陳曉坤，李 鑫，王秋紅，蔣軍成，張明廣，羅振敏，王劉兵

（1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安710054；2.南京工業(yè)大學 安全科學與工程學院，江蘇 南京210009）

0 引 言

能源化工廠作為危險化學物質(zhì)儲存、運輸?shù)闹匾M成部分，因人為因素及外界條件影響下而導致化學物質(zhì)泄漏事故時有發(fā)生。而儲存的化學物質(zhì)往往存在可燃性及毒性，一旦泄漏容易導致周邊人員中毒窒息及更嚴重的火災爆炸事故。通過實驗進行大尺寸裝置的氣體泄漏研究較為困難，因此，多采用數(shù)值仿真技術進行相關研究。

對于氣體的泄漏爆炸，國內(nèi)外有大量學者進行了相關研究。Liu等對Plate模型進行修正，并使用修正模型模擬H2S泄漏事故，結(jié)合GIS系統(tǒng)將模擬結(jié)果展示到地圖中［1］；Lovreglio等在CFD氣體擴散模型中加入人員疏散的影響以此來提高對毒性氣體泄漏風險評估的準確性，使其更接近實際情況［2］；Li等通過建立等效短管道模型計算海底管道氣體泄漏速率，然后通過歐拉·拉格朗日模型來預測氣體的上升擴散，并通過實驗數(shù)據(jù)來驗證CFD計算結(jié)果的可靠性［3］；Li等使用CFX軟件對LNG燃料船中發(fā)動機室中的天然氣泄漏擴散進行模擬，探討布置氣體探測器的最優(yōu)位置［4］；Liu等分別對封閉布局、分散布局和街道峽谷布局3種街道布局下的天然氣泄漏和擴散規(guī)律的影響進行了數(shù)值模擬和實驗研究，確定了天然氣濃度分布和危險區(qū)域分布［5］；柯道友等提出一種新型理論模型，可以在較短時間內(nèi)預測H2泄漏的擴散和運動規(guī)律，并建立二維和三維Fluent模型驗證理論模型的準確性［6］；王建使用Fluent軟件模擬罐區(qū)可燃性氣體（CH4，H2，C3H8）泄漏，并提出水平方向最遠擴散距離及高度方向最大直徑定量評估泄漏形成的可燃氣云大?。?］；賈海軍等使用Fluent軟件，采用Navier-Stokes方程與RNG k-ε湍流模型，對車艙內(nèi)有害氣體（CO、NO2）泄漏擴散過程進行數(shù)值模擬，得到艙室內(nèi)有害氣體泄漏擴散的一般規(guī)律［8］；馬世海以某城市的實際情況為例，采用k-ε湍流方程及SIMPLE算法，模擬不同風速，不同管道壓力條件下的天然氣管道泄漏情況［9］；楊石剛等利用Fluent軟件計算出甲烷氣云非均勻濃度場，將結(jié)果耦合進AutoReaGas軟件，得到非均勻混合氣云爆炸溫度壓力等變量［10］；任少云使用Fluent軟件分別對開敞空間的LNG汽化與空氣混合爆炸過程及密閉空間的甲烷與空氣混合爆炸過程進行研究，得到壓力、溫度變化規(guī)律及火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律［11-12］。

在大量的CFD軟件中，F(xiàn)LACS軟件采用分布式多孔結(jié)構(gòu)（distributed porosity concept）的思想表現(xiàn)幾何形狀是FLACS相比其他CFD工具的重要優(yōu)勢之一［13］。Middha，Hansen等通過BAM實驗、NASA氣體擴散實驗、Maplin Sands實驗、Burro實驗、Coyote實驗等大量大型實驗數(shù)據(jù)驗證FLACS模擬結(jié)果的準確性，證明了FLACS數(shù)值仿真結(jié)果的有效性［14-17］；Schleder等進行了CO2射流氣體的擴散實驗，并使用FLACS軟件進行了相應模擬，驗證了FLACS模擬結(jié)果的準確性［18］；Fiates等使用OpenFOAM，CFX，F(xiàn)LACS軟件對H2，CO2等氣體的擴散進行模擬，并與實驗數(shù)據(jù)對比，結(jié)果顯示FLACS對氣體擴散的模擬結(jié)果更準確［19］；Yang等使用FLACS軟件還原2012年Gumi硫化氫泄漏事故，并將模擬結(jié)果與事故后果進行比較，發(fā)現(xiàn)模擬得出的毒性氣體覆蓋范圍與事故后果相似［20］；Zhao等針對煤氣化工廠爆炸事故進行建模，模擬其爆炸過程，并與所觀察到的爆炸毀壞區(qū)域進行比較，一定程度上驗證了FLACS對開敞空間中氣體爆炸適用性［21］；Li等使用FLACS軟件通過模擬不同安全間距條件下天然氣氣體泄漏擴散產(chǎn)生氣云的大小來研究安全間距對氣體擴散的影響［22］；Huang等針對大型海上天然氣工廠建立多級爆炸風險評估方法，并利用FLACS軟件對天然氣海上工廠泄漏爆炸事故后果進行風險分析［23］；萬古軍等使用FLACS軟件對躉船LNG儲罐及加液臂泄漏后果進行模擬，確定LNG加注躉船與周邊建筑間的安全距離［24］；凌曉東等建立環(huán)乙酮生產(chǎn)裝置全尺寸模型，模擬得到不同泄漏場景的環(huán)乙烷氣云的發(fā)展過程［25］；王學岐等使用FLACS軟件從點火位置、阻塞度角度分析丙烷、丁烷、丙烯泄漏發(fā)生爆炸后的爆炸沖擊波火焰?zhèn)鞑デ闆r，得出爆炸后各個區(qū)域的超壓變化趨勢和規(guī)律［26］。

前人的研究多集中在單源泄漏及爆炸問題，而對于多源的泄漏擴散問題少有研究。但化工廠及輸氣管道等遭遇意外事故及自然災害時都有可能造成多源氣體泄漏，例如2011年日本大地震，千葉市一化工廠17個液化天然氣儲罐遭到破壞，引發(fā)嚴重火災；2012年，襄陽市大慶東路主管道在與天然氣管道對接時，因燃氣公司違規(guī)施工，造成天然氣泄漏，存在3個泄漏源；2013年，江西省信豐縣一化工廠甲醇罐發(fā)生爆炸，對相鄰儲罐造成嚴重破壞，引發(fā)多源泄漏。因此，文中使用FLACS數(shù)值仿真軟件對罐區(qū)內(nèi)多源泄漏爆炸場景進行模擬，對多源泄漏爆炸所造成的危害進行預測分析。

1 模擬場景及參數(shù)設置

以西安市某能源化工廠中的乙烯罐區(qū)為例，該罐區(qū)內(nèi)設8臺球型鋼制儲氣罐，每臺儲罐體積為2 000 m3（直徑15.6 m，罐外殼距地面5 m），儲罐設計壓力為1.8 MPa.球罐間設有四架扶梯及若干管道，旁邊設有2間廠房，距球罐A，E的法向距離為14 m.其中Y方向上相鄰球罐球心間的距離為24.5 m，X方向上，A，E儲罐間距為35 m.本次模擬中不考慮風速影響，設風速為0.

圖1 乙烯罐區(qū)幾何模型Fig.1 Geometry model of ethylene tank area

假設泄漏點位于儲罐底部，其中單源泄漏位置位于A儲罐底部，泄漏方向分別設為+X，+Y.雙源泄漏的泄漏方向分別為相對（+Y，-Y）、平行（+X，+X）、正交（+Y，-X）

1）泄漏方向相對及平行時，泄漏位置分別位于A儲罐和B儲罐底部，A儲罐和C儲罐底部，A儲罐和D儲罐底部，以儲罐A，B泄漏為例，其泄漏方向如圖2（a），（b）所示。

2）泄漏方向正交時，泄漏位置分別為A儲罐和F儲罐底部，A儲罐和G儲罐底部，A儲罐和H儲罐底部，其Y軸方向上的距離分別為24.5，49.0，73.5 m，以儲罐A，F(xiàn)泄漏為例，其泄漏方向如圖2（c）所示，具體參數(shù)設置見表1.

圖2 雙源泄漏不同泄漏方向示意圖Fig.2 Different leakage directions of two sources leakage

2 乙烯氣體泄漏擴散模擬分析

乙烯作為重要的石油化工基本原料，在合成材料方面使用廣泛。但其物理化學性質(zhì)決定其在發(fā)生泄漏后極易形成可燃性氣云。當泄漏形成的可燃性氣體蒸汽云濃度在爆炸極限范圍內(nèi)（2.8%～36%），遇到火源極易發(fā)生氣體爆炸。因此，文中主要分析處于爆炸極限范圍內(nèi)的氣云擴散規(guī)律。

FLACS中用FLAMkg表示監(jiān)測區(qū)域內(nèi)處于爆炸極限范圍內(nèi)的可燃氣體質(zhì)量（不包括氣云中的空氣質(zhì)量），用FLAM來表示處于爆炸極限范圍內(nèi)的可燃氣云體積，用Q9來表示與真實氣云等效化學計量比的均勻氣云體積［13］。Q9的計算公式為

式中V為可燃氣體體積，m3；BV為層流燃燒速度，m·s-1；E為在空氣中恒壓燃燒所產(chǎn)生的體積膨脹。

表1 乙烯氣體泄漏參數(shù)Table 1 Leakage parameters of ethylene gas

以單源泄漏，泄漏速度12 kg/s，泄漏方向+Y，多源泄漏，泄漏速度12 kg/s，泄漏方向相對為例，所產(chǎn)生的可燃性氣云體積（FLAM）及相應的等效化學計量比均勻氣云體積（Q9）隨泄漏時間的變化趨勢如圖3所示。單源泄漏及多源泄漏所產(chǎn)生的真實可燃性氣云體積分別為12 908，32 198 m3，轉(zhuǎn)化為等效化學計量比均勻氣云體積分別為4 555，11 170 m3，體積的變化規(guī)律相似。可以發(fā)現(xiàn)不規(guī)則真實氣云轉(zhuǎn)換為均勻氣云體積變化較大，說明泄漏形成的可燃性氣云有極大部分的濃度較低。

圖3 Q9與FLAM對比Fig.3 Comparison between Q9 and FLAM

3 乙烯氣體多源泄漏擴散模擬分析

當發(fā)生泄漏的泄漏源存在多個時，泄漏產(chǎn)生的射流間會相互影響，以泄漏速度為12 kg/s，泄漏源間距24.5 m為例，3種泄漏方式（相對、平行、正交）所產(chǎn)生的氣云濃度分布級氣體流場XY切面圖如圖4所示。圖中灰色圓點為儲罐支柱及管道截面，因泄漏氣云覆蓋范圍有限，儲罐D(zhuǎn)，H所在區(qū)域未受到影響，因此未在圖中顯示。

圖4 不同泄漏方向形成的氣云濃度分布及流場分布（泄漏速度12 kg/s）Fig.4 Concentration distribution and velocity distribution of gas clouds formed by different leakage directions（Leak rate at 12 kg/s）

比較氣體濃度分布及流場圖可以看出濃度較低部分氣云其流速也較慢。從圖4（a），（d）可以看出，當泄漏方向相對時，泄漏氣體發(fā)生交匯，隨后向兩側(cè)開始擴散，射流中心軸線上的氣體流速較快，而向兩側(cè)擴散的氣體流速較??；從圖4（b），（e）可以看出，泄漏方向正交時，泄漏氣體飄散方向偏離了原來的中心軸線，隨后發(fā)生交匯融合后在不同方向的動量作用下向+XY方向擴散；從圖4（c），（f）可以看出，泄漏方向平行時，兩股射流氣體偏離其射流中心軸線，相互靠近，這是由于泄漏氣體從高壓儲罐中進入空氣中時形成射流，而射流氣體與靜止空氣間存在動量交換形成卷吸效應，從而改變其原擴散方向。因此，多源泄漏時，射流氣體間主要是由直接碰撞及卷吸效應相互影響的。

以泄漏源間距為24.5 m為例，泄漏源不同分布方式，不同泄漏速度下所形成的等效化學計量比可燃性氣云體積（Q9）變化如圖5所示。

圖5 泄漏方向?qū)Φ挠绊慒ig.5 Influence of leakage direction on Q9

從圖5可以看出，泄漏源不同分布方式下所形成的可燃性氣云體積變化一致，所形成的可燃性氣云總體積相差不大。多源泄漏所形成的可燃性氣云體積要大于2倍的單源泄漏所產(chǎn)生的可燃性氣云體積，說明多源泄漏時，氣體射流間相互影響，氣云間相互融合，使氣體的擴散減慢，因此多源泄漏所造成的危害遠大于單源泄漏。

以泄漏速度為12 kg/s為例，泄漏源不同間距下所形成的等效化學計量比可燃性氣云體積（Q9）變化如圖6所示。可以看出，在不同泄漏源分布方式下，均在泄漏源間距最?。?4.5 m）時達到最大，從圖6（b），（c）可以看出當泄漏方向平行及正交時，泄漏源間距為49.0 m及73.5 m所產(chǎn)生的可燃性氣云體積大小相近。這是因為泄漏源間距較大時，卷吸作用對泄漏氣體的影響極小，而射流氣體間發(fā)生交匯融合部分的氣體流速較慢，濃度較低，對所形成的等效化學計量比可燃性氣云體積影響較小。因此，對于泄漏方向為平行及正交，當泄漏源間距大于49 m時，泄漏氣體間距的影響可忽略不計。

4 泄漏誘發(fā)氣云爆炸模擬結(jié)果分析

當儲罐發(fā)生泄漏，泄漏所產(chǎn)生的氣云濃度達到爆炸極限時，一旦遇到火源，極易發(fā)生爆炸事故，火源設置見表2.起火時間設為100 s，當模擬時間達到100 s時，火源處氣云達到爆炸極限則發(fā)生爆炸。

圖6 泄漏間距對Q9的影響Fig.6 Influence of distance between leakage sources on Q9

表2 火源位置及類型Table 2 Fire source locations and types

在每個儲罐表面各設置6個監(jiān)測點，監(jiān)測儲罐表面的爆炸超壓變化，監(jiān)測點設置如圖7所示。

統(tǒng)計各工況中所有監(jiān)測點中監(jiān)測到的最大爆炸壓力，儲罐表面受到的最大爆炸超壓如圖8所示?？梢钥闯鰡卧葱孤┊a(chǎn)生的氣云發(fā)生爆炸的爆炸超壓較小，僅為1.63～6.87 KPa；而多源泄漏所產(chǎn)生的可燃性氣云發(fā)生爆炸時，爆炸超壓顯著增大，爆炸超壓達到1.98～20.37 KPa，可能造成的危害遠大于單源泄漏。

圖7 監(jiān)測點分布截面圖Fig.7 Monitoring points distribution

圖8 泄漏氣云爆炸超壓Fig.8 Explosion overpressure of gas cloud induced by leakage

5 結(jié) 論

1）泄漏形成的可燃氣云濃度分布不均勻，僅在泄漏源附近濃度較高，危險性較大，且氣體流速成正比。根據(jù)FLACS軟件模擬結(jié)果可得到泄漏事故發(fā)生后的影響范圍，為罐區(qū)發(fā)生事故后的應急響應提供參考依據(jù)。

2）多源泄漏時，氣云間通過相互交匯融合及卷吸作用相互影響，減緩了氣云的擴散，使雙源泄漏時所產(chǎn)生的可燃性氣云體積大于2倍的單源泄漏產(chǎn)生的可燃性氣云體積。其中泄漏方向相對時的泄漏氣云間的影響最大。對于多源泄漏方向平行及正交時，當泄漏源間距不小于49 m時，射流氣體間的影響極小，可忽略不計，因此，罐區(qū)發(fā)生泄漏事故時應避免相鄰儲罐同時發(fā)生泄漏。

3）多源泄漏發(fā)生爆炸強度遠大于單源泄漏，因此化工罐區(qū)的安全設計應充分考慮儲罐間的安全距離，設置相應的防護措施，避免單源泄漏爆炸進一步升級為多源泄漏爆炸事故。