油气工业中的易燃易爆及有毒气体通常储存在中、高压球形储罐中，而在制造、安装和运营过程中不可避免地会造成腐蚀穿孔、阀门失效、疲劳裂纹等缺陷，导致气体泄漏，从而带来巨大的燃烧爆炸风险。一般来说，泄漏可分为大孔泄漏、小孔泄漏及管道泄漏3种。对高压储罐的泄漏分析，一般主要考虑小孔泄漏[1-2]，如储罐本身存在的裂纹和缺陷，罐体与附件之间的连接不严等引起的泄漏[3]。高压储罐发生泄漏会以很高的速度向外扩散，在极短的时间里与周围空气卷积混合[4]，遇到火源发生燃烧爆炸事故。目前，针对气体泄漏扩散方面的研究很多，但主要集中在天然气管道泄漏方面[5-8]。高压天然气储罐的泄漏扩散研究较少，难以指导现场紧急救援，特别是风向对泄漏后气体扩散规律和危险区域的影响。对气体或蒸汽而言，储罐泄漏主要以射流的形式进行[9]，对这类问题的分析主要有3种途径：实验研究、理论分析和数值计算。本研究以某液化石油气(LPG)球形储罐为例，利用Ansys Fluent软件模拟计算该储罐因某种原因造成泄漏后丙烷的扩散规律和爆炸危险区域，为事故工况下的救逃生提供参考。
某LPG球形储罐直径20 m，球罐中心距地面高度12 m，泄漏孔为半径0.3 m的圆形。为了兼顾计算精度和计算效率，模拟计算采用三维轴对称模型，对称面为垂直于Y轴的半球面所在的矩形面。计算域为长250 m、宽50 m、高50 m的六面体(见图 1)。空气垂直于模型中左侧和右侧面进出计算域，风速取当地平均风速3 m/s。球罐中心距离计算域的左侧入口40 m，为方便表述，球罐中心定为坐标原点。泄漏孔位于半球形面的右侧，与球罐中心在同一水平面上，即泄漏孔中心坐标为(10，0，0)。泄漏气体沿+X方向，一旦发生泄漏，气体高速喷射，并在短时间内(一般不超过数秒)建立相对稳定的泄放状态[10]。气体流速取80 m/s，之后气体喷射流速随着球罐内压力降低而不断减小。由于球罐容积较大，压力往往较高，若发生泄漏，人们将在第一时间逃离现场，期间往往较短，泄放流速变化很小，故保守地认为泄放源强和流速保持不变。研究泄漏后的LPG分布规律，为救逃生提供路线。球罐周围压力为101.325 kPa(A)，周围温度为20 ℃。LPG的主要组分为丙烷，一般质量分数超过90%。本研究认为储罐内气体全为丙烷，其爆炸极限为体积分数2.1%~9.5%。利用Ansys Icem软件建立几何模型，并划分网格。为保证计算精度，在泄漏孔附近作加密处理。经计算，网格约160万时，可以达到网格无关解。利用Ansys Fluent软件作为求解器，重点分析泄漏发生后，爆炸极限覆盖范围，即爆炸危险区域的形态。
高压气体泄漏扩散过程需在三大基本守恒定律基础上，考虑完全气体状态方程、湍流控制方程和无燃烧爆炸的组分输送方程。以下重点讨论湍流控制方程和组分输送方程的选取。
标准k-ε模型是目前工程流场计算中应用最为广泛且符合性较好的模型，它是基于零方程和一方程模型改进而来，但该模型不适合于存在弯曲避免的流动场合[11-12]。为此，引入湍流黏度系数的修正项，在标准k-ε模型基础上出现多种修正模型，其中Realizable k-ε模型应用最为广泛[13]。Tauseef等分别利用标准k-ε模型和Realizable k-ε模型对一个重气扩散问题进行了数值模拟，并将两组模拟结果同实验数据进行对比。结果显示，采用Realizable k-ε模型的模拟不仅能够准确地计算出扩散空间中的丙烷体积分数分布，而且还能更好地描述丙烷体积分数随时间的变化情况[14]。因此，本研究的高压LPG储罐的泄漏扩散问题采用Realizable k-ε模型。另外，由于丙烷密度较空气重，需要考虑重力(Gravity项)和空气浮力(Full Buoyancy Effects项)的作用。
对于系统内的某种组分，单位时间内的质量变化等于该组分进出系统的净流量与单位时间因为化学反应产生的组分生成(或消耗)量之和[15-16]。对于丙烷的泄漏扩散模拟，可通过组分输送方程跟踪丙烷的扩散和分布。Ansys Fluent中组分输送方程见式(1)[17]：
式中：ρ为扩散气体密度，kg/m3；Yi为第i种组分的体积分数，%；υ为气体扩散速度矢量，m/s；Ri为第i种组分的净产生速率，kg/s；Ji为物质i的扩散通量，kg/(m2·s)；▽为矢量的散度；Si为源项引起的额外产生速率，kg/s。
丙烷泄漏扩散的模拟中没有燃烧和爆炸等化学反应产生或消耗，式中Ri和Si均为0。为保证计算精度和准确性，在计算过程中，第i种组分的体积分数由1减去i-1个已解的组分的体积分数得到[18]。因此，在计算中以体积分数最大的丙烷作为最后一种物质进行数值计算[19-20]。
另外，在模拟计算中，作以下几点简化与假设：①实际泄放过程为泄放流速不断变化的动态过程，为定量研究风向的影响，假设模拟计算的稳态泄漏过程中，LPG储罐的压力不变，泄漏源连续均匀向外泄漏扩散；②在整个泄漏过程中，没有物质发生化学反应，也没有相变；③储罐泄漏过程中，风向水平不变，且不随高度发生变化；④假设流动过程为绝热等熵过程，不考虑气体的热传递。
LPG储罐泄漏模拟计算的目的是确定泄漏后可燃气体的分布情况及处于爆炸极限范围内的空间，为应急策略制定和救逃生路线提供参考。因此，下面的分析主要侧重于丙烷爆炸极限范围内的丙烷体积分数分布情况。风向影响着泄漏后可燃气体的扩散分布，以+X方向为速度的正方向，即自左至右的风为顺风，自右至左的风为逆风。以Ansys Fluent求解器分别计算无风、顺风3 m/s和逆风3 m/s这3种工况下，储罐发生泄漏后丙烷体积分数分布情况。
从图 2可以看出，储罐发生泄漏后，整体流场可大致分为两个部分：泄漏口附近(近场)的欠膨胀自由射流和远离泄漏口(远场)的膨胀射流。这是由于泄漏的高速丙烷与周围空气的速度不同，在流体黏性的影响下与周围介质发生动量交换，从而使周围环境流体带动和卷吸进入射流，随后由于速度逐渐降低，在向前扩散的过程中受空气阻力影响而改变运动方向，逐渐向四周扩散，形成圆柱形或尖劈形的混合区。从Y轴方向来看，在无风条件下，丙烷与周围静止的空气之间的相对速度大于顺风工况，与周围流体的动量交换更加剧烈，因而产生更大的Y轴方向上的扩散范围。从数值上看，在无风条件与顺风条件下，计算域的出口处可燃气体扩散半径分别为21.5 m和15.0 m。当在逆风条件下，丙烷与周围静止的空气之间的相对速度大于无风工况，产生的Y轴方向上扩散范围较无风和顺风时更大，距离泄漏口85 m处，Y轴方向上扩散达到最大，扩散半径为37 m。从X轴方向来看，由于顺风的“助力”，使得顺风工况下在X轴方向上扩散范围较另外两个工况更远，其中顺风工况和无风工况下，扩散距离超出计算域。同时，逆向风速的“拦截”使得其X轴方向上扩散距离最小，为164 m。另外，值得注意的是，在逆向风速的作用下，动量较小的丙烷改变了扩散方向，沿着空气流动方向扩散，使得球罐周围的丙烷体积分数增大，基本达到爆炸极限范围，具有较大的安全风险。
另外，从图 3可以看出，由于丙烷重力的作用，随着泄漏扩散的推进，可燃气体不断向地面方向扩展。在无风条件下，丙烷体积分数在计算域的末端下倾更为明显。在逆风工况下，由于更大的卷吸作用，处于爆炸极限的危险区域更加靠近球罐。
在绝大多数情况下，泄漏扩散的可燃气体发生燃烧爆炸的火源来自于人，如人的吸烟点火、摩擦静电等。另外，吸入高含量丙烷对身体有极大伤害。为此，重点研究距离地面1.75 m高度所在平面的丙烷体积分数分布情况，结果如图 4所示。由图 4可以明显看出，在计算域范围内，顺风、无风和逆风工况下，丙烷爆炸极限覆盖的面积分别为978 m2、3 268 m2和19 240 m2，即顺风时丙烷爆炸极限覆盖的区域最小，逆风时覆盖区域最大。这主要是由于泄漏扩散带边缘动量很小的丙烷受到正向空气流动的携带不断沿着空气流动方向移动，而留在计算域内的丙烷质量较低的缘故。在逆向空气流动的作用下，动量较小的丙烷改变了流动方向，运移距离增大的同时增加了丙烷在重力作用下的沉降时间，而使得人类活动范围内的丙烷体积分数和爆炸风险大幅增大。另外，泄漏扩散形成的“扇形”可燃气区的外侧气体在逆向风的作用下，速度大幅降低，流动方向发生了改变并在球罐的“阻挡”作用下，沿着球罐的外表面向空气来流方向缓慢移动，形成一个较小范围的危险区域(345 m2)。从Y轴方向上来看，由于顺风时泄漏扩散的丙烷与周围空气相对流速较小，卷积效应较弱[21]，使其危险范围最小。相反，在逆风时，因为较大的相对流速和削弱的动量分子，则导致更大危险区域。
将不同风向下，距离地面1.75 m所在域平面的对称轴上丙烷体积分数绘制成曲线(见图 5)。由图 5可以看出，在计算域左侧，逆风向时，丙烷体积分数基本维持在2.0%以上水平，处于爆炸危险区域，这主要是逆风的作用削弱了泄漏扩散丙烷的动量，使之改变方向，增大了低动量丙烷分子的行程和沉降时间；在无风和顺风工况下，计算域的最左侧丙烷体积分数几乎为零，直到70 m处，丙烷体积分数开始上升，并分别在100 m和129 m处达到爆炸极限下限，进入爆炸危险区域。在计算域右侧，丙烷体积分数在逆风工况下显著降低，在216 m处降低至零；在无风和顺风时，丙烷体积分数在最右侧依然处于爆炸极限范围内，并将延伸一定距离(图 5中未体现)。总之，风向的作用改变了爆炸危险区域所在位置。为此，一旦发生泄漏，应根据风向和所处位置，确定逃离路线(见图 6)。对于顺风或无风情况，当处于储罐的下风向时，应朝着上风向或两侧逃离。对于逆风情况，若处于储罐上风向一定距离以外(此处为216 m)，应朝着上风向或两侧逃离；
若处于储罐附近，应朝着下风向或两侧逃离；若处于爆炸危险区域，可朝着两侧逃离。在实际中，可以根据计算情况，在储罐周围一定范围内做出标记，确定危险区域和逃离指示标志，为发生泄漏危险时的人员逃生和救援站位提供参考，降低事故危害程度。
高压LPG储罐一旦发生泄漏，会在极短的时间内与周围空气卷积混合，形成爆炸危险区域，遇到火源将引起燃烧爆炸。本研究以某LPG储罐为依托，利用Ansys Fluent软件建立符合实际的三维模型，分别模拟了不同风向工况下，储罐泄漏后形成的可燃区域分布、丙烷扩散规律和人体呼吸带范围内的丙烷体积分数情况。研究结果表明：①发生泄漏后，由于受到流体黏性和不同动量的影响，整体流场可以大致分为泄漏口附近的欠膨胀自由射流和远离泄漏口的膨胀射流两个部分；②从Y轴方向上扩散范围为：逆风>无风>顺风；从X轴方向上扩散范围为：顺风>无风>逆风；③在人体呼吸带范围内，丙烷爆炸极限覆盖的区域为：逆风>无风>顺风；④风向的作用改变了爆炸危险区域所在位置，逆风将爆炸危险区域向储罐侧偏移，顺风将爆炸危险区域向远离储罐侧偏移；⑤一旦发生泄漏，应根据风向和所处位置，确定逃生路线。在实际中，可根据计算情况，在储罐周围一定范围内做出标记，确定危险区域和逃离指示标志，为发生泄漏危险时的人员逃生和救援站位提供参考。
2021, Vol. 50 Issue (5): 98-103
2021, Vol. 50 Issue (5): 98-103