汽油儲罐泄漏擴散三維動態(tài)研究

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(zé)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(xué)石油與天然氣工程學(xué)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(shù)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(fù)雜，一旦汽油泄漏，如遇火源將會引發(fā)火災(zāi)爆炸事故，其產(chǎn)生的熱輻射還會影響鄰近儲罐或輔助設(shè)施，極易引發(fā)事故多米諾效應(yīng)[2]，因此，油庫罐區(qū)蘊藏著巨大安全隱患[3]。

目前，關(guān)于汽油儲罐泄漏擴散問題研究得很少，相關(guān)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(zhì)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(fēng)速、風(fēng)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(fēng)速影響下汽油罐區(qū)的泄漏事故，并預(yù)測災(zāi)害嚴(yán)重程度。

1 建模及求解

1.1 數(shù)學(xué)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(zhì)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(zhì)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(yīng)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(yīng)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(fù)雜，為了簡化計算及分析，做出如下假設(shè)：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(xué)反應(yīng)。

1.2 物理模型

結(jié)合西南管道重慶站、安寧站、瑞麗站和蘭州站的現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)，根據(jù)HG 21502.2--1992 建立10 000 m3立式圓筒形內(nèi)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(nèi)堤腳線的距離，不應(yīng)小于罐壁高度的一半”[17]“油罐組防火堤內(nèi)的有效容積小于油罐組內(nèi)一個最大油罐的公稱容量”，設(shè)定儲罐罐壁距防火堤內(nèi)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(nèi)相鄰甲B 類可燃液體地上內(nèi)浮頂儲罐的防火間距不應(yīng)小于0.4D（D—相鄰較大罐的直徑，m）”，設(shè)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(fēng)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(shè)置計算域長280 m，寬280 m，高55 m，設(shè)置防火堤內(nèi)的區(qū)域為核心區(qū)域，核心區(qū)域網(wǎng)格間距設(shè)置為1。

此外，根據(jù)FLACS 網(wǎng)格設(shè)置原則，要求泄漏口周圍細(xì)分網(wǎng)格面積應(yīng)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(jié)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(shè)置參數(shù)

設(shè)置計算參數(shù)時，風(fēng)向為+x，風(fēng)速入口和出口采用WIND 邊界，其余采用NOZZLE 邊界，風(fēng)速測量點的高度設(shè)為10 m；擴散時間設(shè)為600 s，地面粗糙度設(shè)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(shè)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?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[19]規(guī)定“可燃?xì)怏w探測器距其所覆蓋范圍內(nèi)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?xì)怏w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(shè)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?xì)怏w隨時間變化的濃度及可燃?xì)怏w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(yīng)的值。將模擬值和實驗值進行對比，結(jié)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(jié)果相近。

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

一般設(shè)定實驗值與模擬值誤差在±10%左右，可認(rèn)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?xì)怏w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(jié)果及分析

根據(jù)GB 50493--2019“可燃?xì)怏w的一級報警設(shè)定值應(yīng)小于或等于25%LEL（爆炸下限），可燃?xì)怏w的二級報警設(shè)定值應(yīng)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?xì)庠茲舛任ｋU范圍為0.003 5～0.076 0，本文基于此范圍研究可燃?xì)庠频臄U散，且定義在30 s 內(nèi)可燃?xì)怏w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(fēng)速及溫度下的液池擴展和可燃?xì)庠茢U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(diào)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(fēng)頻率為22%，風(fēng)速達到五級規(guī)定現(xiàn)場人員不能上罐，因此，風(fēng)速分別取無風(fēng)（0）、三級風(fēng)（3.5 m/s）、五級風(fēng)（8.0 m/s）。模擬工況見表3，其中，第1 組為標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)液面的高度差，m；

p1--儲罐內(nèi)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(jié)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(fēng)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(zhì)、熱交換使重氣云團逐漸變大；當(dāng)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?xì)庠剖芟噜弮薜淖钃?，無法攀爬儲罐高度，沿罐體兩側(cè)繞流向下風(fēng)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?xì)庠凭绯龇阑鸬?，沿防火堤兩?cè)擴散。隨著液池和可燃云團擴散范圍增大，罐區(qū)內(nèi)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?xì)怏w探測器在油品泄漏后30 s 內(nèi)報警，根據(jù)在30 s 形成的液池面積大小及可燃?xì)怏w擴散最遠(yuǎn)距離來評價汽油泄漏后的災(zāi)害嚴(yán)重程度。結(jié)合表4 及圖4～圖7 可知，泄漏速率越大，液池及可燃?xì)庠茢U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?xì)怏w最遠(yuǎn)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(jié)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(nèi)，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(jié)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(jié)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(jié)果如圖9 所示，在30 s 內(nèi)，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(fēng)速的影響

圖10～圖13 為單雙罐以風(fēng)速為變量，在工況1、4、5 條件下的模擬結(jié)果，其液池及可燃?xì)庠茢U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(fēng)速越大，液池面積越小。根據(jù)圖12～圖13 可知，風(fēng)速越小，氣云濃度越高，尤其是無風(fēng)時，在600 s 內(nèi)單雙罐區(qū)的可燃?xì)庠凭匆绯龇阑鸬?，整個罐區(qū)充滿了高濃度氣云；隨著風(fēng)速增大，可燃?xì)怏w擴散得越快[23]，云團沿下風(fēng)向擴散距離也變大，但其濃度會被稀釋；當(dāng)風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速的氣云分布（z=0）Fig.13 Gas cloud distribution of different wind speeds in double tank farm（z=0）

結(jié)合表6 及圖10～圖13可知，風(fēng)速較小且穩(wěn)定時，液池擴展面積及可燃?xì)庠茢U散距離最大，危險程度最高。

表6 不同風(fēng)速的液池面積及可燃?xì)怏w最遠(yuǎn)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(fēng)速下，在30 s 內(nèi)，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(jié)果表明風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(nèi)，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(fēng)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(fēng)速8 m/s）Fig.15 Monitoring results of 0.3 m（wind speed is 8 m/s）

表7 不同風(fēng)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(jié)果，其液池及可燃?xì)庠茢U散形態(tài)與不同泄漏速率、風(fēng)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(jié)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?xì)怏w最遠(yuǎn)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(nèi)，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(jié)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(jié)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(jié)果如圖21 所示，在30 s 內(nèi)，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(jié)論

（1）單雙罐區(qū)的液池、氣云擴散形態(tài)與障礙物有關(guān)，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?xì)怏w擴散最遠(yuǎn)距離來評價汽油泄漏后的災(zāi)害嚴(yán)重程度，發(fā)現(xiàn)泄漏速率越大、風(fēng)速較小且穩(wěn)定時，液池及可燃?xì)庠茢U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(fēng)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(jié)合GB 50493--2019 規(guī)定“可燃?xì)怏w探測器距其所覆蓋范圍內(nèi)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?xì)怏w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?xì)怏w探測器應(yīng)設(shè)置在泄漏源附近，高度設(shè)置為0.3 m。