韓繼明，凌曉東，唐晨飛，張正紅，于安峰

(1. 中國石油化工股份有限公司煉油事業(yè)部，北京 1007282. 中石化安全工程研究院有限公司化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266104 3. 中石化國家石化項目風(fēng)險評估技術(shù)中心有限公司，山東青島 266071)

0 前言

當(dāng)前中國能源市場面臨著經(jīng)濟快速增長與國內(nèi)能源供應(yīng)不足的矛盾，根據(jù)中國可持續(xù)發(fā)展油氣資源戰(zhàn)略研究報告預(yù)測，未來15年天然氣的消費量40%左右依賴進口，約800×108m3的供應(yīng)缺口將由進口的液化天然氣(LNG)填補，促進了LNG接收站的發(fā)展[1-2]。根據(jù)《中國天然氣發(fā)展報告》白皮書，隨著中國綠色低碳能源戰(zhàn)略的持續(xù)推進，發(fā)展清潔低碳能源將成為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要途徑，未來較長一段時間天然氣將在中國能源發(fā)展中扮演重要角色。通過加大政策支持力度，到2030年，力爭天然氣在一次能源消費結(jié)構(gòu)中的占比達到15%左右。未來天然氣需求增量主要來自城鎮(zhèn)燃氣、天然氣發(fā)電、工業(yè)燃料和交通運輸四大領(lǐng)域。

LNG主要由甲烷(含量為90%～98%)及少量的乙烷、丙烷、丁烷及氮氣等組成，爆炸下限為3.6%～6.5%，爆炸上限為13%～17%，遇明火會發(fā)生爆炸，且易形成蒸氣云爆炸[3-6]。我國正在進行目前世界最大的27×104m3LNG儲罐的設(shè)計與建設(shè)工作，LNG儲罐底部承臺結(jié)構(gòu)密集，構(gòu)成高阻塞區(qū)，一旦泄漏的LNG進入底部區(qū)域，燃爆風(fēng)險高，事故后果嚴重。

CFD技術(shù)可對多種爆炸風(fēng)險進行定量評估和科學(xué)管理，在石油化工領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。CFD氣體爆炸模擬是基于黏性流體的Navier-Stokes(N-S)方程、連續(xù)性方程和能量方程，利用立方體網(wǎng)格將計算區(qū)域劃分為網(wǎng)格的一種高層次的復(fù)雜模擬[7-8]。在蒸氣云爆炸模擬時，CFD技術(shù)可考慮障礙物布局、空間擁塞度、受約束程度、點火位置、燃料特性、水霧、泄壓設(shè)施等因素對爆炸的影響，模擬結(jié)果更能反映氣體爆炸的實際情況，并解釋氣云流場中的細節(jié)問題，可以為安全規(guī)劃、應(yīng)急救援及事故調(diào)查等提供更準確的依據(jù)[9-10]。本文旨在建立CFD技術(shù)模擬儲罐底部不同工況下的蒸氣云爆炸模型，確定其產(chǎn)生最大超壓值，為設(shè)計者提供可靠的數(shù)據(jù)，從本質(zhì)安全上改善LNG儲罐性能，以便大大降低LNG儲罐風(fēng)險。

1 數(shù)學(xué)模型選取

LNG作為低溫液體，在泄漏后會迅速吸熱成為氣體，并在空氣中擴散成為預(yù)混氣體，預(yù)混氣體遇點火源發(fā)生爆炸。如果靜止的LNG預(yù)混氣云在開敞空間中被弱點火源點火，形成的薄層火焰將以層流的形式穿過氣云向前傳播。在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，由于火焰的不穩(wěn)定會褶皺火焰的表面，增大火焰面積，從而導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?。但火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑黾邮怯邢薜模话闱闆r下不會產(chǎn)生破壞性的壓力波。

在合適的剛性邊界條件(例如障礙物)作用下，火焰?zhèn)鞑ニ俣葧M一步加快，這主要是由于障礙物會誘導(dǎo)產(chǎn)生有速度梯度和湍流的膨脹流。當(dāng)燃燒過程觸及到膨脹流內(nèi)部時，局部燃燒速率將會增加。開始時湍流強度較低，漩渦會褶皺火焰表面，增加火焰燃燒速度，從而產(chǎn)生更強的膨脹流。流速進一步增加，高的流速會加大湍流的強度等級，在高強度湍流的影響下，火焰前驅(qū)會逐漸丟失原來光滑的表面，形成湍流火焰，內(nèi)部也發(fā)生變化。由湍流引起的漩渦將分裂火焰前驅(qū)，導(dǎo)致更高的燃燒速率，高的燃燒速率又會產(chǎn)生更強的膨脹流和湍流等，最終產(chǎn)生很高的爆炸壓力，從而極大地增加氣云爆炸的威力。因此，火焰加速和較高爆炸壓力的產(chǎn)生主要是由于障礙物誘導(dǎo)的湍流對燃燒過程的正反饋，見圖1。

圖1 湍流引起的火焰加速正反饋機制

LNG擴散及爆炸過程符合流體力學(xué)基本規(guī)律，采用數(shù)值計算方法直接求解流動主控方程(Euler或Navier-Stokes方程)，研究LNG泄漏擴散流動現(xiàn)象規(guī)律。劃分計算網(wǎng)格，求解每個單元的運動方程，其中主要利用的流體方程如下[11-12]：

動量能量方程：

(1)

(2)

式中：ρ——密度，kg/m3；

u——速度，m/s；

p——壓力，Pa；

μ——流體湍動黏度，Pa·s；

E——能量，J；

keff——有效傳導(dǎo)系數(shù)，cm2/s；

T——溫度，K；

hj——組分j單位質(zhì)量能量，J/kg；

Jj——組分j的擴散流量，g/(cm2·s)。

湍動能輸送方程：

(3)

(4)

式中：ρm——混合密度，kg/m3；

k——湍動能，m2/s2；

μt,m——湍流黏度，Pa·s；

δk——方向梯度，m；

Gk,m——湍動能產(chǎn)生項；

ε——湍流耗散率，m2/s3；

υm——混合速度，m/s；

C1ε,C2ε,σε——模型無量綱常數(shù)。

2 燃爆模型建立

2.1 物理模型

按儲罐的設(shè)置方式及結(jié)構(gòu)形式，LNG儲罐可分為地下儲罐和地上儲罐，其中地上儲罐有球形罐、單容罐、雙容罐、全容罐及膜式罐。由于全容罐可以承受外來飛行物的攻擊和熱輻射，對周圍的火情具有良好的耐受性，且混凝土對可能的液化天然氣溢出提供了良好的防護，所以當(dāng)前大型的LNG儲罐均采用全容罐式。

選取某LNG接收站27×104m3LNG全容罐為研究對象，基本參數(shù)為：內(nèi)罐直徑為90 m，外罐直徑為92.4 m，內(nèi)罐壁高度為44.8 m，罐體總高60 m；罐底部由476根(直徑為1.2 m)和164根(直徑為1.4 m)的短柱支撐，罐底板高出地坪1.5 m，如圖2所示。建立該LNG儲罐物理模型，如圖3所示。

圖2 某大型LNG儲罐結(jié)構(gòu)

圖3 某大型LNG儲罐三維模型

2.2 計算參數(shù)

考慮極端事故場景，假設(shè)儲罐底部全部充滿化學(xué)當(dāng)量的LNG蒸氣云，用長、寬和高分別為92.4 m×92.4 m×1.5 m LNG蒸氣云的填充儲罐底部。該蒸氣云組分(體積分數(shù))為98%CH4、1.8%C2H2、0.2%C3H8。在爆炸模擬中，計算區(qū)域內(nèi)采用0.4 m×0.4 m×0.4 m的網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約為430×104個。對3種不同點火位置下的儲罐底部爆炸情景進模擬計算，計算場景參數(shù)見表1。

表1 模擬計算場景

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 火焰?zhèn)鞑ミ^程

儲罐底部中心位置點火后罐底火焰形成發(fā)展過程如圖4。當(dāng)發(fā)生點火時，氣云立刻被點燃。由于火焰不穩(wěn)定，傳播過程中會褶皺火焰表面，增大了火焰面積。到達1.36 s后，火焰逐漸加速，呈雪花形狀，并迅速向四周擴展。這是由于罐底支撐短柱的存在，導(dǎo)致局部氣體產(chǎn)生膨脹流，并使得湍流強度升高。在高強度湍流的影響下，火焰前驅(qū)會逐漸失去原來光滑的表面形成湍流火焰。由湍流引起的漩渦將分裂火焰前驅(qū)，導(dǎo)致更高的燃燒速率，高的燃燒速率又會產(chǎn)生更強的湍流，導(dǎo)致火焰進一步加速。1.52 s后火焰達到儲罐外邊緣并繼續(xù)向外擴展，由于儲罐外部阻礙物較少，火焰逐漸減速，1.86 s時火焰覆蓋面積達到最大。

圖4 中心點火時火焰發(fā)展形態(tài)

3.2 溫度場

儲罐底部點火后不同時刻下儲罐底部溫度場的傳播及變化過程見圖5。儲罐中心被點燃后，中心區(qū)域溫度逐漸升高，1.36 s時達到2 000 K以上。隨著火焰表面的擴展，高溫區(qū)域逐漸增大，1.47 s時中心點的最高溫度升高至2 700 K，達到最大值。隨著中心區(qū)域可燃氣體的耗盡，中心區(qū)域溫度逐漸降低，同時高溫區(qū)域逐漸向儲罐外圍擴展。

圖5 中心點火時不同時刻下罐底溫度場分布

3.3 爆炸沖擊波

爆炸發(fā)生后儲罐底部爆炸超壓產(chǎn)生、發(fā)展和傳播過程見圖6?？梢钥闯?，點火后，點火點附近的爆炸超壓升高，隨后從中心開始向四周傳播。由于罐底部圓柱的阻礙作用，氣體湍流增強。當(dāng)火焰?zhèn)鞑ブ镣牧鲄^(qū)域時，燃燒速率迅速增加，進而使沖擊波前緣的流速和湍流強度增大。爆炸沖擊波傳播到罐底邊緣時，傳播路徑達最大，并且傳播過程中重復(fù)遇到障礙物，使得燃燒傳播速率持續(xù)增大，而燃燒速度的增大會引起爆炸壓力的升高。因此，最大超壓產(chǎn)生在罐底邊緣，最大值超過300 kPa。

圖6 中心點火時不同時刻下罐底爆炸超壓分布

在儲罐底部設(shè)置21個監(jiān)測點，其中監(jiān)測點1設(shè)置在儲罐底部中心點，監(jiān)測點6，11，16，21位于儲罐邊緣處，各監(jiān)測點與相鄰監(jiān)測點距離為10 m，具體位置如圖7所示，計算結(jié)果如圖8所示。中心點的爆炸壓力最高，最大可達到336 kPa，距離中心點越遠，爆炸壓力依次降低。邊緣處的監(jiān)測點6爆炸超壓遠小于其他監(jiān)測點，約為41 kPa。

圖7 儲罐底部監(jiān)測點布局

圖8 儲罐底部監(jiān)測點處的爆炸超壓時程曲線

3.4 不同點火源位置對爆炸的影響

分別對點火源點距離儲罐中心點20，30 m進行模擬計算，并對各監(jiān)測點的結(jié)果進行對比分析，見圖9，圖10。

圖9 點火源距儲罐中心點20 m時各監(jiān)測點的爆炸超壓時程曲線

圖10 點火源距儲罐中心點30 m時各監(jiān)測點的爆炸超壓時程曲線

點火源與中心點的距離對蒸氣云爆炸產(chǎn)生的超壓影響顯著，見圖11。從圖中可知，離中心點較遠產(chǎn)生的超壓相對較大。說明蒸氣云爆炸受許多因素的綜合影響，燃燒路徑的長度也是重要影響因素之一。當(dāng)點火源離中心點30 m時，蒸氣云爆炸產(chǎn)生的最大超壓達到453 kPa，明顯高于其他兩種點火情況。這是因為此情況下燃燒路徑較長，燃燒產(chǎn)物不能及時泄放，在障礙物的作用下，火焰到達邊緣時，燃燒速度和湍流強度更大。

圖11 3種模擬場景下最大爆炸超壓時程曲線

4 結(jié)論

蒸氣云爆炸過程極短且復(fù)雜，利用CFD工具對國內(nèi)首座27×104m3LNG儲罐底部極端事故狀態(tài)下蒸氣云爆炸過程進行模擬，結(jié)論如下：

a) 蒸氣云爆炸產(chǎn)生的最大超壓位于火焰?zhèn)鞑ヂ窂阶钸h、且途經(jīng)障礙物最多的位置。對于LNG儲罐底部蒸氣云爆炸，罐底的柱子為主要障礙物，如果中心點火且膨脹后的氣體覆蓋到儲罐邊緣，則最大超壓位于儲罐邊緣。

b) 爆炸產(chǎn)生的超壓與點火源位置密切相關(guān)。當(dāng)點火源離中心點30 m時，火焰?zhèn)鞑ヂ窂奖戎行狞c火的路徑更長，蒸氣云爆炸產(chǎn)生的最大超壓也最大，達到453 kPa。

c) 通過LNG儲罐底部蒸氣云爆炸數(shù)值模擬，可獲得爆炸時火焰形態(tài)、溫度場及超壓隨時間變化情況，為LNG儲罐區(qū)的燃爆風(fēng)險評估、LNG儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計及平面布局提供有力的基礎(chǔ)支撐。