張廣文

(1. 化學(xué)品安全全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266104 2. 中石化安全工程研究院有限公司,山東青島 266104)

0 前言

石化企業(yè)污水系統(tǒng)多設(shè)計(jì)為狹長型通道型結(jié)構(gòu),且串通連接,一旦發(fā)生原油、成品油等?；沸孤O易在污水系統(tǒng)內(nèi)積存,其揮發(fā)的烴蒸氣存在氣相空間油氣閃爆風(fēng)險[1],如何實(shí)現(xiàn)污水系統(tǒng)內(nèi)氣相空間泄漏事故的應(yīng)急處置劑油氣閃爆風(fēng)險抑制具有重要意義。細(xì)水霧作為一種清潔高效的新型應(yīng)急處置技術(shù),在狹長通道及受限空間內(nèi)油氣燃爆抑制方面具有較好的應(yīng)用前景,早在1990年,Thomas,等[2]就發(fā)現(xiàn)水噴霧可以用來抑制氣體爆炸,認(rèn)為水滴越細(xì)抑爆效果越好。隨后,國內(nèi)外學(xué)者開始利用細(xì)水霧開展相關(guān)的抑爆研究,通常認(rèn)為細(xì)水霧抑制氣體爆炸受施加方式[3]、水霧通量[4]、霧滴直徑[5]等因素影響。如Wingerden,等[6]發(fā)現(xiàn)水霧的施加在一定條件下會強(qiáng)化爆炸后果,但當(dāng)改變施加條件時也會產(chǎn)生抑爆效果,但對其強(qiáng)化或抑爆的分界條件不明確。Gu,等[7]認(rèn)為細(xì)水霧的施加會使火焰面發(fā)生失穩(wěn),失穩(wěn)程度由水霧和可燃?xì)怏w濃度決定,水霧氣化程度是抑爆的關(guān)鍵。上述研究表明,細(xì)水霧可以作為一種有效的爆炸緩釋措施[8]。

然而,現(xiàn)有學(xué)者多以小尺度實(shí)驗(yàn)研究為主,對真實(shí)尺度下的細(xì)水霧抑制狹長通道油氣燃爆規(guī)律研究較少,無法全面真實(shí)揭示石化污水系統(tǒng)內(nèi)細(xì)水霧抑制油氣爆炸沖擊規(guī)律[9]。通過采用1∶1真實(shí)尺度細(xì)水霧抑制油氣燃爆實(shí)驗(yàn),結(jié)合數(shù)值模擬,對狹長通道內(nèi)油氣爆炸沖擊特性進(jìn)行研究,研究細(xì)水霧覆蓋區(qū)域、細(xì)水霧噴霧流量、水霧與可燃?xì)獬跏紳舛鹊纫蛩貙τ蜌獗ǔ瑝旱淖兓?guī)律影響,為石化污水系統(tǒng)內(nèi)油氣爆炸抗沖擊設(shè)計(jì)及應(yīng)急處置技術(shù)評估提供支持。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與模型構(gòu)建

1.1 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

由10 m通道、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、細(xì)水霧施加系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)腔體按照煉化企業(yè)污水系統(tǒng)通道尺寸1∶1設(shè)計(jì)而成,長×寬×高分別為10 m×1.5 m×1.5 m,尾端開口,用PVC薄膜對尾端進(jìn)行封口,薄膜承壓能力約為2 kPa。在通道側(cè)壁上設(shè)置5處高頻動態(tài)壓力變送器,圖1中MP1、MP5、MP10、MP15、MP20,量程為0～200 kPa,壓力傳感器水平間距2.375 m,其中1#傳感器位距離腔體前端0.25 m、距地面0.7 m,采用循環(huán)配氣法進(jìn)行配氣,即將一定質(zhì)量的丙烷氣體通入通道后,采用空壓機(jī)補(bǔ)充空氣,達(dá)到設(shè)定的體積比例后再用循環(huán)泵進(jìn)行腔內(nèi)氣體循環(huán),最終使氣體在腔體內(nèi)均勻分布。圖1中水霧區(qū)范圍約為 5 m,采用間隔區(qū)域?yàn)? m的3個噴頭進(jìn)行區(qū)域覆蓋,細(xì)水霧噴頭采用壓力式霧化噴頭,由水泵進(jìn)行供壓,最大壓力為15 MPa,單個噴頭細(xì)水霧平均直徑為123 μm,霧錐角為66°。

圖1 污水系統(tǒng)水霧抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

1.2 數(shù)值模型的建立

1.2.1 燃燒模型

采用FLACS v10.6軟件進(jìn)行污水系統(tǒng)油氣爆炸后果模擬。對于油氣爆炸過程中火焰?zhèn)鞑タ煞譃?個階段:層流燃燒、準(zhǔn)層流燃燒、湍流燃燒。預(yù)混氣體被點(diǎn)火后將以層流燃燒速度燃燒,火焰前鋒很平滑,火焰的傳播完全由熱和/或分子擴(kuò)散過程控制。隨后,流動動力學(xué)、瑞利-泰勒效應(yīng)等不穩(wěn)定因素影響下導(dǎo)致火焰表面起皺,火焰速度增加并發(fā)展成準(zhǔn)層流。經(jīng)過一段過渡期后,根據(jù)流動條件的不同,火焰最終達(dá)到湍流燃燒狀態(tài)。各個階段的燃燒速度可按照公式(1)、(2)、(3)表示[10]。

(1)

(2)

(3)

式中:SL——層流燃燒階段的火焰速度,m/s;

Sql——準(zhǔn)層流燃燒階段的火焰速度,m/s;

ST——湍流燃燒階段的火焰速度,m/s;

P——燃燒產(chǎn)生的壓力,Pa;

P0——初始壓力,Pa;

γP——壓縮系數(shù);

Cql——與氣體云團(tuán)相關(guān)的常數(shù):

1.2.2 細(xì)水霧模型

細(xì)水霧對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懖捎霉?4)～(8)進(jìn)行表述[11],假定水霧覆蓋區(qū)域內(nèi)液滴直徑及液滴占覆蓋區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)恒定,如果液滴和爆炸沖擊氣體流之間的相對速度超過液滴破碎的臨界分解速度,則假定液滴分解。2個無量綱因子F1、F2用于描述反應(yīng)性混合物中存在水噴霧時對火焰燃燒速率Swater的影響。一是,在液滴破碎之前,水霧的噴射會產(chǎn)生湍流,從而提高火焰的燃燒速度,采用燃燒增強(qiáng)因子F1表示,這個因子乘以層流燃燒速度SL,再加上湍流燃燒速度ST,表示對火焰燃燒速度的影響;二是,在水霧液滴破碎后,它們變得足夠小,可以從火焰前鋒蒸發(fā)并吸收熱量,降低了火焰的反應(yīng)速率和燃燒速度,其對火焰燃燒速度的消弱影響程度用因子F2表示。

Swater=(ST+F1×SL)·F2

(4)

F1=14·UZ·βwater

(5)

(6)

UZ=2.5(Dmm)0.94

(7)

(8)

式中:Swater——增加細(xì)水霧后的油氣爆炸過程中火焰?zhèn)鞑ニ俣? m/s;

F1、F2——無量綱因子;

UZ——水霧垂直噴射速度,m/s;

βwater——覆蓋區(qū)域的水霧所占的體積分?jǐn)?shù);

Dmm——水霧的平均直徑,mm;

n——噴頭個數(shù);

Q——單個噴頭的流量,L/min;

Xlength——水霧覆蓋區(qū)域的投影區(qū)長度,m;

Ylength——水霧覆蓋區(qū)域的投影區(qū)寬度,m。

1.3 研究工況及參數(shù)設(shè)置

為考察細(xì)水霧對煉化企業(yè)污水系統(tǒng)內(nèi)油氣爆炸沖擊影響,并系統(tǒng)研究細(xì)水霧覆蓋區(qū)域、細(xì)水霧噴霧流量、水霧蒸發(fā)量等因素對油氣爆炸火焰的傳播、爆炸超壓的變化規(guī)律影響,設(shè)計(jì)研究工況見表1。其中,水霧覆蓋區(qū)域的尺寸為5 m×1.5 m×1.5 m,工況1～5分別表示水霧覆蓋點(diǎn)火點(diǎn)后0～5 m范圍內(nèi),水霧平均直徑123 μm,水霧施加量(WAR)分別為0,5,10,15,20 L/min條件下氣體爆炸后果影響;工況6～13為研究不同水霧覆蓋位置變化對爆炸后果影響,其中D代表水霧覆蓋區(qū)起點(diǎn)距離點(diǎn)火點(diǎn)距離,分別選擇1,2,3,5 m,其中工況9～13代表水霧覆蓋點(diǎn)火點(diǎn)后5～10 m范圍內(nèi),水霧施加量從0,5,10,15 L/min變化至20 L/min條件下氣體爆炸后果;工況14～18代表水霧覆蓋點(diǎn)火點(diǎn)后5～10 m范圍內(nèi),燃料的當(dāng)量比濃度(ER)從0.6～1.5范圍內(nèi)的初始濃度氣體下污水系統(tǒng)內(nèi)油氣爆炸沖擊。

表1 研究工況與參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)水霧覆蓋區(qū)域?qū)Ρ_擊后果的影響

2.1.1 爆炸超壓誤差分析

表2為獲得的不同水霧覆蓋區(qū)域下氣體爆炸實(shí)驗(yàn)壓力值與數(shù)值模擬壓力值[12]。通過表中實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可以看出,在腔體前端位置處施加細(xì)水霧(工況3),腔體內(nèi)部爆炸超壓較未施加水霧時(工況1)明顯增強(qiáng);而在后端施加細(xì)水霧(工況11)腔體內(nèi)部爆炸超壓被顯著抑制,峰值超壓降低30%以上,細(xì)水霧覆蓋區(qū)域的設(shè)置對污水系統(tǒng)氣體爆炸后果的影響較大。

表2 不同工況下實(shí)驗(yàn)與模擬壓力值比對

表2中可以看出,工況1即不施加水霧情況下,實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果偏差主要集中在6%以內(nèi),實(shí)驗(yàn)與計(jì)算誤差最小誤差出現(xiàn)在MP1號監(jiān)測點(diǎn),為2.1%;僅MP20號監(jiān)測點(diǎn)實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果偏差超過20%。工況3即水霧覆蓋0～5 m區(qū)間范圍內(nèi),實(shí)驗(yàn)與計(jì)算誤差最大在MP10號監(jiān)測點(diǎn),為15.5%;最小誤差絕對值出現(xiàn)在MP5號監(jiān)測點(diǎn),為5.5%。后端施加水霧,工況11實(shí)驗(yàn)值與模擬結(jié)果偏差主要集中在20%以內(nèi),MP20號監(jiān)測點(diǎn)實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果偏差超過20%。按照誤差低于20%數(shù)據(jù)判斷[13],本文采用建立的細(xì)水霧抑爆模型可滿足分析要求。

圖2 為工況3在水霧施加量為10 L/min條件下,通道內(nèi)氣體爆炸超壓值隨時間變化的趨勢的實(shí)驗(yàn)與模擬對比圖,圖中從上到下分別為通道內(nèi)MP1、MP10及MP20 測點(diǎn)處的結(jié)果比較。圖中可以看出狹長通道內(nèi)MP1、MP10及MP20 測點(diǎn)處的爆炸超壓隨時間變化趨勢與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果相同,均為“壓力緩慢提升-快速升至最大正超壓-快速降至最大負(fù)超壓-波動并趨于常壓”。

圖2 水霧施加位置變化下不同監(jiān)測點(diǎn)處超壓對比(工況3)

對比3個測點(diǎn)的最大爆炸超壓值并與未施加水霧工況1進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),在腔體前端即D=0 m位置處施加細(xì)水霧,水霧施加后通道內(nèi)爆炸超壓呈現(xiàn)出多波峰形態(tài),薄膜破裂時產(chǎn)生的泄放壓力P1數(shù)值較小,受泰勒不穩(wěn)定效應(yīng)影響,火焰?zhèn)鞑ブ琳麄€腔體時產(chǎn)生的P2超壓波峰占超壓波動的主導(dǎo)地位且波峰明顯增強(qiáng),高于未施加水霧數(shù)值。這是由于在腔體前端施加細(xì)水霧后,細(xì)水霧的存在使得火焰的發(fā)展初期受到動量的擾動作用,使得火焰發(fā)生變形產(chǎn)生更強(qiáng)的湍流作用,進(jìn)而導(dǎo)致火焰速度和壓力明顯提升[14]。對比實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與FLACS模擬計(jì)算結(jié)果可以看出,由于模型引入了水霧施加對腔體湍流影響的燃燒增強(qiáng)因子F1,使得模型模擬預(yù)測的超壓波變化趨勢及最大超壓等與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖3 為工況11即后端D=5 m位置處施加細(xì)水霧,通道內(nèi)氣體爆炸超壓值隨時間變化的趨勢的實(shí)驗(yàn)與模擬對比圖,相比工況3前端施加細(xì)水霧,后端施加細(xì)水霧可有效減少通道內(nèi)氣體爆炸超壓值,對腔體內(nèi)的爆炸超壓波峰有一定的控制效果。

圖3 水霧施加位置變化下不同監(jiān)測點(diǎn)處超壓對比(工況11)

圖4為前端水霧覆蓋與后端水霧覆蓋腔體內(nèi)氣體燃燒初期的火焰表面模擬結(jié)果比對。圖中從上到下分別為D=0 m、D=5 m情況下,點(diǎn)火后不同時刻火焰燃燒模擬結(jié)果,從圖中可以看出,前端覆蓋水霧(D=0)比后端覆蓋水霧(D=5)火焰?zhèn)鞑^(qū)域更大,燃燒速度更快,這是由于水霧的存在使得火焰的發(fā)展初期受到動量的擾動作用增強(qiáng),火焰的發(fā)展由球面型傳播快速轉(zhuǎn)變?yōu)橹感蛡鞑?并在火焰穿透水霧區(qū)域時變?yōu)椴灰?guī)則火焰形態(tài)。

圖4 前端施加水霧與后端施加水霧火焰面比較

2.1.2 細(xì)水霧覆蓋區(qū)域變化對通道爆炸超壓影響

圖5為不同水霧覆蓋區(qū)域起始位置距點(diǎn)火點(diǎn)距離D變化對通道內(nèi)氣體爆炸后果模擬結(jié)果比對,D分別為0,1,2,3,5m。圖中從上到下分別為通道內(nèi)MP1、MP10及MP20 測點(diǎn)處的爆炸超壓隨時間變化結(jié)果,從圖中可以看出,隨著D的增加即水霧起始位置距點(diǎn)火點(diǎn)距離的增加,3個測點(diǎn)處的爆炸超壓峰值出現(xiàn)時間明顯延后,且爆炸峰值超壓逐漸減弱。這是由于隨著D的增加,火焰的發(fā)展初期受水霧施加的影響降低,當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ剿F區(qū)域時,速度已明顯提高,此時水霧破碎沖擊及蒸發(fā)效應(yīng)越來越明顯,對通道爆炸超壓減弱影響越來越大。

圖5 水霧施加位置變化下不同監(jiān)測點(diǎn)處超壓對比

2.2 細(xì)水霧流量對爆炸沖擊后果的影響

2.2.1 前端施加水霧

圖6為前端施加細(xì)水霧,細(xì)水霧覆蓋區(qū)域起始位置距點(diǎn)火點(diǎn)距離D為0時,不同細(xì)水霧流量變化對通道內(nèi)氣體爆炸后果模擬結(jié)果比對,細(xì)水霧流量分別為0,5,10,15,20 L/min。從圖中可以看出,通道前端施加細(xì)水霧時,隨著WAR的增加MP1、MP10及MP20 等3個測點(diǎn)處的爆炸超壓峰值出現(xiàn)時間明顯提前,且爆炸峰值超壓逐漸增加。這是由于隨著WAR的增加,腔體內(nèi)的細(xì)水霧顆粒也隨之增加,對火焰發(fā)展初期的擾動作用也更為強(qiáng)烈,使得火焰發(fā)生變形并形成更強(qiáng)的湍流作用,燃燒增強(qiáng)因子F1的值也越大,進(jìn)而導(dǎo)致爆炸壓力的提升。

圖6 前端水霧覆蓋霧流量變化下不同監(jiān)測點(diǎn)處超壓對比(D=0)

2.2.2 后端施加水霧

圖7為后端施加細(xì)水霧,細(xì)水霧覆蓋區(qū)域起始位置距點(diǎn)火點(diǎn)距離D為5時,不同細(xì)水霧流量變化對通道內(nèi)氣體爆炸后果模擬結(jié)果比對,細(xì)水霧流量分別為0,5,10,15,20 L/min。從圖中可以看出,通道后端施加細(xì)水霧時,隨著WAR的增加MP1、MP10及MP20 等3個測點(diǎn)處的爆炸超壓峰值出現(xiàn)時間較為接近,且爆炸峰值超壓逐漸減少。這是由于D為5位置處,腔體內(nèi)的火焰燃燒得到充分發(fā)展,當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ剿F區(qū)域時,速度已明顯提高,此時隨著WAR的增加,腔體內(nèi)的細(xì)水霧顆粒也隨之增加,水霧破碎沖擊及蒸發(fā)效應(yīng)越來越明顯,對通道爆炸超壓抑制效應(yīng)越來越大。

圖7 后端水霧覆蓋霧流量變化下不同監(jiān)測點(diǎn)處超壓對比(D=5)

2.3 不同初始濃度氣體細(xì)水霧施加后爆炸后果的影響

2.3.1 通道爆炸超壓

圖8是細(xì)水霧覆蓋在通道前端,水霧覆蓋區(qū)域起始位置距點(diǎn)火點(diǎn)距離D為0時,固定流量的細(xì)水霧與不同氣體初始濃度共同作用下的污水系統(tǒng)內(nèi)氣體爆炸后果模擬結(jié)果比對,圖中從上到下分別為通道內(nèi)MP1、MP10及MP20 測點(diǎn)處的結(jié)果比較。圖中可以看出當(dāng)通道內(nèi)燃料當(dāng)量比濃度從0.6變化至1.5,3個測點(diǎn)處爆炸峰值超壓產(chǎn)生時間呈現(xiàn)為“先變早再延后的趨勢”。圖中可以看出隨著初始濃度值的增加,峰值超壓值“先增加后減少”。

圖8 水霧施加量不變(WAR=10),氣體濃度變化下不同監(jiān)測點(diǎn)處爆炸超壓后果

2.3.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊?/p>

圖9是細(xì)水霧覆蓋在通道前端,水霧覆蓋區(qū)域起始位置距點(diǎn)火點(diǎn)距離D為0時,固定流量的細(xì)水霧與不同氣體初始濃度共同作用下的污水系統(tǒng)內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣饶M結(jié)果比對。圖中可以看出當(dāng)通道內(nèi)燃料當(dāng)量比濃度從0.6變化至1.5,3個測點(diǎn)處爆炸峰值超壓產(chǎn)生時間呈現(xiàn)為“先變早再延后的趨勢”。圖中可以看出隨著初始濃度值的增加,峰值超壓值“先增加后減少”。

圖9 水霧施加量不變(WAR=10),氣體濃度變化下不同監(jiān)測點(diǎn)處速度變化

3 結(jié)論

對狹長通道內(nèi)水霧抑制油氣爆炸特性進(jìn)行研究,研究了水霧覆蓋區(qū)域、噴霧流量、可燃?xì)獬跏紳舛鹊纫蛩叵率鬯到y(tǒng)內(nèi)油氣爆炸后果變化規(guī)律影響,建立了水霧抑爆評估模型,主要結(jié)論如下。

a) 前端施加細(xì)水霧使得腔體波峰P2超壓波峰增強(qiáng),由未施加水霧的90 kPa增加到約200 kPa, 而在后端施加細(xì)水霧腔體內(nèi)部爆炸超壓被顯著抑制,爆炸超壓降低約30%。

b) 固定覆蓋區(qū)域下隨著水霧起始位置距點(diǎn)火點(diǎn)距離D的增加,通道內(nèi)爆炸超壓峰值出現(xiàn)時間明顯延后,且爆炸峰值超壓逐漸減弱。前端施加細(xì)水霧時,隨著噴霧流量的增加爆炸超壓峰值出現(xiàn)時間明顯提前,且爆炸峰值超壓逐漸增加;而后端施加細(xì)水霧時,規(guī)律相反。

c) 固定水霧流量下,隨著可燃?xì)獬跏既剂吓浔仍黾?通道內(nèi)爆炸超壓峰值呈現(xiàn)先增加后逐步減小、超壓峰值產(chǎn)生時間距點(diǎn)火時間呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

d) 建立的水霧抑爆評估模型,與實(shí)測結(jié)果偏差主要集中在20%以內(nèi),可為石化污水系統(tǒng)內(nèi)油氣爆炸抗沖擊設(shè)計(jì)及應(yīng)急處置技術(shù)評估提供支持。