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

摘 要

摘要：有關(guān)液化石油氣(LPG)儲(chǔ)罐火災(zāi)爆炸的研究，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)池火環(huán)境下LPG儲(chǔ)罐的熱響應(yīng)規(guī)律開(kāi)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FLUE
摘要：有關(guān)液化石油氣(LPG)儲(chǔ)罐火災(zāi)爆炸的研究，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)池火環(huán)境下LPG儲(chǔ)罐的熱響應(yīng)規(guī)律開(kāi)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(guó)HSE管理局現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(shì)，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。
關(guān)鍵詞：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(duì)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(duì)流和熱輻射。池火情況下對(duì)流傳熱系數(shù)相對(duì)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(guó)內(nèi)外研究者對(duì)池火環(huán)境下LPG儲(chǔ)罐的熱響應(yīng)規(guī)律開(kāi)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(guò)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(duì)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?；馂?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(guò)建立合理的物理模型和數(shù)學(xué)模型，用FLUENT軟件對(duì)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(duì)象與模型處理
1.1 模擬對(duì)象
    英國(guó)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1694mm，體積為10.25m3。具體參數(shù)見(jiàn)表1。
 

1.2 網(wǎng)格劃分
    利用FLUENT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(duì)稱(chēng)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120000。
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(guò)對(duì)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(duì)流傳熱系數(shù)很小。壁面的熱邊界條件選用對(duì)流和熱輻射混合作用。熱輻射溫度為火焰溫度，對(duì)流傳熱系數(shù)[5]按下式計(jì)算：
    hc=4.6×5.678(2.338/D)0.195
式中hc為對(duì)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(guò)程和儲(chǔ)罐壁溫響應(yīng)過(guò)程。由圖1可見(jiàn)，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(duì)流換熱系數(shù)很小，主要依靠熱輻射作用傳熱；在300s左右，儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力上升至安全閥的開(kāi)啟值1.41MPa。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(jiǎn)化的火焰輻射模型難以與真實(shí)火焰對(duì)儲(chǔ)罐外壁的加熱條件達(dá)到完全一致。
 

    圖3、4分別為氣相介質(zhì)和液相介質(zhì)的溫度響應(yīng)過(guò)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50mm處的介質(zhì)溫度，液相取距離儲(chǔ)罐底部200mm處介質(zhì)的溫度。由圖3和圖4對(duì)比可知，液相介質(zhì)的溫度升高較氣相介質(zhì)緩慢，300s內(nèi)氣相介質(zhì)和液相介質(zhì)的溫度分別升高了63K和11K。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(guò)熱后會(huì)通過(guò)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。
 

2.2 溫度場(chǎng)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(shì)。本文所模擬的LPG儲(chǔ)罐的初始充裝率為72%，對(duì)應(yīng)的氣液分界面位于距儲(chǔ)罐頂部540mm處。可見(jiàn)，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(shuō)明氣相除了通過(guò)相變吸熱外，還通過(guò)氣相壁面吸收輻射熱量；另外，在距離儲(chǔ)罐頂部1350mm以下的液相區(qū)，介質(zhì)溫度降低明顯，說(shuō)明過(guò)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。

2.3 影響因素分析
    圖6為池火條件下不同充裝率對(duì)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507s、535s、597s、621s?？梢?jiàn)，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。總之，不同充裝率的LPG儲(chǔ)罐受池火侵襲破壞的時(shí)間范圍為500～620s。
    利用FLUENT軟件對(duì)處于池火災(zāi)環(huán)境下的LPG儲(chǔ)罐熱響應(yīng)過(guò)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(shì)，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(guò)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。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：畢明樹(shù) 趙博 車(chē)威 大連理工大學(xué)化工學(xué)院)