王一昊，凌曉東，辛保泉，盧 衛(wèi)，姜 雪

(1. 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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266104 2. 中石化國家石化項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)中心有限公司，山東青島 266071)

0 前言

作為石化產(chǎn)品的核心，乙烯以其極易燃的物理性質(zhì)被列入《首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品名錄》(安監(jiān)總管三〔2011〕95號(hào))[1]，如何安全、高效地生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、利用乙烯成為研究的熱點(diǎn)問題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與計(jì)算流體力學(xué)、熱力學(xué)、爆炸力學(xué)等的結(jié)合，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真計(jì)算得到迅猛發(fā)展，諸多學(xué)者利用CFD軟件開展了大量事故后果研究。Lucas等[2]通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)工具FLACS-Hydrogen驗(yàn)證了在3.048 m集裝箱內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)爆燃實(shí)驗(yàn)的濃度和壓力數(shù)據(jù)，提高了通風(fēng)爆燃實(shí)驗(yàn)的規(guī)范性；Vyazmina等[3]通過FLACS模擬了氫氣排放爆炸結(jié)果，討論了濃度、阻塞排放面積和點(diǎn)火位置的影響，對(duì)FLACS以及工程模型的應(yīng)用提出了建議；白潔等[4]基于CFD和埋地儲(chǔ)罐的數(shù)學(xué)模型，分析構(gòu)建了加油站埋地油罐燃爆模擬方法；類似地，通過FLACS工具，凌曉東[5]建立了LNG槽車裝卸區(qū)的全尺寸三維模型并模擬了泄漏速率、最大超壓等特征，張少華等[6]建立了全尺寸特高壓變壓器模型，模擬了蒸氣云爆炸后的兩類工況。

目前對(duì)于乙烯事故的研究主要集中在小范圍、低維度，對(duì)于復(fù)雜地形下大空間尺度、多裝置的場景研究較少。石化廠區(qū)通常占地面積大，存在多個(gè)建筑物，設(shè)備、管線分布復(fù)雜，傳統(tǒng)的CFD工具建模難度大，對(duì)模型進(jìn)行離散化所得到的網(wǎng)格質(zhì)量差，不利于模擬計(jì)算。因此，使用FLACS軟件對(duì)某聚乙烯裝置進(jìn)行建模，模擬全廠性、全范圍的乙烯氣體泄漏擴(kuò)散及爆炸的后果，提供泄漏的波及范圍及爆炸影響并對(duì)最大爆炸力進(jìn)行計(jì)算，針對(duì)爆炸后果對(duì)抗爆墻進(jìn)行性能研究。

1 擴(kuò)散及爆炸理論

采用有限體積法和分布式多孔結(jié)構(gòu)思想來分別描述氣體擴(kuò)散及爆炸過程。

1.1 氣體擴(kuò)散模型

對(duì)于氣體擴(kuò)散，采用有限體積法[7]在三維笛卡爾坐標(biāo)下求解描述流體特性的質(zhì)量、動(dòng)量、能量及組分守恒的N-S方程，見式(1)。

(1)

式中：φ——通用求解變量，包括質(zhì)量、動(dòng)量、能量等變量；

ρ——?dú)怏w密度，kg/m3；

xj——j方向上積分；

ui——i方向上的速度矢量；

Γφ——擴(kuò)散系數(shù)；

Sφ——源項(xiàng)。

對(duì)于湍流條件，使用k-ε湍流模型。該模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子黏性的影響可以忽略。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型湍動(dòng)能和耗散率方程見式(2)和(3)。

(2)

(3)

式中：Gk——平均速度梯度引起的湍動(dòng)能；

μ——有效黏度，Pa·s；

ε——湍動(dòng)能的耗散，m2/s3；

k——湍動(dòng)能，m2/s2；

σk——應(yīng)力張量，N/m2；

Gb——浮力引起的湍動(dòng)能；

YM——湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響；

C1ε——常量，通常取1.44；

C2ε——常量，通常取1.92；

C3ε——常量，通常取0.8。

湍流黏性系數(shù)μt：

μt=ρCμk2/ε

(4)

對(duì)于入口風(fēng)斷面，可采用式(5)。

(5)

式中：z——距離地面的高度，m；

U——風(fēng)速，m/s；

z0——大氣粗糙度長度，m；

u*——摩擦速度，m/s；

ψm——常量。

摩擦速度u*的計(jì)算公式為：

(6)

式中：U0——平均風(fēng)速，m/s；

Zref——參考高度，m。

對(duì)于常量ψm，采用den Bosch公式計(jì)算：

(7)

式中：ξ——組分含量；

L——長度尺度，m。

1.2 爆炸模型

準(zhǔn)確描述復(fù)雜的幾何形狀以及將幾何形狀與流動(dòng)、湍流和爆燃火焰相結(jié)合是爆燃事故模擬的關(guān)鍵因素。采用分布式多孔結(jié)構(gòu)思想[8-9]來描述爆炸過程。引入孔隙度的概念，將設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)件和管道等物體描述為每一個(gè)控制體表面上的面積孔隙度，在控制體內(nèi)部則描述為體積孔隙度。

燃燒模型采用β小火焰模型，點(diǎn)燃燃料和氧化劑的預(yù)混氣云會(huì)逐漸燃燒直至發(fā)生爆炸。在爆炸中，火焰將會(huì)加速并且變成湍流，湍流燃燒速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層流燃燒速率。

燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)方程中擴(kuò)散系數(shù)D為：

D=μeff/σfuel

(8)

定義一個(gè)無量綱反應(yīng)速率W。在β小火焰模型中，D和W通過式(9)和(10)進(jìn)行調(diào)整：

(9)

(10)

式中：lLT——β模型中的長度，m。

燃料的反應(yīng)速率Rfuel通過式(11)進(jìn)行計(jì)算：

Rfuel=-Wρmin[δH(χ-χq),χ, 9-9χ]

(11)

式中：δH——單位階躍函數(shù)；

χ——過程變量；

χq——χ的淬熄極限。

2 模型建立

利用FLACS前處理工具CASD建立某聚乙烯裝置全尺寸、全廠性的三維模型，主要包括聚合單元組及其附屬管道設(shè)備、中控室及相鄰建筑物、抗爆墻等。裝置區(qū)長280 m，寬200 m，分為粉料倉、聚合單元、精制單元、丁烯罐區(qū)等區(qū)域，發(fā)生泄漏的反應(yīng)器位于聚合單元平臺(tái)二層，周圍設(shè)備及管線布置較為密集，平臺(tái)形式考慮為花紋鋼板。以正東方向?yàn)閄軸，正北方向?yàn)閅軸，垂直方向?yàn)閆軸，按照1∶1比例建立裝置全尺寸模型，采用快速網(wǎng)格工具劃分網(wǎng)格，核心區(qū)域選取110 m×35 m×20 m，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5 m×0.5 m×0.5 m，對(duì)泄漏位置附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密，隨著氣體的擴(kuò)散慢慢趨于平衡，在滿足計(jì)算的同時(shí)采用1.2倍系數(shù)將非核心區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行稀疏，以提高計(jì)算效率，最終網(wǎng)格數(shù)量為1 015 200個(gè)。在抗爆墻及控制室迎爆面上均勻設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)間隔0.5 m，監(jiān)測點(diǎn)總數(shù)為1 143個(gè)，分別記為MP 1～MP 1143。廠區(qū)總圖、抗爆墻位置分別如圖1、圖2所示。

圖1 廠區(qū)總圖

圖2 聚合單元8.3 m高抗爆墻模型

模擬泄漏對(duì)象為乙烯，其主要物性參數(shù)為：分子量28.05 kg/kmol，LFL(體積分?jǐn)?shù))2.3%，UFL(體積分?jǐn)?shù))32.3%，臨界溫度9.19 ℃，臨界壓力5.041 MPa，標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)-103.7 ℃，溶點(diǎn)-169.1 ℃。

根據(jù)風(fēng)玫瑰圖得知該裝置所在地區(qū)全年平均風(fēng)速為2.9 m/s，溫度取全年平均氣溫12.9 ℃，大氣穩(wěn)定度為F，初始湍流強(qiáng)度0.1，湍流長度尺度0.01，地面粗糙度0.01 m。模擬時(shí)間取10 min。該場景下操作壓力為2.19 MPa，操作溫度為100 ℃。

3 泄漏擴(kuò)散模擬

事故模擬反應(yīng)器因安全措施失效導(dǎo)致超溫超壓運(yùn)行，管線的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生泄漏，高壓使大量乙烯氣體經(jīng)泄漏孔泄漏至大氣環(huán)境中，乙烯體積迅速膨脹，遇點(diǎn)火源發(fā)生爆炸。泄漏孔徑選取AQ/T 3046—2013《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》中建議的中孔泄漏取值50 mm，泄漏方向保守取為正東方向，該方向下泄漏后果最為嚴(yán)重。在2.19 MPa壓力下，乙烯氣體從泄漏位置噴出，經(jīng)過擴(kuò)散蔓延，600 s時(shí)氣云濃度分布如圖3所示。

圖3 聚合裝置發(fā)生50 mm孔泄漏600 s時(shí)乙烯氣云濃度分布

根據(jù)圖3中乙烯氣云濃度分布可知，當(dāng)聚合單元進(jìn)出口管線發(fā)生正東方向泄漏時(shí)，濃度隨時(shí)間及距離增加而逐漸降低。由于建筑物的阻擋作用，0.5 LFL濃度的波及范圍約為25 m，0.25 LFL濃度的波及范圍較大，約為98 m。乙烯氣體在泄放初始動(dòng)量的作用下主要向抗爆墻及控制室方向快速蔓延，部分氣體翻越抗爆墻進(jìn)入控制室區(qū)域，具有較大的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。在主導(dǎo)風(fēng)向西南偏南風(fēng)的影響下，擴(kuò)散主要集中在裝置北側(cè)區(qū)域，南側(cè)區(qū)域受影響較小。

4 爆炸模擬

4.1 乙烯爆炸模型

重點(diǎn)關(guān)注聚合單元泄漏擴(kuò)散并發(fā)生爆炸后對(duì)抗爆墻及中控室區(qū)域的沖擊影響。沖擊波對(duì)人員、建筑物和車輛的傷害與沖擊波的超壓和沖量作用過程等有關(guān)，主要關(guān)注的參數(shù)有氣云體積與位置、點(diǎn)火源、環(huán)境參數(shù)、距離、沖擊波超壓作用時(shí)間等。

為保守估計(jì)爆炸后果，對(duì)泄漏600 s后的乙烯氣云爆炸后果模擬計(jì)算。Q9氣云是泄漏產(chǎn)生的非均質(zhì)氣云當(dāng)量對(duì)應(yīng)的化學(xué)計(jì)量氣云體積，預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生與原始云類似的爆炸載荷。50 mm孔徑的乙烯泄漏600 s后形成的Q9氣云體積最大為1 600 m3，氣云尺寸取為20 m×20 m×4 m。監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在抗爆墻正對(duì)氣云一側(cè)以及抗爆墻后的中控室外墻，抗爆墻及控制室迎爆面如圖2中標(biāo)注。

已知當(dāng)前抗爆墻高度為8.3 m，厚度為0.5 m，建于聚合裝置與中控室之間，長度29 m。接下來將通過FLACS軟件模擬爆炸的三維效果以及爆炸產(chǎn)生的力學(xué)沖擊，對(duì)爆炸時(shí)壓力分布及抗爆墻的抗爆性能進(jìn)行研究。

4.2 乙烯爆炸數(shù)值模擬結(jié)果

通過FLACS軟件模擬爆炸結(jié)果，計(jì)算結(jié)果如表1所示。乙烯氣云爆炸時(shí)各監(jiān)測點(diǎn)所受超壓逐步遞增，取最大超壓的監(jiān)測點(diǎn)MP 622，選取其臨近監(jiān)測點(diǎn)MP 583、MP 596、MP 609，記錄4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)所受超壓如圖4所示。廠區(qū)三維爆炸壓力場如圖5所示。

圖4 乙烯氣云爆炸時(shí)抗爆墻所受沖擊結(jié)果

圖5 1 600 m3當(dāng)量乙烯氣云三維爆炸壓力場

表1 1 600 m3當(dāng)量乙烯氣云爆炸時(shí)所產(chǎn)生的沖擊結(jié)果

人體能夠承受一定的爆炸超壓沖擊。爆炸沖擊波對(duì)人體的傷害準(zhǔn)則如表2所示[10]。

表2 沖擊波對(duì)人體的傷害

分析結(jié)果可知，作用在抗爆墻迎爆面超壓達(dá)到16.3 kPa，由于抗爆墻的存在，大部分超壓沖擊波都能被抗爆墻有效阻擋，使得中控室外墻的最大超壓可以降到6.9 kPa以下，該超壓對(duì)人體和建筑玻璃的影響較小。

5 結(jié)論與建議

a) 聚合單元管線發(fā)生50 mm孔徑泄漏時(shí)，乙烯體積迅速膨脹；受風(fēng)向和抗爆墻高度的影響，大量氣云積聚在抗爆墻下部并向主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向蔓延，當(dāng)量氣云體積較大，存在較高的爆炸風(fēng)險(xiǎn)；部分氣云進(jìn)入控制室區(qū)域，對(duì)控制室人員安全產(chǎn)生威脅。

b) 當(dāng)泄漏的乙烯發(fā)生蒸氣云爆炸時(shí)，作用在抗爆墻的超壓超過15 kPa，該壓力會(huì)造成低限度的嚴(yán)重結(jié)構(gòu)破壞，墻和門變形，連接破壞。同時(shí)，爆炸沖擊波通常出現(xiàn)在管道較密集的區(qū)域，應(yīng)科學(xué)布置管線等設(shè)施，在設(shè)計(jì)階段將隱患及時(shí)消除。

c) 抗爆墻高度為8.3 m時(shí)，中央控制室屋面所受最大正超壓小于6.9 kPa，正壓作用時(shí)間為70～100 ms，不會(huì)對(duì)人體及建筑產(chǎn)生嚴(yán)重傷害。

d) 建議企業(yè)在進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)爆炸超壓準(zhǔn)則，合理制定裝置區(qū)域各構(gòu)筑物之間的安全距離，規(guī)劃區(qū)域內(nèi)人員的活動(dòng)范圍。為降低乙烯蒸氣云爆炸事故后果，在日常操作中應(yīng)加強(qiáng)管道裂紋的監(jiān)測并及時(shí)檢測維修，避免薄弱環(huán)節(jié)破裂情況的發(fā)生。