曾晨崗, 單彥廣

(上海理工大學能源與動力工程學院,上海 200093)

LPG儲罐泄漏噴射火災過程模擬

曾晨崗, 單彥廣

(上海理工大學能源與動力工程學院,上海 200093)

噴射火災是指由具有一定壓力的單相或兩相可燃介質(zhì)從有限大小的出口泄漏,遇到火源而引起的火災.液化石油氣(LPG)儲罐由于化學、機械或熱沖擊等不同原因發(fā)生泄漏時,儲罐內(nèi)氣液兩相介質(zhì)在巨大的壓差下從泄漏口噴出,遇到火源即形成噴射火災,極易造成嚴重的危害后果.運用FDS軟件,模擬了有風和無風條件下LPG儲罐連續(xù)泄漏造成的噴射火災情況,得到了火焰的熱輻射變化規(guī)律和火焰發(fā)生發(fā)展情況.模擬結果表明,對于所研究的特定情況,為了避免人員傷亡和設備損壞,安全半徑至少應設置在距離火焰中心25 m以外.這一結果與文獻中采用點火源模型預測的結果吻合良好,表明所建模型是可行的.

噴射火災;LPG儲罐;安全半徑;數(shù)值模擬

大型液化氣儲罐在機械、化學和熱作用下泄漏導致的火災爆炸是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的重大災害事故.據(jù)統(tǒng)計,化工生產(chǎn)過程中發(fā)生火災爆炸的事故約占35%,有關液化氣泄漏導致的災害事故約占14%[1].研究液化氣儲罐泄漏引起的火災事故及其發(fā)生發(fā)展規(guī)律和危害結果,對于預防及控制液化氣泄漏導致的火災危害具有重大意義.目前對于儲罐泄漏引發(fā)火災事故的研究,主要分為兩個方面.一方面是針對火災情況下儲罐內(nèi)熱響應的研究,如俞昌銘、單彥廣等[2-4]根據(jù)實驗和模擬計算結果分析儲罐爆炸機理及熱響應規(guī)律,并對液化石油氣(LPG)的儲存與運輸過程中的危害及影響因素進行研究[5];文獻[6-7]針對不同條件下儲罐的熱響應研究了LPG儲罐內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程;文獻[8-9]對LPG各組分的飽和蒸氣壓與溫度的關系進行了研究,并進行了小型現(xiàn)場儲罐火災實驗;文獻[10-11]對LPG儲罐熱分層區(qū)對儲罐熱響應以及分層增壓過程進行了研究.另一方面是針對儲罐泄漏后火焰擴散、傳播及危害的研究.李慶功等[12]運用FDS火災模擬軟件對大型原油儲罐區(qū)池火災進行了模擬,以得到池火災發(fā)生后對鄰近儲罐的危害情況;王以革等[13]對二氯丙烷罐區(qū)的全面積池火災進行模擬得到了火焰輻射強度的變化規(guī)律;王波等[14]則從系統(tǒng)科學的角度對火災管控進行了探討.這些研究為分析液化氣儲罐火災事故發(fā)生機理,預測火災發(fā)生發(fā)展及火災發(fā)生后的危害管控提供了理論依據(jù).在LPG泄漏導致的火災中,除過池火災外,還有一類危害更大,也更難控制的火災,即儲罐在機械、化學作用下產(chǎn)生裂口,或在熱作用下閥門打開時,由于儲罐內(nèi)外的壓差,在裂口或閥門處形成噴射火災.目前,對此類噴射火災發(fā)生發(fā)展及危害的研究較少.本文針對LPG儲罐閥門打開后泄漏形成噴射火災的情況,采用FDS火災模擬軟件,對火災發(fā)生發(fā)展過程進行模擬,分析噴射火災對周圍環(huán)境的熱輻射危害,預測其破壞半徑,從而為控制和削弱噴射火災的危害后果提供理論依據(jù).

1 噴射火災模型

噴射火災是指由具有一定壓力的單相或兩相可燃介質(zhì)從有限大小的出口泄漏遇到火源而引起的火災.LPG儲罐在機械沖擊、化學腐蝕下產(chǎn)生裂口,或在熱作用下閥門打開時,儲罐內(nèi)的物質(zhì)(如丙烷)由于過熱,靠近液面部分迅速汽化,和液相物質(zhì)一起在巨大壓差下從閥門或裂口噴出,遇到火源即被點燃形成噴射火.由于兩相可燃物以很高的速度噴出,在泄漏到大氣環(huán)境后其中的液相進一步汽化,與環(huán)境中的氧氣迅速摻混,所以噴射火的發(fā)展較池火更為迅速.噴射火焰對周圍環(huán)境和人的危害,除過煙氣的擴散及危害外,還通過熱輻射及對流換熱對周圍環(huán)境和人造成很大的熱沖擊.如果噴射火發(fā)生在儲罐區(qū),其對鄰近儲罐的熱沖擊作用極易造成相鄰儲罐也發(fā)生火災爆炸事故,導致嚴重的環(huán)境破壞、設備損壞及人員傷亡.

對于LPG儲罐,存在兩種泄漏方式:連續(xù)泄漏和瞬時泄漏.嚴重的火災事故,通常是以連續(xù)泄漏的方式形成持續(xù)的噴射火.因此本文主要針對持續(xù)泄漏形成的噴射火,利用FDS火災模擬軟件,研究其發(fā)展規(guī)律,分析有風和無風時煙氣擴散過程及對周圍環(huán)境的熱輻射,并預測其破壞半徑.

2 數(shù)學模型

噴射火災發(fā)生發(fā)展過程,即為儲罐內(nèi)兩相可燃物質(zhì)經(jīng)閥門或裂口噴射燃燒過程,遵循下列質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒及組分守恒方程.

質(zhì)量守恒方程

式中,mb?為液滴蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體量;ρ為氣體密度;t為時間;u為速度矢量.

動量守恒方程

能量傳輸方程

把燃燒產(chǎn)物視為理想氣體則有狀態(tài)方程

式中,W——為氣體混合物相對分子質(zhì)量;P為理想氣體的壓力;ρ′為理想氣體密度;R是理想氣體常數(shù); T為溫度.

液滴運動及蒸發(fā)模型采用FDS內(nèi)置模型,燃燒過程采用混合燃燒模型(mixture fraction combustion model),假定燃料與氧氣混合燃燒,通過輸運方程求得各組分的混合系數(shù),進而得到發(fā)生燃燒的燃料的質(zhì)量分數(shù),再求解燃燒反應.噴射火焰湍流模擬采用大渦模擬.

本文模擬當閥門由于外部熱沖擊打開時,儲罐連續(xù)泄漏形成噴射火災的情況.儲罐內(nèi)物質(zhì)為丙烷,其物性參數(shù)見表1.閥門泄漏速率通過分析儲罐內(nèi)傳熱傳質(zhì)過程獲得[2].根據(jù)伯努利方程,可以求得閥門出口處氣液兩相介質(zhì)泄放速度v.

式中,Δp為內(nèi)外壓差;ρ″為泄漏的流體密度.

模擬空間取為60 m×50 m×40 m,如圖1所示.計算域初始溫度設為20℃,計算域底部(地表)設置為壁面第一類邊界條件,其它表面設置為開放邊界,儲罐閥門噴射設置為速度出口邊界條件,壓力和溫度根據(jù)課題組已有計算結果獲得[2].

表1 丙烷物性參數(shù)Tab.1 Properties of propane

圖1 模擬區(qū)域及儲罐位置示意圖Fig.1 Simulation domain and the position of the tank

3 結果與討論

本文研究目的是確定噴射火焰對鄰近人員與設備的熱沖擊及損害情況.根據(jù)前文所建模型,模擬LPG儲罐閥門打開后連續(xù)泄漏形成噴射火災的情況,考慮無風和有風情況對火焰發(fā)展的影響,獲得了相應條件下火焰輻射強度變化規(guī)律.通過火焰外圍熱輻射強度的衰減,確定火災發(fā)生時的安全距離,并確定其破壞半徑.

3.1 噴射火焰燃燒發(fā)展過程

圖2(見下頁)為無風(a)和有風(b)時連續(xù)泄漏噴射火災的發(fā)展過程,橫坐標、縱坐標分別表示所選取的計算域內(nèi)長度和高度.由圖2(a)可知,在泄漏物(丙烷)被點燃初期(0.4 s時),火焰較小(圖中黃色區(qū)域代表熱釋放率大于20 kW/m3),呈錐形.隨著泄漏物和周圍空氣的摻混及燃燒,在噴射火災發(fā)生1.8 s后,火焰繼續(xù)向上發(fā)展形成蘑菇云狀.無風時噴射火災發(fā)生5.2 s后,由于丙烷在儲罐內(nèi)外壓差作用下連續(xù)泄漏,和周圍空氣混合燃燒,火焰向上擴展成自由射流狀;此后對于無風的情況,火焰的范圍,形狀及高度不再發(fā)生顯著變化,表明火焰發(fā)展到了穩(wěn)定燃燒階段.對于有風的情況(風速5 m/s),如圖2(b)所示,火災發(fā)生初期(0.4 s時),火焰形狀和無風時非常接近,呈錐形.火災發(fā)展到1.8 s時,側風的影響開始顯現(xiàn),火焰形狀仍接近于蘑菇云狀,但形狀不再對稱.隨著火災的進一步發(fā)展,火焰形狀受側風影響,向下風處偏移.火災發(fā)生25 s后,火焰的形狀、向下風方向的傾斜角及范圍不再發(fā)生顯著改變,表明有風情況下的火焰發(fā)展到了穩(wěn)定燃燒階段.

3.2 煙塵質(zhì)量分布及擴散

圖2 火焰燃燒發(fā)展過程Fig.2 Flame evolution process

圖3 煙塵質(zhì)量分布圖Fig.3 Mass distribution of the soot

圖3(見下頁)為無風(a)和有風(b)時連續(xù)泄漏噴射火災發(fā)展過程煙塵質(zhì)量分布情況,橫坐標、縱坐標分別表示所選取的計算域內(nèi)的長度和高度,圖下方的色彩條表示圖中顏色對應的質(zhì)量分數(shù).從圖中可以看出,煙塵主要集中在火焰內(nèi)部,這與火焰內(nèi)部氧氣濃度相對較低有關.煙塵質(zhì)量分布和火災過程中火焰形狀變化密切相關.在火災初期,火焰較小,相應地生成的煙塵也較少.隨著火災發(fā)展,火焰高度抬升,形成自由射流狀,對應的煙塵質(zhì)量分布跟隨發(fā)生相應變化.在無風情況下,煙塵質(zhì)量分數(shù)最大值可達到1.0×10-4.在左側進風為5 m/s情況下,由于風的輸運作用,氧氣在火焰處的質(zhì)量分數(shù)比靜風時大,使得丙烷可以更加充分燃燒,煙塵質(zhì)量分數(shù)最大值比無風時要小.

3.3 火焰輻射強度

圖4為無風和有風情況下距離火焰中心不同位置在不同時刻的火焰輻射強度q,x為截面上的測量點距離火焰中心的距離.由圖4可知,有風時燃燒更充分,釋放的能量更多,輻射出去的能量也更大.無風時最大輻射強度為250 kW/m2左右,風速5 m/s時最大輻射強度可達400 kW/m2左右.從圖4還可以看出,有風時火焰輻射強度最大值向下風方向偏移,隨著觀測點遠離火焰中心,火焰輻射強度迅速衰減.由表2可知[15],當設備和人暴露在超過12 kW/m2的火焰輻射之下時,極易造成人員傷亡和設備損壞.

圖5(見下頁)為計算所得距閥門25 m處火焰輻射強度的變化.圖中,1和2代表距閥門水平距離25 m處的火焰輻射強度,1位于下風向處,2位于上風向處;橫坐標表示時間,縱坐標表示測量點處輻射強度.從圖5可以看出,在無風時距閥門25 m處火焰輻射強度在1.6 kW/m2左右,根據(jù)表2及圖5模擬結果,若人處于距離火焰中心25 m外,則對人體無大礙.有風時距閥門25 m處火焰輻射強度為1.5 kW/m2左右,根據(jù)表2,對人體無大礙.綜合上述模擬結果,對于本文所模擬的噴射火情況,安全半徑至少應在距離火焰中心25 m以外.

圖4 不同時刻火焰輻射強度變化及分布Fig.4 Heat flux distribution of the flame at different stages

為了驗證上述模擬結果的可靠性,本文根據(jù)噴射火的點火源模型計算了相同情況下的破壞半徑[16],獲得輻射強度1.6 kW/m2時對應的半徑為22.90 m,與本文模擬結果相近,說明本文所建模型和模擬結果是可靠的.

表2 火災損傷表Tab.2 Fire injury table

圖5 距火焰25 m處火焰輻射強度隨時間變化情況Fig.5 Heat flux variation at spots 25 m away from the flame

4 結 論

本文基于FDS模擬程序,模擬了LPG儲罐連續(xù)泄漏噴射火災情況,考慮了無風和有風對火焰發(fā)展的影響,獲得了相應條件下火焰輻射強度變化規(guī)律.模擬結果表明,對于本文研究的特定情況,無風時火焰最大輻射強度為250 kW/m2,風速5 m/s時最大輻射強度可達400 kW/m2.風對火焰燃燒發(fā)展和火焰輻射有顯著強化作用.同時,模擬結果表明安全半徑至少應在距離火焰中心25 m以外,人與設備才能避免傷亡和損壞.

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(編輯:丁紅藝)

Modelling of the Evolution of Jet Fire Caused by Continuous Discharge of Propane from a LPG Tank

ZENGChengang, SHAN Yanguang

(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

A jet fire is a fire caused by a single phase or two-phase combustible medium with certain pressure discharged from a limited size outlet.The discharge of two-phase flow from a LPG (liquefied petroleum gas)tank due to chemical,mechanical,or thermal effect can lead to a serious jet fire.A mathematical model was developed based on FDS to simulate the evolution of the jet fire and the radiation due to continuous discharge of propane from the LPG tank.The influence of wind was investigated.The radiation intensity of the flame was predicted in different conditions.The results indicate that a stronger wind can enhance the combustion,thus increase the radiation intensity of the flame.For the specific case simulated in the paper,the minimum safe distance predicted by the model is 25 meters,which agrees well with the result suggested by the point fire model.

jet fire;LPGtank;safe distance;numerical simulation

X 932

A

1007-6735(2015)05-0473-06

10.13255/j.cnki.jusst.2015.05.011

2014-05-20

曾晨崗(1988-),男,碩士研究生.研究方向:儲罐泄漏火災演變及其危害.E-mail:947731571@qq.com

單彥廣(1974-),男,教授.研究方向:兩相流動與傳熱.E-mail:shan@usst.edu.cn