池火環(huán)境下液化石油氣儲罐響應(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儲罐的熱響應(yīng)規(guī)律開展了大量的實驗研究和數(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儲罐的熱響應(yīng)規(guī)律開展了大量的實驗研究和數(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儲罐熱響應(yīng)模型，以英國HSE管理局現(xiàn)場實驗的臥式LPG儲罐為例進行了三維數(shù)值模擬，計算結(jié)果與實驗實測結(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儲罐失效是由介質(zhì)溫度升高導(dǎo)致的儲罐內(nèi)介質(zhì)壓力升高和氣相區(qū)壁溫升高導(dǎo)致的材料強度下降共同引起的。
關(guān)鍵詞：液化石油氣；儲罐；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儲罐爆炸的主要原因。根據(jù)火焰對儲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薇趥鳠岬姆绞綖閷α骱蜔彷椛洹３鼗鹎闆r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儲罐內(nèi)部的熱響應(yīng)規(guī)律是分析、控制LPG儲罐爆炸事故的前提[1]。
    國內(nèi)外研究者對池火環(huán)境下LPG儲罐的熱響應(yīng)規(guī)律開展了大量的實驗研究和數(shù)值模擬工作。淮秀蘭[2]等人將儲罐內(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個區(qū)進行數(shù)值模擬，Eulalia Planas Cuchi[3]研究了隨時間和空間(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、儲罐大小等因素對LPG儲罐熱響應(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。本文擬通過建立合理的物理模型和數(shù)學(xué)模型，用FLUENT軟件對池火環(huán)境下的LPG儲罐熱響應(yīng)規(guī)律進行三維數(shù)值模擬計算，分析池火環(huán)境下LPG儲罐的熱響應(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)管理局進行了LPG儲罐遭受池火的實驗。所用儲罐直徑為1694mm，體積為10.25m3。具體參數(shù)見表1。
 

1.2 網(wǎng)格劃分
    利用FLUENT前處理軟件GAMBIT建立了儲罐模型和網(wǎng)格劃分。根據(jù)圓筒形儲罐的對稱性，取圓筒形儲罐的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儲罐受到外部池火作用時，火焰與儲罐壁通過對流和熱輻射兩種方式進行傳熱，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]按下式計算：
    hc=4.6×5.678(2.338/D)0.195
式中hc為對流傳熱系數(shù)；D為儲罐直徑，m。
2 計算結(jié)果與分析
2.1 有效性驗證
圖1、2所示分別為儲罐內(nèi)部壓力響應(yīng)過程和儲罐壁溫響應(yīng)過程。由圖1可見，池火災(zāi)作用下，儲罐壓力上升速度比較慢，原因在于均勻的池火與儲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300s左右，儲罐內(nèi)部壓力上升至安全閥的開啟值1.41MPa。圖2顯示儲罐最大壁溫的上升速度逐漸加快?？傮w而言，圖1、2顯示的模擬值與實驗值基本吻合，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火焰對儲罐外壁的加熱條件達到完全一致。
 

    圖3、4分別為氣相介質(zhì)和液相介質(zhì)的溫度響應(yīng)過程，計算值與實驗值吻合較好，最大誤差分別為4.5%和4%。其中，氣相取距離儲罐頂部50mm處的介質(zhì)溫度，液相取距離儲罐底部200mm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，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小于液相的[2]；另一方面液相介質(zhì)過熱后會通過相變將熱量轉(zhuǎn)化到氣相，使得液相介質(zhì)本身儲存的熱量較少。
 

2.2 溫度場分布
    圖5所示為儲罐內(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儲罐的初始充裝率為72%，對應(yīng)的氣液分界面位于距儲罐頂部540mm處?？梢?，氣相溫度明顯高于液相，且距離液面越遠氣相溫度越高，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，在距離儲罐頂部1350mm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。

2.3 影響因素分析
    圖6為池火條件下不同充裝率對儲罐失效時間的影響。圖中顯示，4種充裝率的儲罐在池火作用下的失效時間分別為507s、535s、597s、621s。可見，池火災(zāi)作用下，充裝率越高，儲罐失效時間越短。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儲罐受池火侵襲破壞的時間范圍為500～620s。
    利用FLUENT軟件對處于池火災(zāi)環(huán)境下的LPG儲罐熱響應(yīng)過程進行了數(shù)值模擬，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合。得出以下結(jié)論：
    1) 池火環(huán)境下儲罐內(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) 儲罐升壓速率隨著充裝率的增大而增大。
    3) 池火作用下，LPG儲罐失效受到兩個因素控制，一是介質(zhì)溫度升高導(dǎo)致的儲罐內(nèi)介質(zhì)壓力升高，二是氣相區(qū)壁溫升高導(dǎo)致的強度下降。兩條曲線的交叉點即為儲罐的失效點。儲罐內(nèi)介質(zhì)的充裝率越高，儲罐失效時間越短。
參考文獻
[1] BIRK A M，CUNNINGHAM 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，1996(1)：24-29.
[3] EULALIA PLANAS-CUCHI，JOAQUIM 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)會第七屆熱能與熱工學(xué)術(shù)會議論文集：北京科技大學(xué)專輯.無錫：中國金屬學(xué)會，1993：46-51.
 
(本文作者：畢明樹 趙博 車威 大連理工大學(xué)化工學(xué)院)