畢明樹 趙博 車威

大連理工大學(xué)化工學(xué)院

池火環(huán)境下液化石油氣儲(chǔ)罐響應(yīng)規(guī)律及影響因素

畢明樹 趙博 車威

大連理工大學(xué)化工學(xué)院

有關(guān)液化石油氣(LPG)儲(chǔ)罐火災(zāi)爆炸的研究,國內(nèi)外研究者對池火環(huán)境下LPG儲(chǔ)罐的熱響應(yīng)規(guī)律開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬工作,但研究結(jié)果尚難以給出通用規(guī)律。為此,利用FLUENT軟件建立了池火災(zāi)環(huán)境下LPG儲(chǔ)罐熱響應(yīng)模型,以英國HSE管理局現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的臥式LPG儲(chǔ)罐為例進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)實(shí)測結(jié)果吻合較好。數(shù)值模擬結(jié)果表明:①池火環(huán)境下儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)溫度分布總體上呈現(xiàn)上部高下部低的趨勢,氣相及液相區(qū)的溫度分層明顯;②儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)壓力上升速率隨著充裝率的增大而增大;③LPG儲(chǔ)罐失效是由介質(zhì)溫度升高導(dǎo)致的儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)壓力升高和氣相區(qū)壁溫升高導(dǎo)致的材料強(qiáng)度下降共同引起的。

液化石油氣 儲(chǔ)罐 池火 數(shù)值模擬 熱響應(yīng) 影響因素 充裝率

外部高溫環(huán)境是引發(fā)LPG儲(chǔ)罐爆炸的主要原因。根據(jù)火焰對儲(chǔ)罐的包圍程度和加熱的均勻性,可將外部高溫環(huán)境分為噴射火和池火兩種情況?；鹧嫦騼?chǔ)罐壁傳熱的方式為對流和熱輻射。池火情況下對流傳熱系數(shù)相對較低,熱輻射是主要的傳熱方式。研究火災(zāi)環(huán)境下LPG儲(chǔ)罐內(nèi)部的熱響應(yīng)規(guī)律是分析、控制LPG儲(chǔ)罐爆炸事故的前提[1]。

國內(nèi)外研究者對池火環(huán)境下LPG儲(chǔ)罐的熱響應(yīng)規(guī)律開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬工作?；葱闾m[2]等人將儲(chǔ)罐內(nèi)部劃分為蒸汽區(qū)、分層區(qū)、邊界層區(qū)、過冷液體區(qū)和底部不穩(wěn)定加熱區(qū)等5個(gè)區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬,Eulalia Planas-Cuchi[3]研究了隨時(shí)間和空間(周向)變化的池火災(zāi)溫度和熱輻射模型,邢志祥等人利用數(shù)值模擬軟件LPGTRS分析了初始充裝率、火焰溫度、安全閥、保溫層、儲(chǔ)罐大小等因素對LPG儲(chǔ)罐熱響應(yīng)的影響[4]。有關(guān)這方面的工作仍然是一些特定工況下的研究結(jié)果,尚難以給出通用規(guī)律。火災(zāi)環(huán)境下LPG儲(chǔ)罐火災(zāi)爆炸災(zāi)害的防治理論與技術(shù)仍然是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。本文擬通過建立合理的物理模型和數(shù)學(xué)模型,用FLUEN T軟件對池火環(huán)境下的LPG儲(chǔ)罐熱響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算,分析池火環(huán)境下LPG儲(chǔ)罐的熱響應(yīng)規(guī)律。

1 模擬對象與模型處理

1.1 模擬對象

英國 HSE(Health&Safety Executive)管理局進(jìn)行了LPG儲(chǔ)罐遭受池火的實(shí)驗(yàn)。所用儲(chǔ)罐直徑為1 694 mm,體積為10.25 m3,具體參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

1.2 網(wǎng)格劃分

利用FLUEN T前處理軟件GAMBIT建立了儲(chǔ)罐模型和網(wǎng)格劃分。根據(jù)圓筒形儲(chǔ)罐的對稱性,取圓筒形儲(chǔ)罐的1/4,建立網(wǎng)格,圓筒部分采用非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格,固體區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量約120 000。

1.3 邊界條件

LPG儲(chǔ)罐受到外部池火作用時(shí),火焰與儲(chǔ)罐壁通過對流和熱輻射兩種方式進(jìn)行傳熱,其中熱輻射傳熱是主要的傳熱方式,對流傳熱系數(shù)很小。壁面的熱邊界條件選用對流和熱輻射混合作用。熱輻射溫度為火焰溫度,對流傳熱系數(shù)[5]按下式計(jì)算:

式中hc為對流傳熱系數(shù);D為儲(chǔ)罐直徑,m。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 有效性驗(yàn)證

圖1、2所示分別為儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力響應(yīng)過程和儲(chǔ)罐壁溫響應(yīng)過程。由圖1可見,池火災(zāi)作用下,儲(chǔ)罐壓力上升速度比較慢,原因在于均勻的池火與儲(chǔ)罐外壁間的對流換熱系數(shù)很小,主要依靠熱輻射作用傳熱;在300 s左右,儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力上升至安全閥的開啟值1.41 M Pa。圖2顯示儲(chǔ)罐最大壁溫的上升速度逐漸加快?？傮w而言,圖1、2顯示的模擬值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合,壓力響應(yīng)和壁溫響應(yīng)的最大誤差分別為19%和14.3%,偏差產(chǎn)生的主要原因可能在于簡化的火焰輻射模型難以與真實(shí)火焰對儲(chǔ)罐外壁的加熱條件達(dá)到完全一致。

圖1 儲(chǔ)罐壓力響應(yīng)圖

圖2 儲(chǔ)罐最大壁溫響應(yīng)圖

圖3、4分別為氣相介質(zhì)和液相介質(zhì)的溫度響應(yīng)過程,計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,最大誤差分別為4.5%和4%。其中,氣相取距離儲(chǔ)罐頂部50 mm處的介質(zhì)溫度,液相取距離儲(chǔ)罐底部200 mm處介質(zhì)的溫度。由圖3和圖4對比可知,液相介質(zhì)的溫度升高較氣相介質(zhì)緩慢,300 s內(nèi)氣相介質(zhì)和液相介質(zhì)的溫度分別升高了63 K和11 K。原因在于一方面蒸汽的比熱容遠(yuǎn)小于液相的[2];另一方面液相介質(zhì)過熱后會(huì)通過相變將熱量轉(zhuǎn)化到氣相,使得液相介質(zhì)本身儲(chǔ)存的熱量較少。

圖3 儲(chǔ)罐內(nèi)氣相介質(zhì)溫度圖

圖4 儲(chǔ)罐內(nèi)液相介質(zhì)溫度圖

2.2 溫度場分布

圖5所示為儲(chǔ)罐內(nèi)不同高度處介質(zhì)的溫度響應(yīng)規(guī)律?？梢钥闯?池火作用下儲(chǔ)罐內(nèi)部存在熱分層現(xiàn)象,溫度總體呈現(xiàn)上高下低的趨勢。本文所模擬的LPG儲(chǔ)罐的初始充裝率為72%,對應(yīng)的氣液分界面位于距儲(chǔ)罐頂部540 mm處?？梢?氣相溫度明顯高于液相,且距離液面越遠(yuǎn)氣相溫度越高,說明氣相除了通過相變吸熱外,還通過氣相壁面吸收輻射熱量;另外,在距離儲(chǔ)罐頂部1 350 mm以下的液相區(qū),介質(zhì)溫度降低明顯,說明過冷液體區(qū)與液相分層區(qū)[2]的分界面可能位于此處附近。

圖5 儲(chǔ)罐內(nèi)部不同高度處介質(zhì)溫度響應(yīng)圖

2.3 影響因素分析

圖6為池火條件下不同充裝率對儲(chǔ)罐失效時(shí)間的影響。圖中顯示,4種充裝率的儲(chǔ)罐在池火作用下的失效時(shí)間分別為507 s、535 s、597 s、621 s?？梢?池火災(zāi)作用下,充裝率越高,儲(chǔ)罐失效時(shí)間越短。原因主要在于充裝率越高,氣相空間越小,從而由相變導(dǎo)致的壓力升高越快?？傊?不同充裝率的LPG儲(chǔ)罐受池火侵襲破壞的時(shí)間范圍為500～620 s。

圖6 池火條件下不同充裝率對儲(chǔ)罐失效時(shí)間的影響圖

3 結(jié)論

利用FLU EN T軟件對處于池火災(zāi)環(huán)境下的LPG儲(chǔ)罐熱響應(yīng)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。得出以下結(jié)論:

1)池火環(huán)境下儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)溫度分布總體上呈現(xiàn)上部高下部低的趨勢,氣相及液相分層區(qū)的溫度分層明顯,液相分層區(qū)下部為過冷液體區(qū),該區(qū)液體溫度上升較慢。

2)儲(chǔ)罐升壓速率隨著充裝率的增大而增大。

3)池火作用下,LPG儲(chǔ)罐失效受到兩個(gè)因素控制,一是介質(zhì)溫度升高導(dǎo)致的儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)壓力升高,二是氣相區(qū)壁溫升高導(dǎo)致的強(qiáng)度下降。兩條曲線的交叉點(diǎn)即為儲(chǔ)罐的失效點(diǎn)。儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)的充裝率越高,儲(chǔ)罐失效時(shí)間越短。

[1]B IRK A M,CUNN INGHAM M H.Liquid temperature stratification and its effect on BLEVEs and their hazards [J].Journal of Hazardous Materials,1996,48:219-237.

[2]淮秀蘭,俞昌銘.高溫環(huán)境下容器內(nèi)液化氣的熱響應(yīng)分析[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào),1996(1):24-29.

[3]EULAL IA PLANAS-CUCH I,JOAQU IM C.Modeling temperature evolution in equipment engulfed in a pool-fire [J].Fire Safety Journal,1998,30(3):251-268.

[4]邢志祥,常建國,趙曉芳.液化石油氣儲(chǔ)罐熱響應(yīng)影響因素模擬分析[J].煉油技術(shù)與工程,2005,35(9):59-61.

[5]淮秀蘭,俞昌銘.高溫環(huán)境下未充滿的容器內(nèi)液化氣的傳熱傳質(zhì)分析[C]∥中國金屬學(xué)會(huì)第七屆熱能與熱工學(xué)術(shù)會(huì)議論文集:北京科技大學(xué)專輯.無錫:中國金屬學(xué)會(huì),1993:46-51.

A numerical simulation study of thermal response and influencing factors of a LPG tank under a pool f ire

Bi M ingshu,Zhao Bo,Che Wei
(School of Chem ical M achinery,Dalian University of Technology,D alian,L iaoning 116011,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 10,pp.100-102,10/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Related to the research of LPG storage tank exp losive accidents,a large number of experimental studiesand numerical simulation models have been made on the thermal response of LPG tanks under the fire environment by many scholars at home and abroad,but from their studies a general rule is still difficult to obtain.Therefo re,a model on the thermal response of a LPG sto rage tank under a pool firewas set up by the useof FLUENT,and three-dimensional numerical stimulation was carried outon a horizontal LPG tank by the UK Health&Safety Executive.The calculated results agree well w ith the measured results in actual measurements.From the numerical simulation,some conclusion are draw n on the thermal response and influencing factorsof a LPG tank under a pool fire:①The LPG temperature is higher on the top and lower in the bottom w ith an obvious lamination between gas and liquid;②The rising rate of LPG p ressure increasesw ith the LPG filling rate;③The failure of a LPG sto rage tank under a pool fire is controlled by two factors,one is the increasing LPGp ressure resulting from its rising temperature,and the other is the weakening of material strength caused by the rising temperature of the tank wall at the gas area w ithin the tank.

LPG,sto rage tank,pool fire,numerical simulation,thermal response,influencing facto r,filling rate

畢明樹等.池火環(huán)境下液化石油氣儲(chǔ)罐響應(yīng)規(guī)律及影響因素.天然氣工業(yè),2010,30(10):100-102.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.024

博士點(diǎn)基金資助課題“液化天然氣儲(chǔ)罐受熱爆炸機(jī)制研究”(編號(hào):20090041110037);遼寧省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(編號(hào):20060129)。

畢明樹,1962年生,教授,博士生導(dǎo)師,博士;主要從事化工過程機(jī)械和安全技術(shù)及工程方面的研究工作。地址: (116011)遼寧省大連市英華街52號(hào)。電話:(0411)84708711。E-mail:bimsh@dlut.edu.cn

2010-05-31 編輯 趙 勤)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.024

BiM ingshu,p rofessor,bo rn in 1962,holds a Ph.D degree,beingmainly engaged in research ofmechanical and safety engineering in chemical p rocessing.

Add:No.52,Yinghua Street,Dalian,Liaoning 116011,P.R.China

Tel:+86-411-8470 8711 E-mail:bimsh@dlut.edu.cn