基于FLACS的成品油储罐油气爆炸数值模拟研究.pdf

2023 年第 3 期（总第 9 期）【研发应用】基于 F L A C S的成品油储罐油气爆炸数值模拟研究汪建光(福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350008)摘要：燃烧爆炸事故是对成品油库安全的重要威胁。为探究成品油罐在罐顶破坏后液面挥发产生的油气爆炸在罐区产生的高温和超压的分布规律，文中采用计算流体力学软件 FLACS 对内浮顶汽油储罐在罐顶损毁后的爆炸过程进行了数值模拟。结果表明，罐内油气爆炸会造成油罐内部区域温度急剧升高，但储罐外部区域温度上升不明显；由于开敞状态有利于泄压，油气爆炸在储罐内外产生的超压都比较小，不足以对设备和人员造成损伤；当油气浓度大到一定程度时，由于空气量不足，最大超压反而降低。关键词：成品油；储罐；爆炸；超压；高温Numerical Simulation of Oil and Gas Explosion in Refined Oil Storage Tank Based on FLACS WANG Jianguang(Fujian Boiler and Pressure Vessel Inspection and Research Institute,Fuzhou 350008,Fujian,China)Abstract:Combustion and explosion accidents are an important threat to the safety of refined oil depots.In order to explore the distribution law of high temperature and overpressure in the tank area caused by the oil and gas explosion caused by the volatilization of the liquid surface of the product oil tank after the tank top is destroyed,this paper uses the computational fluid dynamics software FLACS to analyze the internal floating roof gasoline storage tank after the tank top is damaged.The explosion process was numerically simulated.The results show that the oil and gas explosion in the tank will cause the temperature of the inner area of the oil tank to rise sharply,but the temperature increase of the outer area of the storage tank is not obvious;because the open state is conducive to pressure relief,the overpressure generated by the oil and gas explosion inside and outside the storage tank is relatively small,which is not enough to cause damage to equipment and personnel;when the oil and gas concentration is large to a certain extent,due to insufficient air volume,the maximum overpressure is reduced instead.Key Words:Refined oil;Storage tank;Explosion;Overpressure;High temperature收稿日期：2022-08-19作者简介：汪建光，男，福建省锅炉压力容器检验研究院，石化设备检验中心主任，高级工程师0 引言成品油库担负着接收、储存和发放石油产品的任务，是成品油供应和运输的纽带，是整个油气储运产业链条的重要环节1。储罐是储存各类油料的主要装置，保障油罐安全是油库生产运行的重要任务。由于储存介质的危险性，储罐火灾爆炸事故不时发生，造成巨大的经济损失和人员伤亡。2005年 12 月 11 日，英国邦斯菲尔德油库发生火灾爆炸事故，烧毁大型储罐 20 余座，43 人受伤，直接经济损失高达 2.5 亿英镑2。2010 年 7 月 16 日，大连市新港码头的大连中石油国际储运有限公司油库输油管线发生爆炸，造成 10 万 m3的原油储罐起火，地面流淌火面积达 6 万余平方米，码头海面火场面积 1 万多平方米，造成直接财产损失为 22330余万元3。罐顶是储罐发生爆炸事故时最容易受到破坏的部位。据统计，在所有的储罐爆炸破坏中，罐顶的破坏占总数的 72.2%4。罐顶被破坏后罐内油品直接与大气接触，容易进一步形成爆炸性气体空间。高建丰等5采用 lm3的密闭储罐开展油气爆炸实验，并进行数值模拟。罗艾民等6研究环形密闭空间内蒸气云爆炸的超压波，对外浮顶罐二次密封形成的环形空间内发生的爆炸冲击研究具有一定参考意义。赵军凯等7对方形管道内气体爆炸过程进行数值模拟，研究温度、压力和火焰传播速度的变化规律。罗振敏等8采用FLACS 软件对受限空间瓦斯爆炸过程进行数值模拟，并与实验结果进行验证。目前，储罐燃烧爆2023 年第 3 期（总第 9 期）【研发应用】炸领域的研究主要针对罐内密闭空间油气爆炸，对罐顶破坏后开口条件下油库燃烧爆炸的研究相对较少，无法支撑对储罐燃烧爆炸毁伤附近人员及设施的评估9。对此，文中采用计算流体力学软件 FLACS，研究内浮顶汽油储罐在罐顶损毁后发生燃烧爆炸事故时的高温、超压分布规律，并进一步分析油气浓度、氧气浓度、点火能量、点火位置等因素对爆炸过程的影响。1 控制方程采用基于总能量方程的 RNG湍流模型模拟储罐顶部开口条件下油气爆炸的湍流流动，控制方程主要有质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分输运方程、方程和 方程10：质量守恒方程：动量守恒方程：能量守恒方程：组分输运方程：方程：方程：式中，为气体密度，kg/m3；为气体流速，m/s；为气体压强，P；为能量，J；为输运特性中的湍流耗散率；为时间，s；，为坐标轴方向；为组分质量分数；为有效扩散系数；为耗散项；为湍流脉动动能；和为随湍流流场变化的系数；为流动黏度；为速度梯度引起的湍流动能 的产生项；为由浮力引起的湍动能 的产生项；为考虑流场可压缩性的修正项；为湍流动能耗散率；和均为经验常数，=1.42，=1.68；为方程受浮力影响程度的系数。2 仿真模型2.1 物理模型如图 1 所示，罐区有六个大型内浮顶罐，用于储存汽油。单个储罐容量为 50000m3，直径为60m，罐总高为 19.3m。罐体之间距离为 30m，与防火堤距离为 14m，防火堤高度为 2m；各储罐设有隔堤，高度为 0.5m。图 1 罐区布置示意图2.2 FLACS 模型假设 2#储罐液位高度为 8m，在雷击事故中拱顶及内浮顶塌陷沉没，汽油液面直接暴露于大气，形成直径为 60m 的液池。由于汽油蒸发，在液池上部形成了油气空间。共设置 9 个监测点，各监测点位置如图 1 所示（M1 M9）。其中，M1 M4 监测点在储罐内部，高度与储罐总高齐平；M1 M3监测点距离罐壁 20cm；M4 监测点在储罐中心位置处；M5 M9 监测点在储罐外，高度距离地面1.6m，此高度与人面部距地面高度一致，风速假设为 1.5m/s。2.3 参数设置及网格划分假设大气温度为 20，气压 100 kPa，重力加速度设置为 9.8 m/m2，边界条件中，z 轴入口方向设置为“EULER”，出口方向设置为“WIND”，其他方向设置为“PLANE_WAVE”。用自定义爆炸气体云团，处于罐内汽油液面之上。假设雷击导致产生电火花引燃烃蒸汽云团，点火位置靠近储罐右侧边缘。烃蒸汽组分比例：乙烷 5%，丙烯 7%，丙烷25%，丁烷 47%，戊烷 16%，油气浓度为 3.33%。整个模拟空间划分为 1702800 个网格进行计算。3 结果与讨论3.1 温度场变化规律油品挥发出来的烃蒸汽遇到点火源立刻发生快速的化学反应，并释放出大量热量，使周围区域压力和温度迅速上升。这一过程属于三维开敞无约束空间的爆燃过程。图 2 给出了烃蒸汽云团被雷击电火花点燃后温度场的发展过程。在爆燃初始阶段（=3.087s），点火源周围可燃气体首先发生化学反应，火焰处于层流燃烧阶段。随着参与反应的可2023 年第 3 期（总第 9 期）【研发应用】燃气云范围的增大，层流燃烧火焰逐渐变为湍流燃烧火焰，化学反应逐渐加剧，火焰不稳定性增加，高温区域范围增大，温度分布逐渐不均（=10.381s）。约 17s 后火焰扩展到整个储罐液面以上。图 2 烃蒸汽云团被雷击电火花点燃后温度场变化过程笔者统计了爆炸发生后各监测点的最高温度。2#油罐内部监测点（M1 至 M4 监测点）温度发生剧烈变化，最高温超过 2200，说明爆炸释放的大量热量可能对罐内设施产生严重的高温破坏。而罐外监测点（M5 至 M9 监测点）的温度升高幅度有限，温升均不超过 1。由于爆炸发生的时间极短，加上罐壁的隔离作用，储罐外部区域所受到的热辐射总量不高，因此距离储罐外区域温度上升不明显。3.2 最大超压分布规律表 1 给出了各监测点的最大超压值。罐内油气发生爆炸后，各监测点处的超压并不大，最高仅为 1.55 kPa（M2 监测点），远低于可能导致人体受轻微伤的超压阈值 20 kPa。这是由于储罐罐顶损坏，处于开敞状态，有利于爆炸泄压。尽管各监测点处超压均不大，但依然呈现出距离爆炸油罐越远超压越小的规律，这种趋势与爆炸后温度变化规律是一致的。此外还可以看出，储罐外监测点最大超压在0.2 kPa左右，远低于罐内监测点的1kPa左右，这也是由于罐壁的阻隔作用造成的。表 1 2#储罐发生气云爆炸后各监测点最大超压3.3 油气浓度对超压的影响可燃气体浓度是气体燃烧爆炸过程的重要影响因素，只有可燃气体浓度在其燃烧极限内时才可能发生燃烧爆炸。选择 M5 监测点分析油气浓度对爆炸超压的影响，结果如表 2 所示。可以看出，燃爆超压并不随着油气浓度增加而增大。当燃料-空气当量比大于 1 时，可燃混合气中所含实际空气量少于所必需的理论空气量，即空气量不足，因此监测到的最大超压随之显著降低。表 2 M5 监测点监测到的最大超压随油气浓度的变化 燃料-空气当量 1 1.5 2 2.5 最大超压（kPa）0.22 0.21 0.07 0.084 结论为探究成品油罐区燃烧爆炸事故的温度和超压分布规律，为事故毁伤后果评估提供依据，文中采用计算流体力学软件 FLACS 对由 6 个 50000 m3内浮顶罐组成的汽油罐区发生的燃烧爆炸事故进行了模拟，事故由于罐顶破坏，浮盘下沉，油气挥发形成爆炸云团后被电火花引燃而发生。研究结果表明：由于爆炸发生的时间极短，加之罐壁阻隔，储罐外部区域所受到的热辐射总量不高，因此只有发生爆炸的储罐内部温度急剧升高，储罐外部区域温度上升不明显；由于储罐罐顶损坏，处于开敞状态，有利于爆炸泄压，因此罐内油气发生爆炸后各监测点处的超压并不大，最高仅为 1.55kPa，远低于可能导致人体受轻微伤的超压阈值 20kPa；当油气浓度较大时，由于空气量不足，监测到的最大超压显著降低。参考文献1许行.油库设计与管理M.北京:中国石化出版社.2009.2 杨洪丽,王志斌,陈宏普,等.国外某油库爆炸事故教训的思考J.石油库与加油站,2017,26(3):33-36.3 苗国典,李红旗.大连“716”油库爆炸火灾扑救难点及经验启示J.武警学院学报,2010,26(10):23-26.4李思成,杜玉龙,张学魁,等.油罐火灾的统计分析J.消防科学与技术,2004,23(2):117-121.5 高建丰,杜扬,蒋新生,等.模拟油罐油气混合物爆炸实验与数值仿真研究 J.后勤工程学院学报,2007,23(1):79-83.6 罗艾民,李万春,吴宗之,等.扁平圆环局限空间蒸气云爆炸数值模拟及其在事故调查中的应用 J.中国安全科学学报,2008,18(1):95-99 监测点 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9最大超压 0.97 1.55 1.19 1.31 0.21 0.21 0.19 0.13 0.16（kPa）下转（第61页）2023 年第 3 期（总第 9 期）【工作探讨】5 结论文中研制的动态扭矩测量仪依照 JJF 1610-2017电动、气动扭矩扳子校准规范相关要求进行设计，该动态扭矩测量仪较好地解决了扭矩仪采样频率不高和测量精度低的难题，其配备的动态扭矩测量仪可高速采集扭矩信号，将有效提高工作效率，为电动扭矩扳子的高精度测量提供有效的技术支撑。参考文献1 义婷.电动扭矩扳子检定装置研究 J.计量与测试技术.2018,(7):98-100.2 严飞,高少云,明家辉,刘成君.智能化便携式电动扭矩扳手的组成及研制J.中文科技期刊数据库（引文版）工程技术.2021,(7):113-113.3 冯天宇.电动扭矩扳子检测方法与数据处理 J.品牌与标准化.2019,(1):37-39,42.4 易军.电动、气动扭矩扳子示值误差校准不确定度评定J.电子产品可靠性与环境试验.2020,(6):72-74.5JJF 1610-2017 电动、气动扭矩扳子校准规范 S.6JJG 797-2013 扭矩扳子检定仪检定规程 S.上接（第53页）实施民宿服务认证奠定了基础。文中构建的民宿服务质量评价指标是否有全国适用性，仍需在实践中进一步检验。后续若有机会，将在其它区域的民宿服务质量评价和民宿服务认证工作中加以运用，以获取更多评价样本，不断完善该评价指标体系。参考文献1 文化和旅游部.关于实施旅游服务质量提升计划的指 导 意 见 EB/OL.http:/ 国家认监委.服务认证体验周-宣传片 EB/OL.https:/ 全国旅游标准化技术委员会.全国甲级、乙级旅游民宿评定结果公示 EB/OL.https:/ 湖州市市场监督管理局.德清将在全国率先启动乡村民宿服务认证 EB/OL.http:/ 赵伟.彭州市开展民宿服务认证 EB/OL 深圳市市场监督管理局.DB4403/T212019民宿服务规范EB/OL.http:/ 赵军凯,王磊,滑帅,曹旭.瓦斯浓度对瓦斯爆炸影响的数值模拟研究J.矿业安全与环保,2012,39(4):1-4+92.8 罗振敏,苏彬,程方明,张娟.基于 FLACS 的煤矿巷道截面突变对瓦斯爆炸的影响数值模拟J.煤矿安全,2018,49(1):183-186.9 王世茂,杜扬,张少波,张培理.顶部开口条件下油罐油气爆炸数值模拟 J.后勤工程学院学报,2015,31(4):51-56.10 王志强.立式储油罐油气爆炸数值模拟研究 J.油气田地面工程,2022,41(1):43-47.上接（第42页）10 段志祥,石坤,李邦宪,陈祖志,刘东学,马源.储气井疲劳试验和爆破试验研究 J.中国特种设备安全,2014,30(10):15-18.11 陈祖志,石坤,李邦宪,韩红伟,崔高宇,陈耀华,李文波.储气井损伤模式 J.化工设备与管道,2013,50(01):20-24.12 石油天然气工业 油气井套管或油管用钢管:GB/T 19830-2017.S.13 储气井工程技术规范:SH/T 3216-2020S.上接（第30页）