò)渡期后,根據(jù)流動(dòng)條件的不同,火焰最終達(dá)到湍流燃燒狀態(tài)。各個(gè)階段的燃燒速度可按照公式(1)、(2)、(3)表示[10]。

(1)

(2)

(3)

式中:SL——層流燃燒階段的火焰速度,m/s;

Sql——準(zhǔn)層流燃燒階段的火焰速度,m/s;

ST——湍流燃燒階段的火焰速度,m/s;

P——燃燒產(chǎn)生的壓力,Pa;

P0——初始?jí)毫?Pa;

γP——壓縮系數(shù);

Cql——與氣體云團(tuán)相關(guān)的常數(shù):

1.2.2 細(xì)水霧模型

細(xì)水霧對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懖捎霉?4)～(8)進(jìn)行表述[11],假定水霧覆蓋區(qū)域內(nèi)液滴直徑及液滴占覆蓋區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)恒定,如果液滴和爆炸沖擊氣體流之間的相對(duì)速度超過(guò)液滴破碎的臨界分解速度,則假定液滴分解。2個(gè)無(wú)量綱因子F1、F2用于描述反應(yīng)性混合物中存在水噴霧時(shí)對(duì)火焰燃燒速率Swater的影響。一是,在液滴破碎之前,水霧的噴射會(huì)產(chǎn)生湍流,從而提高火焰的燃燒速度,采用燃燒增強(qiáng)因子F1表示,這個(gè)因子乘以層流燃燒速度SL,再加上湍流燃燒速度ST,表示對(duì)火焰燃燒速度的影響;二是,在水霧液滴破碎后,它們變得足夠小,可以從火焰前鋒蒸發(fā)并吸收熱量,降低了火焰的反應(yīng)速率和燃燒速度,其對(duì)火焰燃燒速度的消弱影響程度用因子F2表示。

Swater=(ST+F1×SL)·F2

(4)

F1=14·UZ·βwater

(5)

(6)

UZ=2.5(Dmm)0.94

(7)

(8)

式中:Swater——增加細(xì)水霧后的油氣爆炸過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ニ俣? m/s;

F1、F2——無(wú)量綱因子;

UZ——水霧垂直噴射速度,m/s;

βwater——覆蓋區(qū)域的水霧所占的體積分?jǐn)?shù);

Dmm——水霧的平均直徑,mm;

n——噴頭個(gè)數(shù);

Q——單個(gè)噴頭的流量,L/min;

Xlength——水霧覆蓋區(qū)域的投影區(qū)長(zhǎng)度,m;

Ylength——水霧覆蓋區(qū)域的投影區(qū)寬度,m。

1.3 研究工況及參數(shù)設(shè)置

為考察細(xì)水霧對(duì)煉化企業(yè)污水系統(tǒng)內(nèi)油氣爆炸沖擊影響,并系統(tǒng)研究細(xì)水霧覆蓋區(qū)域、細(xì)水霧噴霧流量、水霧蒸發(fā)量等因素對(duì)油氣爆炸火焰的傳播、爆炸超壓的變化規(guī)律影響,設(shè)計(jì)研究工況見表1。其中,水霧覆蓋區(qū)域的尺寸為5 m×1.5 m×1.5 m,工況1～5分別表示水霧覆蓋點(diǎn)火點(diǎn)后0～5 m范圍內(nèi),水霧平均直徑123 μm,水霧施加量(WAR)分別為0,5,10,15,20 L/min條件下氣體爆炸后果影響;工況6～13為研究不同水霧覆蓋位置變化對(duì)爆炸后果影響,其中D代表水霧覆蓋區(qū)起點(diǎn)距離點(diǎn)火點(diǎn)距離,分別選擇1,2,3,5 m,其中工況9～13代表水霧覆蓋點(diǎn)火點(diǎn)后5～10 m范圍內(nèi),水霧施加量從0,5,10,15 L/min變化至20 L/min條件下氣體爆炸后果;工況14～18代表水霧覆蓋點(diǎn)火點(diǎn)后5～10 m范圍內(nèi),燃料的當(dāng)量比濃度(ER)從0.6～1.5范圍內(nèi)的初始濃度氣體下污水系統(tǒng)內(nèi)油氣爆炸沖擊。

表1 研究工況與參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)水霧覆蓋區(qū)域?qū)Ρ_擊后果的影響

2.1.1 爆炸超壓誤差分析

表2為獲得的不同水霧覆蓋區(qū)域下氣體爆炸實(shí)驗(yàn)壓力值與數(shù)值模擬壓力值[12]。通過(guò)表中實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可以看出,在腔體前端位置處施加細(xì)水霧(工況3),腔體內(nèi)部爆炸超壓較未施加水霧時(shí)(工況1)明顯增強(qiáng);而在后端施加細(xì)水霧(工況11)腔體內(nèi)部爆炸超壓被顯著抑制,峰值超壓降低30%以上,細(xì)水霧覆蓋區(qū)域的設(shè)置對(duì)污水系統(tǒng)氣體爆炸后果的影響較大。

表2 不同工況下實(shí)驗(yàn)與模擬壓力值比對(duì)

表2中可以看出,工況1即不施加水霧情況下,實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果偏差主要集中在6%以內(nèi),實(shí)驗(yàn)與計(jì)算誤差最小誤差出現(xiàn)在MP1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn),為2.1%;僅MP20號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果偏差超過(guò)20%。工況3即水霧覆蓋0～5 m區(qū)間范圍內(nèi),實(shí)驗(yàn)與計(jì)算誤差最大在MP10號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn),為15.5%;最小誤差絕對(duì)值出現(xiàn)在MP5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn),為5.5%。后端施加水霧,工況11實(shí)驗(yàn)值與模擬結(jié)果偏差主要集中在20%以內(nèi),MP20號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果偏差超過(guò)20%。按照誤差低于20%數(shù)據(jù)判斷[13],本文采用建立的細(xì)水霧抑爆模型可滿足分析要求。

圖2 為工況3在水霧施加量為10 L/min條件下,通道內(nèi)氣體爆炸超壓值隨時(shí)間變化的趨勢(shì)的實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比圖,圖中從上到下分別為通道內(nèi)MP1、MP10及MP20 測(cè)點(diǎn)處的結(jié)果比較。圖中可以看出狹長(zhǎng)通道內(nèi)MP1、MP10及MP20 測(cè)點(diǎn)處的爆炸超壓隨時(shí)間變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相同,均為“壓力緩慢提升-快速升至最大正超壓-快速降至最大負(fù)超壓-波動(dòng)并趨于常壓”。

圖2 水霧施加位置變化下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處超壓對(duì)比(工況3)

對(duì)比3個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大爆炸超壓值并與未施加水霧工況1進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),在腔體前端即D=0 m位置處施加細(xì)水霧,水霧施加后通道內(nèi)爆炸超壓呈現(xiàn)出多波峰形態(tài),薄膜破裂時(shí)產(chǎn)生的泄放壓力P1數(shù)值較小,受泰勒不穩(wěn)定效應(yīng)影響,火焰?zhèn)鞑ブ琳麄€(gè)腔體時(shí)產(chǎn)生的P2超壓波峰占超壓波動(dòng)的主導(dǎo)地位且波峰明顯增強(qiáng),高于未施加水霧數(shù)值。這是由于在腔體前端施加細(xì)水霧后,細(xì)水霧的存在使得火焰的發(fā)展初期受到動(dòng)量的擾動(dòng)作用,使得火焰發(fā)生變形產(chǎn)生更強(qiáng)的湍流作用,進(jìn)而導(dǎo)致火焰速度和壓力明顯提升[14]。對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與FLACS模擬計(jì)算結(jié)果可以看出,由于模型引入了水霧施加對(duì)腔體湍流影響的燃燒增強(qiáng)因子F1,使得模型模擬預(yù)測(cè)的超壓波變化趨勢(shì)及最大超壓等與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖3 為工況11即后端D=5 m位置處施加細(xì)水霧,通道內(nèi)氣體爆炸超壓值隨時(shí)間變化的趨勢(shì)的實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比圖,相比工況3前端施加細(xì)水霧,后端施加細(xì)水霧可有效減少通道內(nèi)氣體爆炸超壓值,對(duì)腔體內(nèi)的爆炸超壓波峰有一定的控制效果。

圖3 水霧施加位置變化下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處超壓對(duì)比(工況11)

圖4為前端水霧覆蓋與后端水霧覆蓋腔體內(nèi)氣體燃燒初期的火焰表面模擬結(jié)果比對(duì)。圖中從上到下分別為D=0 m、D=5 m情況下,點(diǎn)火后不同時(shí)刻火焰燃燒模擬結(jié)果,從圖中可以看出,前端覆蓋水霧(D=0)比后端覆蓋水霧(D=5)火焰?zhèn)鞑^(qū)域更大,燃燒速度更快,這是由于水霧的存在使得火焰的發(fā)展初期受到動(dòng)量的擾動(dòng)作用增強(qiáng),火焰的發(fā)展由球面型傳播快速轉(zhuǎn)變?yōu)橹感蛡鞑?并在火焰穿透水霧區(qū)域時(shí)變?yōu)椴灰?guī)則火焰形態(tài)。

圖4 前端施加水霧與后端施加水霧火焰面比較

2.1.2 細(xì)水霧覆蓋區(qū)域變化對(duì)通道爆炸超壓影響

圖5為不同水霧覆蓋區(qū)域起始位置距點(diǎn)火點(diǎn)距離D變化對(duì)通道內(nèi)氣體爆炸后果模擬結(jié)果比對(duì),D分別為0,1,2,3,5m。圖中從上到下分別為通道內(nèi)MP1、MP10及MP20 測(cè)點(diǎn)處的爆炸超壓隨時(shí)間變化結(jié)果,從圖中可以看出,隨著D的增加即水霧起始位置距點(diǎn)火點(diǎn)距離的增加,3個(gè)測(cè)點(diǎn)處的爆炸超壓峰值出現(xiàn)時(shí)間明顯延后,且爆炸峰值超壓逐漸減弱。這是由于隨著D的增加,火焰的發(fā)展初期受水霧施加的影響降低,當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ剿F區(qū)域時(shí),速度已明顯提高,此時(shí)水霧破碎沖擊及蒸發(fā)效應(yīng)越來(lái)越明顯,對(duì)通道爆炸超壓減弱影響越來(lái)越大。

圖5 水霧施加位置變化下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處超壓對(duì)比

2.2 細(xì)水霧流量對(duì)爆炸沖擊后果的影響

2.2.1 前端施加水霧

圖6為前端施加細(xì)水霧,細(xì)水霧覆蓋區(qū)域起始位置距點(diǎn)火點(diǎn)距離D為0時(shí),不同細(xì)水霧流量變化對(duì)通道內(nèi)氣體爆炸后果模擬結(jié)果比對(duì),細(xì)水霧流量分別為0,5,10,15,20 L/min。從圖中可以看出,通道前端施加細(xì)水霧時(shí),隨著WAR的增加MP1、MP10及MP20 等3個(gè)測(cè)點(diǎn)處的爆炸超壓峰值出現(xiàn)時(shí)間明顯提前,且爆炸峰值超壓逐漸增加。這是由于隨著WAR的增加,腔體內(nèi)的細(xì)水霧顆粒也隨之增加,對(duì)火焰發(fā)展初期的擾動(dòng)作用也更為強(qiáng)烈,使得火焰發(fā)生變形并形成更強(qiáng)的湍流作用,燃燒增強(qiáng)因子F1的值也越大,進(jìn)而導(dǎo)致爆炸壓力的提升。

圖6 前端水霧覆蓋霧流量變化下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處超壓對(duì)比(D=0)

2.2.2 后端施加水霧

圖7為后端施加細(xì)水霧,細(xì)水霧覆蓋區(qū)域起始位置距點(diǎn)火點(diǎn)距離D為5時(shí),不同細(xì)水霧流量變化對(duì)通道內(nèi)氣體爆炸后果模擬結(jié)果比對(duì),細(xì)水霧流量分別為0,5,10,15,20 L/min。從圖中可以看出,通道后端施加細(xì)水霧時(shí),隨著WAR的增加MP1、MP10及MP20 等3個(gè)測(cè)點(diǎn)處的爆炸超壓峰值出現(xiàn)時(shí)間較為接近,且爆炸峰值超壓逐漸減少。這是由于D為5位置處,腔體內(nèi)的火焰燃燒得到充分發(fā)展,當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ剿F區(qū)域時(shí),速度已明顯提高,此時(shí)隨著WAR的增加,腔體內(nèi)的細(xì)水霧顆粒也隨之增加,水霧破碎沖擊及蒸發(fā)效應(yīng)越來(lái)越明顯,對(duì)通道爆炸超壓抑制效應(yīng)越來(lái)越大。

圖7 后端水霧覆蓋霧流量變化下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處超壓對(duì)比(D=5)

2.3 不同初始濃度氣體細(xì)水霧施加后爆炸后果的影響

2.3.1 通道爆炸超壓

圖8是細(xì)水霧覆蓋在通道前端,水霧覆蓋區(qū)域起始位置距點(diǎn)火點(diǎn)距離D為0時(shí),固定流量的細(xì)水霧與不同氣體初始濃度共同作用下的污水系統(tǒng)內(nèi)氣體爆炸后果模擬結(jié)果比對(duì),圖中從上到下分別為通道內(nèi)MP1、MP10及MP20 測(cè)點(diǎn)處的結(jié)果比較。圖中可以看出當(dāng)通道內(nèi)燃料當(dāng)量比濃度從0.6變化至1.5,3個(gè)測(cè)點(diǎn)處爆炸峰值超壓產(chǎn)生時(shí)間呈現(xiàn)為“先變?cè)缭傺雍蟮内厔?shì)”。圖中可以看出隨著初始濃度值的增加,峰值超壓值“先增加后減少”。

圖8 水霧施加量不變(WAR=10),氣體濃度變化下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處爆炸超壓后果

2.3.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊?/p>

圖9是細(xì)水霧覆蓋在通道前端,水霧覆蓋區(qū)域起始位置距點(diǎn)火點(diǎn)距離D為0時(shí),固定流量的細(xì)水霧與不同氣體初始濃度共同作用下的污水系統(tǒng)內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣饶M結(jié)果比對(duì)。圖中可以看出當(dāng)通道內(nèi)燃料當(dāng)量比濃度從0.6變化至1.5,3個(gè)測(cè)點(diǎn)處爆炸峰值超壓產(chǎn)生時(shí)間呈現(xiàn)為“先變?cè)缭傺雍蟮内厔?shì)”。圖中可以看出隨著初始濃度值的增加,峰值超壓值“先增加后減少”。

圖9 水霧施加量不變(WAR=10),氣體濃度變化下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處速度變化

3 結(jié)論

對(duì)狹長(zhǎng)通道內(nèi)水霧抑制油氣爆炸特性進(jìn)行研究,研究了水霧覆蓋區(qū)域、噴霧流量、可燃?xì)獬跏紳舛鹊纫蛩叵率鬯到y(tǒng)內(nèi)油氣爆炸后果變化規(guī)律影響,建立了水霧抑爆評(píng)估模型,主要結(jié)論如下。

a) 前端施加細(xì)水霧使得腔體波峰P2超壓波峰增強(qiáng),由未施加水霧的90 kPa增加到約200 kPa, 而在后端施加細(xì)水霧腔體內(nèi)部爆炸超壓被顯著抑制,爆炸超壓降低約30%。

b) 固定覆蓋區(qū)域下隨著水霧起始位置距點(diǎn)火點(diǎn)距離D的增加,通道內(nèi)爆炸超壓峰值出現(xiàn)時(shí)間明顯延后,且爆炸峰值超壓逐漸減弱。前端施加細(xì)水霧時(shí),隨著噴霧流量的增加爆炸超壓峰值出現(xiàn)時(shí)間明顯提前,且爆炸峰值超壓逐漸增加;而后端施加細(xì)水霧時(shí),規(guī)律相反。

c) 固定水霧流量下,隨著可燃?xì)獬跏既剂吓浔仍黾?通道內(nèi)爆炸超壓峰值呈現(xiàn)先增加后逐步減小、超壓峰值產(chǎn)生時(shí)間距點(diǎn)火時(shí)間呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

d) 建立的水霧抑爆評(píng)估模型,與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差主要集中在20%以內(nèi),可為石化污水系統(tǒng)內(nèi)油氣爆炸抗沖擊設(shè)計(jì)及應(yīng)急處置技術(shù)評(píng)估提供支持。