張志堅 ，王 旭，廖柯熹，曾昭雄，文 靜

1.國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司，四川 成都 610036；2.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000；3.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；4.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術監(jiān)督研究院，四川 成都 610041

引言

隨著石油行業(yè)的發(fā)展，汽油需求量越來越高，儲罐作為油品儲存的普遍方法，不斷向大型化、集約化發(fā)展，使得油庫庫區(qū)罐群林立[1]。雖然為汽油儲存提供了便利，但由于儲油罐區(qū)儲罐數(shù)量多且密，其間各種輸油管道錯綜復雜，一旦汽油泄漏，如遇火源將會引發(fā)火災爆炸事故，其產(chǎn)生的熱輻射還會影響鄰近儲罐或輔助設施，極易引發(fā)事故多米諾效應[2]，因此，油庫罐區(qū)蘊藏著巨大安全隱患[3]。

目前，關于汽油儲罐泄漏擴散問題研究得很少，相關研究主要集中在以LNG 為代表的重氣泄漏擴散[4]及成品油管道泄漏擴散問題[5-6]。Cleaver 等[7]通過大量實驗，證明了LNG 泄漏后會出現(xiàn)蒸氣云擴散或液池擴散，且Luketa-Hanlin[8]提出LNG 泄漏后，覆蓋地面面積越大，越有利于液池的蒸發(fā)及蒸氣云的擴散。王彬[9]采用FLACS 軟件模擬大型儲罐泄漏事故產(chǎn)生可燃物質擴散行為，研究液池形成過程和重氣云團擴散行為。王志寰等[10]采用FLACS 軟件建立LNG 泄漏擴散三維模型，研究了不同風速、風向、圍堰高度條件下的LNG 泄漏擴散行為。李大全[11]研究了成品油管道泄漏擴散規(guī)律和危害后果，定量評價了泄漏油品對泄漏區(qū)域的危害程度。吳夢雨[12]針對成品油管道泄漏事故，討論了管徑大小、泄漏位置等因素對油品滲流擴散范圍的影響。

因此，本文采用FLACS 軟件模擬在不同泄漏速率、溫度、風速影響下汽油罐區(qū)的泄漏事故，并預測災害嚴重程度。

1 建模及求解

1.1 數(shù)學模型

汽油儲罐發(fā)生泄漏事故后，不僅會形成液池[13]在儲罐周圍擴展開來，還會揮發(fā)出可燃油蒸氣向四周擴散[14]，F(xiàn)LACS 采用淺水模型[15]計算液池擴展過程，采用質量、動能、能量、組分守恒等方程計算氣相擴散過程。

（1）淺水模型

液池高度為

（2）氣相控制方程

質量守恒方程為

動量守恒方程為

能量守恒方程為

混合組分的傳遞方程

湍動能k輸運方程

式中：

k--湍流動能，m2/s2；

Pk--湍動能生成項，kg/（m·s3）；

ε--湍動能耗散率，m2/s3；

σk--湍動能對應的普朗特-施密特數(shù)，無因次，σk=1.0。

耗散率ε 輸運方程

式中：

Pε--湍流動能耗散項，kg（/m·s4）；

σε--湍動能耗散率對應的普朗特-施密特數(shù)，無因次，σε=1.3；

C2ε--經(jīng)驗常數(shù)，C2ε=1.92。

由于汽油儲罐泄漏擴散過程極其復雜，為了簡化計算及分析，做出如下假設：模擬過程中，環(huán)境壓力為0.1 MPa 恒定不變，泄漏速率保持恒定，溫度保持恒定，不考慮化學反應。

1.2 物理模型

結合西南管道重慶站、安寧站、瑞麗站和蘭州站的現(xiàn)場調研數(shù)據(jù)，根據(jù)HG 21502.2--1992 建立10 000 m3立式圓筒形內浮頂儲罐模型[16]，其直徑為30 m，高度為16.5 m；根據(jù)GB 50351--2014：“立式油罐的罐壁至防火堤內堤腳線的距離，不應小于罐壁高度的一半”[17]“油罐組防火堤內的有效容積小于油罐組內一個最大油罐的公稱容量”，設定儲罐罐壁距防火堤內堤腳線20 m，單罐區(qū)的防火堤高度為1.65 m，雙罐區(qū)的防火堤高度為1.85 m；根據(jù)GB 50160—2018[18]：“罐組內相鄰甲B 類可燃液體地上內浮頂儲罐的防火間距不應小于0.4D（D—相鄰較大罐的直徑，m）”，設定雙罐區(qū)儲罐間的距離為12 m。建立單雙罐區(qū)模型如圖1所示。

圖1 單雙罐區(qū)物理模型Fig.1 Physical models of single and double tanks

1.3 網(wǎng)格劃分

在Grid 中搭建網(wǎng)格，需要考慮風的影響，網(wǎng)格區(qū)域需足夠大，保證容納全部計算區(qū)域，因此，設置計算域長280 m，寬280 m，高55 m，設置防火堤內的區(qū)域為核心區(qū)域，核心區(qū)域網(wǎng)格間距設置為1。

此外，根據(jù)FLACS 網(wǎng)格設置原則，要求泄漏口周圍細分網(wǎng)格面積應不大于2 倍泄漏孔面積，防火堤厚度不小于0.5 CV（Control volume，控制體積）厚度。同時，為了使結果更精確，根據(jù)網(wǎng)格加密的原則，在x、y 和z平面分別對液池中心附近網(wǎng)格加密，并進行平滑處理，確保網(wǎng)格所有方向的最大百分差不超過30%。

1.4 設置參數(shù)

設置計算參數(shù)時，風向為+x，風速入口和出口采用WIND 邊界，其余采用NOZZLE 邊界，風速測量點的高度設為10 m；擴散時間設為600 s，地面粗糙度設為0.005 m，大氣穩(wěn)定度為F，熱輻射為400 W/m2，將點燃時間設置為999 999 s，確保整個過程不會點燃。

根據(jù)GB 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》[19]規(guī)定“可燃氣體探測器距其所覆蓋范圍內的任一釋放源的水平距離不宜大于10 m”“檢測比空氣重的可燃氣體或有毒氣體時，探測器的安裝高度宜距地坪0.3～0.6 m”，由于汽油蒸氣為重氣，在距地面0.3、0.4 和0.5 m 高度上分別設置監(jiān)測點，單雙罐區(qū)監(jiān)測點位布置如圖2 所示（單雙罐區(qū)泄漏對象分別為I，II 儲罐），以0.3 m 高度為例，表1 羅列了監(jiān)測點的具體位置。

表1 單雙罐區(qū)監(jiān)測點位置Tab.1 Position of single and double tank area monitoring points

圖2 單雙罐區(qū)監(jiān)測點分布示意圖Fig.2 Distribution diagrams of single and double tank monitoring points

1.5 驗證模型

本文借助Liu 等[20]的儲油罐泄漏擴散實驗對FLACS 的Pool 模塊進行有效性驗證。Liu 等在罐底邊緣以不同泄漏量（Q=2，3，4 mL）泄漏時，得到可燃氣體隨時間變化的濃度及可燃氣體濃度為500 mg/L的報警時間，在同樣條件下，采用FLACS 進行模擬，得到相應的值。將模擬值和實驗值進行對比，結果如圖3 及表2 所示，可以看出，模擬計算值和實驗值變化趨勢一致，結果相近。

圖3 文獻值與計算值Fig.3 Literature value and simulation value

一般設定實驗值與模擬值誤差在±10%左右，可認為模擬中所選模型是合適的[21]。表2 中實驗值與模擬值平均偏差6.76%，因此，基于FLACS 模擬汽油儲罐泄漏擴散具有一定的有效性和可靠性。

表2 可燃氣體濃度為500 mg/L 的報警時間Tab.2 Alarm time of combustible gas concentration of 500 mg/L

2 模擬結果及分析

根據(jù)GB 50493--2019“可燃氣體的一級報警設定值應小于或等于25%LEL（爆炸下限），可燃氣體的二級報警設定值應小于或等于50%LEL”，汽油的爆炸下限為1.4%，爆炸上限為7.6%，因此，定義可燃氣云濃度危險范圍為0.003 5～0.076 0，本文基于此范圍研究可燃氣云的擴散，且定義在30 s 內可燃氣體探測器報警是合適的。

本文以控制變量法研究汽油泄漏后，在不同泄漏速率、風速及溫度下的液池擴展和可燃氣云擴散規(guī)律。通過式（15）[22]，分別計算孔徑為20、50和100 mm 的泄漏速率；根據(jù)西南管道重慶站、安寧站、瑞麗站及蘭州站的現(xiàn)場調研數(shù)據(jù)，溫度分別取4 個站場年平均最高溫度（40°C）、年平均最低溫度（-5°C）、年平均溫度（20°C）；現(xiàn)場無風頻率為22%，風速達到五級規(guī)定現(xiàn)場人員不能上罐，因此，風速分別取無風（0）、三級風（3.5 m/s）、五級風（8.0 m/s）。模擬工況見表3，其中，第1 組為標準工況。

表3 模擬工況參數(shù)Tab.3 Simulated operating condition parameters

式中：

Ql--汽油泄漏速率，kg/s；

Cd--汽油泄漏系數(shù)，無因次；

A--泄漏孔的面積，m2；

hl--泄漏源位置與儲罐內液面的高度差，m；

p1--儲罐內的壓力，Pa；

p2--外界環(huán)境壓力，Pa。

2.1 泄漏速率的影響

圖4～圖7 為單雙罐區(qū)以泄漏速率為變量，在工況1、2、3 條件下的模擬結果。

圖4 不同泄漏速率的液池深度分布（z=0）Fig.4 Depth distribution of pool with different leakage rates（z=0）

圖5 不同泄漏速率的液池面積變化情況Fig.5 The variation of pool area with different leakage rates

圖6 單罐區(qū)不同泄漏速率的氣云分布（z=0）Fig.6 Gas cloud distribution of different leakage rates in single tank farm（z=0）

圖7 雙罐區(qū)不同泄漏速率的氣云分布（z=0）Fig.7 Gas cloud distribution of different leakage rates in double tank farm（z=0）

從圖4 可以看出，汽油呈扁圓柱形沿地表向外擴散，雙罐區(qū)由于相鄰儲罐的阻擋作用，汽油先沿罐體繞流擴散，隨后和單罐區(qū)一樣，受到防火堤的阻擋。從圖6～圖7 可以看出，氣云擴散前期只有較小云團，主要以中間突出部分向下風向擴散，云團前端類似于三角的形狀；隨著汽油泄漏量逐漸增加，與地面、大氣環(huán)境的接觸面也隨之增加，頻繁的質、熱交換使重氣云團逐漸變大；當氣云遇到障礙物，氣云擴散形態(tài)發(fā)生改變。面對不同高度、形狀的障礙物，氣云擴散形態(tài)不同，雙罐區(qū)的可燃氣云受相鄰儲罐的阻擋，無法攀爬儲罐高度，沿罐體兩側繞流向下風向擴散；隨后，其氣云擴散趨勢與單罐區(qū)的一致，在防火堤處迅速堆積，由于防火堤高度低，兩者的可燃氣云均溢出防火堤，沿防火堤兩側擴散。隨著液池和可燃云團擴散范圍增大，罐區(qū)內逐漸形成較大的可燃區(qū)域，且在z=0 平面上的分布始終以過液池中心的直線平行軸對稱。

規(guī)定可燃氣體探測器在油品泄漏后30 s 內報警，根據(jù)在30 s 形成的液池面積大小及可燃氣體擴散最遠距離來評價汽油泄漏后的災害嚴重程度。結合表4 及圖4～圖7 可知，泄漏速率越大，液池及可燃氣云擴散速度越快，危險程度越高。

表4 不同泄漏速率的液池面積及可燃氣體最遠擴散距離（30 s）Tab.4 Pool area and maximum diffusion distance of combustible gas with different leakage rates（30 s）

根據(jù)模擬結果可知，距泄漏源越近，氣云濃度越高，表5 中列出了不同的泄漏速率下，在30 s 內，距單雙罐區(qū)泄漏源最近的6#（8#）、7#、11#監(jiān)測點位的報警時間，結果表明，泄漏速率越大，報警時間越快；距泄漏源越近、高度越低的監(jiān)測點，報警時間越快。

表5 不同泄漏速率的6#（8#）、7#、11#監(jiān)測點位報警時間（30 s）Tab.5 Alarm time of 6#(8#)、7#and 11#with different leakage rates（30 s）

選擇最大泄漏速率37.47 kg/s 工況下，距離泄漏源最近的7#監(jiān)測點位進行分析，結果如圖8 所示，監(jiān)測點高度越低，其報警時間越短；選擇最大泄漏速率37.47 kg/s 工況下，高度為0.3 m 的監(jiān)測點進行分析，結果如圖9 所示，在30 s 內，距泄漏源越近的監(jiān)測點（7#），其報警時間越快。

圖8 7#監(jiān)測點位在不同高度下的氣體監(jiān)測情況（泄露速率為37.47 kg/s）Fig.8 Monitoring results of 7#at different heights（leakage rate is 37.47 kg/s）

圖9 0.3 m 高度的監(jiān)測點監(jiān)測情況（泄露速率為37.47 kg/s）Fig.9 Monitoring results of 0.3 m（leakage rate is 37.47 kg/s）

2.2 風速的影響

圖10～圖13 為單雙罐以風速為變量，在工況1、4、5 條件下的模擬結果，其液池及可燃氣云擴散形態(tài)與在不同泄漏速率影響下一致。根據(jù)圖10～圖11 可知，風速越大，液池面積越小。根據(jù)圖12～圖13 可知，風速越小，氣云濃度越高，尤其是無風時，在600 s 內單雙罐區(qū)的可燃氣云均未溢出防火堤，整個罐區(qū)充滿了高濃度氣云；隨著風速增大，可燃氣體擴散得越快[23]，云團沿下風向擴散距離也變大，但其濃度會被稀釋；當風速達到一定程度時，整個云團寬度變窄，甚至消散。

圖10 不同風速的液池深度分布（z=0）Fig.10 Depth distribution of pool with different wind speeds（z=0）

圖11 不同風速的液池面積變化情況Fig.11 The variation of pool area with different wind speeds

圖12 單罐區(qū)不同風速的氣云分布（z=0）Fig.12 Gas cloud distribution of different wind speeds in single tank farm（z=0）

圖13 雙罐區(qū)不同風速的氣云分布（z=0）Fig.13 Gas cloud distribution of different wind speeds in double tank farm（z=0）

結合表6 及圖10～圖13可知，風速較小且穩(wěn)定時，液池擴展面積及可燃氣云擴散距離最大，危險程度最高。

表6 不同風速的液池面積及可燃氣體最遠擴散距離（30 s）Tab.6 Pool area and maximum diffusion distance of combustible gas with different wind speeds（30 s）

表7 列出了不同風速下，在30 s 內，距單雙罐區(qū)泄漏源最近的6#（8#）、7#、11#監(jiān)測點位的報警時間，結果表明風速越大，報警時間越短；距泄漏源越近、高度越低的監(jiān)測點，報警時間越短。選擇最大風速8 m/s 工況下，距離泄漏源最近的7#監(jiān)測點位進行分析，如圖14 所示，監(jiān)測點高度越低，其報警時間越短；選擇最大風速8 m/s 工況下，高度為0.3 m 的監(jiān)測點進行分析，如圖15 所示，在30 s 內，距泄漏源越近的監(jiān)測點（7#），其報警時間越短。

圖14 7#監(jiān)測點位在不同高度下的氣體監(jiān)測情況（風速8 m/s）Fig.14 Monitoring results of 7#at different heights（wind speed is 8 m/s）

圖15 0.3 m 高度的監(jiān)測點監(jiān)測情況（風速8 m/s）Fig.15 Monitoring results of 0.3 m（wind speed is 8 m/s）

表7 不同風速的6#（8#）、7#、11#監(jiān)測點位報警時間（30 s）Tab.7 Alarm time of 6#(8#)、7#and 11#with different wind speeds（30 s）

2.3 溫度的影響

圖16～圖19 為單雙罐以溫度為變量，在工況1、6、7 條件下的模擬結果，其液池及可燃氣云擴散形態(tài)與不同泄漏速率、風速影響下的一致。根據(jù)圖16～圖17 可知，溫度增加，液池面積減小。根據(jù)圖18～圖19 可知，溫度越高，氣云濃度越高。結合圖16～圖19 及表8 可知，溫度對液池擴展及氣云擴散影響較小。

表8 不同溫度的液池面積及可燃氣體最遠擴散距離（30 s）Tab.8 Pool area and maximum diffusion distance of combustible gas with different temperatures（30 s）

圖16 不同溫度的液池深度分布（z=0）Fig.16 Depth distribution of pool with different temperatures（z=0）

圖17 不同溫度的液池面積變化情況Fig.17 The variation of pool area with different temperatures

圖18 單罐區(qū)不同溫度的氣云分布（z=0）Fig.18 Gas cloud distribution of different temperatures in single tank farm（z=0）

圖19 雙罐區(qū)不同溫度的氣云分布（z=0）Fig.19 Gas cloud distribution of different temperatures in double tank farm（z=0）

表9 列出了不同溫度下，在30 s 內，距單雙罐區(qū)泄漏源最近的6#（8#）、7#、11# 監(jiān)測點位的報警時間，結果表明溫度越高，報警時間越短；距泄漏源越近、高度越低的監(jiān)測點，報警時間越短。

表9 不同溫度的6#（8#）、7#、11#監(jiān)測點位報警時間（30 s）Tab.9 Alarm time of 6#(8#)、7#and 11#with different temperatures（30 s）

選擇20°C工況下，距離泄漏源最近的7# 監(jiān)測點位進行分析，結果如圖20 所示，監(jiān)測點高度越低，其報警時間越短；選擇20°C工況下，高度為0.3 m 的監(jiān)測點進行分析，結果如圖21 所示，在30 s 內，距泄漏源越近的監(jiān)測點（7#），其報警時間越短。

圖20 7#監(jiān)測點位在不同高度的監(jiān)測情況（20 °C）Fig.20 Monitoring results of 7#at different heights（20 °C）

圖21 0.3 m 高度的監(jiān)測點監(jiān)測情況（20 °C）Fig.21 Monitoring results of 0.3 m（20 °C）

3 結論

（1）單雙罐區(qū)的液池、氣云擴散形態(tài)與障礙物有關，雙罐區(qū)的液池擴展和氣云擴散主要受相鄰儲罐的阻擋，先沿罐體繞流擴散，隨后和單罐區(qū)一樣，還受到防火堤的約束。

（2）根據(jù)在30 s 形成的液池面積大小及可燃氣體擴散最遠距離來評價汽油泄漏后的災害嚴重程度，發(fā)現(xiàn)泄漏速率越大、風速較小且穩(wěn)定時，液池及可燃氣云擴散速度越快，危險程度越高，而溫度對液池擴展及氣云擴散影響較小。

（3）基于對汽油單雙罐區(qū)監(jiān)測點在不同泄漏速率、風速、溫度影響下的監(jiān)測情況進行分析，可知距泄漏源越近、高度越低的監(jiān)測點，報警時間越短，結合GB 50493--2019 規(guī)定“可燃氣體探測器距其所覆蓋范圍內的任一釋放源的水平距離不宜大于10 m”“檢測比空氣重的可燃氣體或有毒氣體時，探測器的安裝高度宜距地坪0.3～0.6 m”，建議罐區(qū)可燃氣體探測器應設置在泄漏源附近，高度設置為0.3 m。