徐學(xué)波 楊舒博 付建民 張術(shù)萍 劉建波 王雪峰 傅建豪

（1.山東京博石油化工有限公司 山東 濱州 256600；2.中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院 山東 青島 266580）

0 引言

液化石油氣（LPG，liquefied petroleum gas）作為一種新型的燃料，目前已廣泛地用于汽車燃料以及居民生活中。但其發(fā)生泄漏后，會迅速由液相變?yōu)闅庀?，并與空氣在極短時間內(nèi)進(jìn)行混合，遇到微小點火源則可引發(fā)爆炸事故。槽罐車運輸為LPG運輸?shù)闹饕\輸方式，在LPG運輸中占比高達(dá)94%［1］，由于其充裝步驟復(fù)雜等因素，在裝卸過程中易發(fā)生泄漏、爆炸等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

FLACS是GexCon（CMR/CMI）公司開發(fā)的專業(yè)軟件，主要用于復(fù)雜生產(chǎn)區(qū)氣體擴(kuò)散、氣體爆炸及沖擊波的模擬。FLACS在泄漏模擬方面具有權(quán)威性，且氣體擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸等模型已得到全尺寸實驗驗證，同時獲得挪威和俄羅斯等國際權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證［2］，在石油石化、天然氣等高危領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著CFD軟件的開發(fā)，國內(nèi)外越來越多的學(xué)者通過FLACS等流體力學(xué)軟件對泄漏、火災(zāi)爆炸事故開始進(jìn)行定量模擬與分析，但目前多用于LNG泄漏事故的模擬，程康等［3］結(jié)合HAZID確定需要定量分析的場景，依據(jù)失效數(shù)據(jù)庫進(jìn)行概率分析，通過FLACS對水上LNG泄漏事故進(jìn)行數(shù)值模擬分析；HANSEN O R等［4］通過計算LNG蒸氣擴(kuò)散模型各監(jiān)測點處的數(shù)值計算值和實驗值的偏差程度評價了FLACS軟件計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。也有部分學(xué)者利用FLACS進(jìn)行受限空間瓦斯爆炸事故模擬，如羅振敏等［5］利用FLACS對受限空間內(nèi)瓦斯爆炸進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與爆炸實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析；BOTH A L等［6］基于網(wǎng)格模型對CFD軟件進(jìn)行了預(yù)測能力方面的優(yōu)化，用于模擬工業(yè)規(guī)模的瓦斯爆炸場景。在槽車泄漏方面，蘇琳等［7］利用CFD計算模擬了槽車泄漏引發(fā)的流淌性火災(zāi)事故，計算得到火災(zāi)發(fā)展過程和計算區(qū)域內(nèi)的溫度場、熱輻射場分布情況；TOC W等［8］研究了液化石油氣通過通風(fēng)口泄漏至隧道中隱蔽空間的火災(zāi)爆炸危害；YET P I等［9］通過流體動力學(xué)算法分析了液化石油氣儲罐爆炸事故，并估計了相應(yīng)的三維個體風(fēng)險值。

FLACS現(xiàn)階段多用于LNG泄漏、受限空間瓦斯爆炸等事故，與其他擴(kuò)散模型相比，F(xiàn)LACS具有一定優(yōu)勢：①它給出了精確的預(yù)測，并在不同的場景中得到了驗證；②它提出了分布孔隙度的概念，提高了模擬大型復(fù)雜設(shè)備的爆炸或擴(kuò)散模型的計算速度；③建立了完善的湍流模型。本文將在以上研究的基礎(chǔ)上，針對LPG罐車泄漏規(guī)律研究空白的現(xiàn)狀，通過事故仿真模擬，研究風(fēng)速、風(fēng)向以及環(huán)境溫度對于LPG罐車泄漏事故的影響，為事故應(yīng)急救援提供理論參考依據(jù)，減少此類事故發(fā)生。

1 仿真模型建立

1.1 泄漏場景建立

進(jìn)行后果模擬首先需要確定高風(fēng)險場景。通過JSA（工作安全分析）以及BOW-TIE（領(lǐng)結(jié)圖分析），對卸車作業(yè)的環(huán)節(jié)進(jìn)行風(fēng)險辨識，識別卸車作業(yè)中可能出現(xiàn)泄漏的作業(yè)步驟，危險級別最高的事故場景為萬向連接管與罐車接口處連接脫落，通過Bow-Tie分析以頂事件為核心，向前通過事故樹分析方法分析導(dǎo)致該可能發(fā)生的原因及危害，向后通過事件樹分析方法分析在安全屏障失效時可能發(fā)生的后續(xù)危害事件的定性分析方法。確定高風(fēng)險泄漏場景之一為萬向連接管與罐車接口處連接脫落，與臨沂金譽石化LPG泄漏事故原因相似。

1.2 風(fēng)險場景模擬

卸車作業(yè)時萬向連接管與罐車接口處連接脫落的泄漏場景，一般為大孔泄漏，考慮在初始泄漏時立即吸熱揮發(fā)，綜合風(fēng)險辨識結(jié)果，確定10個風(fēng)險場景并進(jìn)行LPG擴(kuò)散模擬。在風(fēng)險場景模擬中，1～3組為風(fēng)速變量模擬，設(shè)定風(fēng)速分別為0 m/s、3 m/s、6 m/s，對比不同時刻的泄漏規(guī)律；4～6組模擬不同風(fēng)向下LPG的泄漏；7～9組為溫度變量模擬，設(shè)定溫度分別為10℃、20℃、30℃，對比不同溫度下的泄漏規(guī)律以及不同高度下LPG擴(kuò)散的濃度分布；第10組進(jìn)行泄漏擴(kuò)散導(dǎo)致的爆炸模擬，分析其各項參數(shù)的影響。其他基礎(chǔ)泄漏參數(shù)見表1。

表1 泄漏狀態(tài)參數(shù)

1.3 CFD仿真

FLACS是一種通用循環(huán)流體力學(xué)模型，由于其擴(kuò)散模塊精確性較高，常用于碳?xì)浠衔飻U(kuò)散和爆炸建模的海陸研究。幾十年來，工業(yè)事故中常用的傳統(tǒng)后果分析方法通常假設(shè)蒸汽云分散在恒定粗糙度的地面上，無法模擬其他障礙物的影響以及濃度的波動，且通常會對危險區(qū)域進(jìn)行過度預(yù)測，預(yù)測偏保守，使仿真精度降低。與其他軟件相比，F(xiàn)LACS能夠考慮到地形和復(fù)雜的障礙物，基于真實的泄漏情況和環(huán)境條件，根據(jù)時間變化模擬真實事故情境下的流體流動，故本研究采用FLACS軟件分析LPG罐車泄漏事故，量化分析罐車周圍的濃度范圍以及擴(kuò)散規(guī)律。

FLACS能夠通過有限體積法求解三維笛卡爾網(wǎng)格上的N-S方程（見式（1）），計算流體動力學(xué)代碼，通過建立描述流體特性的質(zhì)量、動量、能量、湍流動能、燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及組分守恒方程，配合邊界條件計算區(qū)域中的超壓、燃燒產(chǎn)物、火焰速度以及燃料消耗量等變量的值。

2 案例分析

2.1 風(fēng)速變量分析

在實際作業(yè)中，由于LPG罐車露天放置，故在萬向管與罐車連接口脫落導(dǎo)致的擴(kuò)散中，不能忽略風(fēng)的影響。風(fēng)速為3 m/s時擴(kuò)散示意如圖1所示，50 s蒸氣云已擴(kuò)散至距離卸車作業(yè)區(qū)75 m的球罐區(qū)，泄漏110 s時物料已擴(kuò)散至大部分球罐區(qū)域。通過對無風(fēng)時、風(fēng)速為3 m/s和6 m/s時如圖2所示的蒸氣云體積對比可知，隨風(fēng)速增加蒸氣云體積也隨之減少。無風(fēng)時的蒸氣云體積隨時間變化更為明顯，從擴(kuò)散開始蒸氣云體積逐漸增加，在85 s時達(dá)到峰值，接近2 000 m3；而風(fēng)速為3 m/s和6 m/s時蒸氣云體積達(dá)到峰值的時間更短，約為10～15 s，峰值也顯著降低為無風(fēng)時的一半，在達(dá)到體積峰值后隨時間推移上下波動，無明顯變化；風(fēng)速為6 m/s時的蒸氣云體積略低于3 m/s時的體積。在泄漏過程中，截取X軸6.825 m處，Y軸、Z軸范圍分別為（-30，90）、（-2，10），由于LPG密度大于空氣且受到重力作用，物料沿近地面沉降擴(kuò)散，近地面濃度略高于高空濃度。在總趨勢與無風(fēng)時相同的條件下，有風(fēng)時物料濃度要更低；且隨風(fēng)速增加，物料濃度逐漸降低。

圖1 泄漏擴(kuò)散分布示意

圖2 不同風(fēng)速泄漏擴(kuò)散蒸氣云體積對比

2.2 風(fēng)向變量分析

在FLACS模擬中，吹入Y軸負(fù)方向的風(fēng)設(shè)為0°風(fēng)向，吹入X軸負(fù)方向的風(fēng)設(shè)為90°風(fēng)向，故設(shè)置三組風(fēng)向分別為225°、135°、45°的模擬進(jìn)行對比，其中風(fēng)速恒為3 m/s。

在不同風(fēng)向下，受建筑物的阻礙作用，泄漏擴(kuò)散濃度分布與形成的可燃?xì)庠企w積均大不相同。擴(kuò)散距離越大，可燃?xì)庠企w積越小，物料濃度也越低；擴(kuò)散距離越小，可燃?xì)庠企w積越大，物料濃度也越高。選取Z軸為1.82 m時的XY平面，當(dāng)風(fēng)向分別為225°、135°、45°時，60 s時刻物料沿順風(fēng)方向最遠(yuǎn)擴(kuò)散約140 m、89 m、57 m，最高濃度達(dá)到7.12%、7.83%、8.36%，蒸氣云的體積分別為999 m3、1 824m3，2 385 m3（如圖3所示）。當(dāng)風(fēng)向為225°時，順風(fēng)方向受障礙物阻擋較小，故擴(kuò)散距離最遠(yuǎn)且范圍最廣，形成的可燃?xì)庠企w積最?。划?dāng)風(fēng)向為135°、45°時，受邊界條件以及廠區(qū)分布影響，物料擴(kuò)散范圍較小但蒸氣云體積增大。故廠區(qū)建立時，應(yīng)將危險作業(yè)廠區(qū)建立在常年風(fēng)向的下風(fēng)向，且廠區(qū)分布應(yīng)寬敞開闊。

圖3 不同風(fēng)向時可燃?xì)庠企w積

2.3 溫度變量分析

設(shè)置3組不同的環(huán)境溫度參數(shù)：10℃、20℃、30℃，對比其對于擴(kuò)散的影響。如圖4所示，在3種不同的環(huán)境溫度下，LPG濃度隨泄漏擴(kuò)散距離呈衰減現(xiàn)象，但3種溫度下各點的濃度曲線幾乎重合，差異不明顯，故環(huán)境溫度對于LPG擴(kuò)散影響較小。

圖4 不同溫度下LPG濃度變化

2.4 響應(yīng)方式分析

LPG具有微量毒性，對人的神經(jīng)系統(tǒng)具有麻醉作用，若人員急性吸入高濃度LPG且不能立刻脫離環(huán)境，極易窒息、呼吸麻痹或心臟驟停。故在LPG罐車泄漏事故發(fā)生時，采取正確的逃離方式也十分重要。如圖5所示，隨泄漏擴(kuò)散距離增加，不同高度處的LPG濃度都呈現(xiàn)下降趨勢，但在泄漏擴(kuò)散的50 m范圍內(nèi)，距離地表1.7 m處LPG濃度最低，距離地表0.6 m處濃度最高，即在1.7 m高度時物料對人體的危害最小，故在泄漏事故發(fā)生時，應(yīng)保持直立姿態(tài)逃離泄漏區(qū)域。

圖5 不同高度處LPG濃度

3 火災(zāi)爆炸后果分析

可燃?xì)怏w的釋放所造成的損害程度，在某種程度上是云團(tuán)消散的函數(shù)。如果沒有立即點火，可燃?xì)怏w通過結(jié)構(gòu)幾何形狀和通風(fēng)系統(tǒng)的擴(kuò)散，會使得點火延遲。如果滿足氣體的爆炸極限，并提出一個具有足夠能量的火源，則會發(fā)生點火，并產(chǎn)生爆炸。當(dāng)泄漏事故發(fā)生，LPG立即與空氣進(jìn)行混合，遇微小點火源即可引發(fā)爆炸事故。

為控制時間步長，分別設(shè)置CFLC和CFLV為5和0.5。CFLC和CFLV分別是基于聲速和流體流速的參數(shù)，CFLC和CFLV控制每個時間步長中的聲波和流體流的傳播距離，即平均控制體積長度乘以CFLC和CFLV的值。例如，通過設(shè)置CFLC值為5和CFLV值為0.5，在每個時間步長中，壓力將傳播5個網(wǎng)格，而流體流傳播0.5個網(wǎng)格。

模擬出的蒸發(fā)的可燃?xì)庠票▓鼍叭鐖D6所示，點火點設(shè)置在罐車中部，隨風(fēng)向影響火焰蔓延，第40 s時，中間與右邊罐車已經(jīng)全部被火勢包圍。對比如圖7所示的京哈高速LPG泄漏爆炸事故發(fā)生的場景，模擬結(jié)果基本與實際相符合。

圖6 LPG罐車模擬爆炸場景

圖7 京哈高速LPG罐車泄漏爆炸事故

當(dāng)爆炸發(fā)生時，瞬態(tài)氣壓大于周圍的大氣壓的現(xiàn)象，稱為超壓。在這種現(xiàn)象下，爆炸釋放大量能量，可燃?xì)怏w迅速膨脹，使得周圍的氣體被迫壓縮，引發(fā)沖擊波，從爆炸源迅速移動。沖擊波在空氣中的傳播是爆炸造成的大部分損害的來源。根據(jù)模擬結(jié)果分析，爆炸帶來的沖擊波從點火點的位置不斷向外擴(kuò)散，壓力隨著沖擊波的傳遞不斷減小，在點火點處壓力聚集，最高可達(dá)到7 kPa，在該壓力下，玻璃全部破裂，鋼板或鋁板起皺，緊固失效，木板固定失效［10］。該場景下建筑物鋼板、木板失效的最遠(yuǎn)距離為30 m。但在實際場景中，建筑物結(jié)構(gòu)和布置往往要復(fù)雜的多，故實際的最高壓力也會比模擬值要高。

可燃?xì)庠票ǖ暮蠊€包括高溫的影響，10 s時300 K以上的區(qū)域面積接近400 m2，在此范圍內(nèi)人員可能被灼傷；隨時間推移，30 s時2 000 K以上的區(qū)域面積接近200 m2，LPG罐車的主要材質(zhì)鋼在強度和剛度方面也會在高溫環(huán)境下受到影響，LPG罐車處于爆炸的超高溫區(qū)域，可燃?xì)庠谱罡邷囟冗_(dá)到2 274 K，在溫度達(dá)到673 K時，鋼結(jié)構(gòu)的強度會降為原來的二分之一［11］，故在2 000 K高溫的情況下，若無其他的防火措施罐車車體將在極短時間內(nèi)失效變形，失去承載能力而引發(fā)更多的LPG物料泄漏。同時高溫環(huán)境也會破壞廠區(qū)其他設(shè)備的結(jié)構(gòu)，形成二次傷害事故，造成不可挽回的財產(chǎn)損失、環(huán)境破壞以及人員傷亡。

4 結(jié)論

以LPG槽車萬向連接管與罐車接口處連接脫落導(dǎo)致的泄漏場景為例開展研究，得到以下結(jié)論：

1）基于多組對比模擬，得出風(fēng)速、風(fēng)向、溫度對于泄漏擴(kuò)散的影響，隨風(fēng)速增大，蒸氣云體積減少，且有風(fēng)時蒸氣云體積較無風(fēng)時顯著降低；其他條件相同的情況下，有風(fēng)時蒸氣云體積達(dá)到峰值的時間更短，物料濃度更低。

2）不同風(fēng)向下，受建筑物阻礙與邊界限制，擴(kuò)散距離越大，可燃?xì)庠企w積越小，物料濃度越低；擴(kuò)散距離越小，可燃?xì)庠企w積越大，物料濃度越高。危險作業(yè)廠區(qū)應(yīng)建立在常年風(fēng)向的下風(fēng)向，且廠區(qū)分布應(yīng)寬敞開闊。

3）在3種不同環(huán)境溫度下，LPG濃度隨泄漏擴(kuò)散距離呈衰減現(xiàn)象，但環(huán)境溫度對于LPG擴(kuò)散的濃度分布影響較小。發(fā)生泄漏事故時，應(yīng)保持直立狀態(tài)盡快逃離泄漏區(qū)域。

4）發(fā)生火災(zāi)爆炸事故時，超壓對于周圍環(huán)境的影響僅局限于發(fā)生爆炸的一瞬間，且壓力隨沖擊波傳遞不斷減小，該場景下的最大壓力可達(dá)7 kPa，使得玻璃全部破裂，鋼板或鋁板起皺。相比之下，超溫的影響時間更長，熱量傳遞更慢，可造成人員灼傷以及廠區(qū)設(shè)備損壞等后果。