非均勻受熱液化石油氣儲罐壓力響應及閥門動作模擬

管　屏,　單彥廣,　江　偉,　曾晨崗

(1.上海第二工業大學 電子與電氣工程學院,上海　201209; 2.上海理工大學 能源與動力工程學院,上海　200093)

?

非均勻受熱液化石油氣儲罐壓力響應及閥門動作模擬

管屏1,單彥廣2,江偉2,曾晨崗2

(1.上海第二工業大學 電子與電氣工程學院,上海201209; 2.上海理工大學 能源與動力工程學院,上海200093)

摘要：建立了火災環境下液化石油氣儲罐內壓力響應及閥門動作過程的數學模型,模擬了裝載丙烷的水平圓柱形儲罐在裝料比為41%時非均勻受熱環境下儲罐內的壓力變化及閥門動作過程,預測了裝料比為41%時儲罐裝料質量、閥門泄放率及壁面溫度的變化規律.將計算結果和實驗結果進行了對比,吻合良好.結果表明,閥門打開期間,壓力的上升及儲罐壁經受高溫是導致儲罐爆炸的主要因素.

關鍵詞：液化石油氣儲罐; 壓力響應; 閥門動作

工業液化氣儲罐在機械、化學和熱作用下失效導致的火災爆炸是工業生產過程中常見的重大災害事故之一[1-2],其中,因熱作用引發的工業液化氣儲罐火災爆炸事故占此類事故一半以上,因此,研究液化氣儲罐的熱響應規律及泄漏引起的火災事故發生發展過程和危害結果,對于預防及控制儲罐火災爆炸事故具有重要意義.國內在儲罐內熱響應研究方面,淮秀蘭等[3-4]最早對液化石油氣(LPG)儲罐在池火和噴射火情況下的熱響應進行了模型研究.此外,刑志祥等[5]進行了噴射火焰下LPG儲罐現場模擬,推導了LPG各組分的飽和蒸氣壓力與溫度的關系式[6].趙博等[7]模擬了3種火焰環境下LPG儲罐的熱響應,分析了不同因素對立式LPG儲罐熱響應的影響[8].弓燕舞等[9-10]研究了熱分層區對LPG儲罐熱響應及分層增壓過程的影響.俞昌銘等[11-13]根據已有實驗數據和模型分析結果,討論了儲罐泄漏火災及BLEVE爆炸機理.這些研究為分析液化氣儲罐火災爆炸事故發生機理,預防火災及火災發生后的危害管控提供了理論依據.

儲罐處于火焰包圍或承受局部強烈熱沖擊時,儲罐內壓力會迅速升高,在壓力升至安全閥打開壓力時,閥門打開釋放出部分氣液兩相混合物,以緩解容器內不斷升高的壓力負荷.但是,通過安全閥釋放的液化氣在遇火點燃后,反過來加重了對儲罐的熱沖擊,勢必進一步增加容器的壓力負荷.由于儲罐內液面隨閥門的打開和關閉而不斷漲落,儲罐壁經歷著劇烈的溫度變化,產生很大的熱應力,同時,儲罐材料在高溫下軟化,這些因素綜合作用下很容易導致容器破裂甚至爆炸,誘發蒸氣爆炸現象[11-12].其中,儲罐受熱初期壓力的變化和安全閥門的動作是決定后續結果的關鍵因素.根據文獻調研,尚未見在火災環境下針對LPG儲罐安全閥特性分析儲罐內壓力及溫度響應的文獻.本文在分析儲罐內外傳熱傳質過程的基礎上,針對儲罐安全閥建立了物理數學模型,對閥門打開前后裝有丙烷的水平圓柱形儲罐在非均勻受熱環境下的壓力變化和閥門動作規律進行了數值模擬,預測了裝料比為41%時儲罐裝料質量、閥門泄放率及壁面溫度的變化過程,并與有關實驗結果進行了對比,結果吻合良好.

1儲罐蒸氣區傳熱傳質模型

液化氣儲罐在火災環境下的傳熱傳質按區域可分為三部分:儲罐內介質(丙烷)、外部火焰環境及將兩者分開的儲罐壁和安全閥,如圖1所示.其中,火焰與儲罐之間的非均勻對流和輻射換熱、儲罐壁溫度場計算以及儲罐內液相區的傳熱傳質過程可參見文獻[3-4,14].本文重點討論儲罐內蒸氣區傳熱傳質、壓力響應以及閥門動作過程.

圖1　加熱初期和加熱后期儲罐內各區示意圖

蒸氣區被與它接觸的儲罐壁和氣液交界面所包圍,通過閥門與外部環境相聯系,其質量平衡關系為[4]

(1)

能量平衡關系為

(2)

(3)

即儲罐內壁面通過輻射傳遞給氣液交界面的熱量Qwl直接被用于液體蒸發,同時液體區從儲罐壁獲得的熱量Ql一部分(η1為比例系數)也用于液體蒸發.Hl為液體的焓.

在閥門第一次打開以后,由于分層區產生大量氣泡,蒸發量則按下式計算:

(4)

(5)

式中:Ml為液體質量;Hls為飽和液體的焓;η2為可調節參數,代表液體多于飽和態的焓用于液體蒸發的比率.

在以上計算中,需要確定儲罐內壁以自然對流方式傳遞到蒸氣區的熱量Qv、通過輻射傳遞給氣液交界面的熱量Qwl以及液體區和儲罐壁的換熱量Ql.蒸氣區內壁可以用垂直壁面與水平壁面(熱壁面在上,冷流體在下)兩種形式來近似計算內壁各處的自然對流換熱系數,從而獲得Qv.Ql則依據不同加熱階段壁面與液體區溫差的大小,利用大容器沸騰換熱計算獲得.Qwl的計算式為

(6)

式中:Tw為氣相壁面的溫度;Tsat為液體自由表面溫度;Aw,Al分別為氣相壁面的面積和液體自由表面的面積;Fw-l為角系數;εw,εl分別為氣相壁面和液體自由表面的發射率.

蒸氣區內的溫度Tv是規律分布的,將蒸氣區的平均溫度看作是蒸氣區質量中心處的溫度,假定在蒸氣區內沿高度方向從氣液交界面到容器頂部的溫度呈線性分布.已知氣液交界面溫度為Tsat,可求得容器頂部的溫度

(7)

式中:Yi,Yc分別為液面高度和蒸氣區質量中心高度(相對于圓心位置),Yc通過平面圖形重心坐標公式確定;R為圓半徑.

2閥門模型

安全閥門的開關取決于儲罐內蒸氣區的壓力變化,而儲罐內蒸氣區壓力是由儲罐內傳熱傳質過程決定的.為了同實驗結果進行比較,模型中使用了文獻[15-16]中使用的兩種閥門.從建立數學模型的角度出發,這兩種閥門可簡化為圖2所示的模型.流體實際流過閥門的有效面積

(8)

式中:Aoe為垂直方向的閥門流通面積;Cd為流量系數;Ax為流體沿圓周流經的截面積.

(9)

式中:Ds為閥門截面直徑;x1為閥門彈簧的壓縮距離,它是隨蒸氣壓力變化的.

圖2　實驗儲罐使用閥門簡圖

在實際計算中,

(10)

式中:Axmax為對應彈簧最大壓縮距離時的Ax;p為儲罐內壓力.

(11)

(12)

式中:K為彈簧常數;As為與Ds對應的面積(見圖2);ps為壓力.

(13)

式中:pset為設定壓力;pset1為實際開啟壓力;pset2為實際關閉壓力;C1取為1.1;C2取為0.8.

當壓力p>pset1時,閥門打開;p

流過閥門的流量

(14)

式中:ρ為流出閥門流體的密度;r為計算流體流過閥門的速度的修正系數.

需要指出的是,若液面高度接近閥門,當閥門打開時,有可能把液體直接吸出閥門,這個液面到閥門的臨界距離hb按下式計算:

(15)

3儲罐壓力模型

實際儲罐內的壓力分布是不均勻的,要考慮液相介質的質量.在實際計算儲罐內壓力時,假定壓力是均勻分布的且等于蒸氣區的壓力.儲罐蒸氣區壓力可通過修正后的理想氣體狀態方程獲得[4].

p=zρvRTv

(16)

式中:z為氣體壓縮因子,其值取決于蒸氣的壓力和溫度,高溫時(大于等于1 000 ℃),氣體接近理想氣體,可視z=1,一般情況下z<1;ρv通過蒸氣區傳熱傳質分析獲得.

4模擬結果及實驗對比

本文模擬了裝料比為41%丙烷的水平圓柱形儲罐在非均勻火焰加熱下儲罐內的壓力變化及閥門動作過程,并與英國健康與安全署所做中型現場實驗的結果進行對比.計算和實驗條件如表1所示[15].

表1　英國健康與安全署現場實驗參數

圖3是裝料比為41%的儲罐內壓力隨時間的變化過程.模型預測的閥門第一次打開時間以及在閥門打開后儲罐壓力的下降過程與實驗結果吻合良好.由圖3中的壓力變化曲線可以看出,由于外部火焰對儲罐的持續加熱,儲罐內蒸氣區溫度不斷升高(如圖4所示).根據確定儲罐內壓力的方程(16)可知,此時儲罐內壓力近似線性地增加.除此之外,外部加熱還使液相介質通過蒸發進入蒸氣空間,導致壓力持續升高.到達閥門設定的打開壓力時(1.87 MPa)閥門打開,儲罐內氣液兩相混合物經閥門向外噴出,導致蒸氣區蒸氣質量減少,部分液相介質在噴出閥門時迅速氣化,吸收大量熱量,所以,蒸氣區溫度也有所下降.相應地,儲罐內壓力下降.理論上,由于氣液兩相介質持續經閥門向外噴出,儲罐內壓力應持續下降,到達閥門關閉壓力時閥門關閉.但從圖3可以看出,儲罐內壓力并未下降到設定的關閉壓力(1.36 MPa),即在閥門打開的情況下,儲罐內壓力在下降到1.7 MPa左右后重新開始上升，這主要是由兩方面的原因導致的：一方面,閥門打開導致儲罐內蒸氣區壓力迅速下降,使得氣液界面處飽和狀態的液相介質處于過熱狀態,迅速沸騰氣化,產生大量蒸氣進入蒸氣區，而蒸氣區通過閥門噴出的氣體質量小于沸騰氣化輸送到蒸氣區的氣體質量,所以,導致壓力在閥門打開的情況下由降轉升;另一方面,液相區上部氣液交界面處由于過熱劇烈沸騰氣化,會形成氣液兩相混合物,導致液面快速上升,壓縮儲罐蒸氣空間,使儲罐內壓力升高.在以上兩個因素作用下,閥門打開引起的儲罐內壓力下降小于由于蒸氣區氣體質量增加和被壓縮引起的壓力上升,從而導致儲罐內壓力止降反升.從圖3可以看出,這種情況下儲罐內壓力甚至可以上升到超過安全閥設定的安全壓力，因此,閥門打開情況下壓力上升是外部火災環境下引起儲罐爆炸的重要原因之一.

圖3　41%儲罐壓力變化過程

圖4　容器內介質溫度變化

圖5是模型計算及實驗所得非均勻受熱儲罐外壁面高溫側和低溫側不同位置的溫度變化,圖5中的數字為實驗中儲罐外壁各測點的位置.從閥門處開始(閥門處為0°)按順時針方向分布(圖1),分別為45,90,135,225,270,315°,光滑實線為對應位置計算結果.從圖5中可以看出,暴露在蒸氣空間的儲罐壁溫度(0,45,90,270,315°)顯著高于被液相介質覆蓋的儲罐壁溫度(135,225°)，這是由于液體和壁面之間的對流換熱遠大于蒸氣和壁面之間的換熱,即液相區覆蓋儲罐壁起到了冷卻作用.從圖5可知,實驗和計算的蒸氣區儲罐壁最高溫度都超過700 ℃,而制造儲罐的材料當溫度超過400 ℃時,其屈服強度會顯著降低,因此,很容易導致蒸氣區罐壁失效而引起儲罐爆炸.

圖5　儲罐高溫側與低溫側外壁不同位置溫度變化

圖6是儲罐裝料質量隨時間的變化過程.從圖6中可以看出,在加熱初期,由于儲罐內液相介質的蒸發,蒸氣質量隨著加熱的進行不斷增加.當閥門第一次打開時(加熱進行到120 s左右時),氣液兩相介質開始從閥門排放,儲罐裝載總質量持續下降,而蒸氣質量剛開始有所下降,后來又開始回升,這主要是因為外部加熱及閥門泄放導致儲罐內壓力下降,使得靠近液面的液體過熱氣化所致.對應于圖7儲罐閥門泄放率可以看出,在閥門打開時,閥門泄放率由零突變為對應情況下的閥門泄放率,并在后續加熱過程中緩慢升高,這與圖3中閥門打開后壓力回升及圖6中蒸氣質量的變化是一致的.

圖6　儲罐裝料質量變化

圖7　儲罐閥門泄放率變化

5結論

對非均勻受熱火災環境下裝料比為41%丙烷的水平圓柱形儲罐內的壓力響應及閥門動作進行了模擬,預測了儲罐內裝料質量、閥門泄放率及壁面溫度變化過程.模型準確地模擬了儲罐內的壓力變化過程及安全閥打開時間,同時也較好地預測了儲罐壁面溫度、儲罐裝料質量及閥門泄放率的變化.計算結果表明,閥門打開期間，壓力的上升及儲罐壁經受高溫是導致儲罐爆炸的主要因素.模擬結果與實驗結果吻合良好,所建模型可對LPG儲罐安全閥設計及儲罐熱防護提供理論參考.

參考文獻：

[1]單彥廣,俞昌銘.液化氣在儲存與運輸過程中的事故分析及防治[J].勞動保護科學技術,1998,18(1):27-31.

[2]陳思凝,孫金華,王青松.液化石油氣泄漏的危險性分析及其事故后果評價方法[J].中國工程科學,2005,7(9):61-64.

[3]淮秀蘭,俞昌銘.盛有液化氣的壓力容器在高溫環境下的熱響應[J].油氣儲運,1993,12(4):18-22.

[4]單彥廣,俞昌銘.噴射火焰環境下液化氣容器的熱響應[J].燃燒科學與技術,1999,5(4):375-379.

[5]邢志祥,趙曉芳,蔣軍成.液化石油氣儲罐火災模擬試驗(二)——噴射火焰環境下[J].天然氣工業,2006,26(1) :132-133.

[6]朱常龍,蔣軍成.LPG飽和蒸氣壓的估算及分析[J].石油與天然氣化工,2010,39(3):186-188.

[7]趙博,畢明樹.火災環境下LPG儲罐壓力與溫度響應的數值模擬[J].石油學報(石油加工),2012,28(3):512-516.

[8]Bi M S,Ren J J,Zhao B,et al.Effect of fire engulfment on thermal response of LPG tanks[J].Journal of Hazardous Materials,2011,192(2):874-879.

[9]弓燕舞,林文勝,顧安忠.分層對液化石油氣儲罐熱響應的影響[J].工業加熱,2002,31(5):14-16.

[10]弓燕舞,林文勝,顧安忠.液化石油氣儲罐分層增壓過程研究[J].天然氣工業,2004,24(1):86-88.

[11]俞昌銘,單彥廣,肖金生,等.液化氣儲罐受熱引爆機理分析[J].北京科技大學學報,2013,35(4):522-530

[12]單彥廣,俞昌銘.外焰加熱條件下液化氣儲罐爆炸原因的定性分析[J].勞動保護科學技術,1998,18(6):40-42.

[13]單彥廣,楊茉,李凌.火災時LPG儲罐內傳熱傳質過程分析[J].工程熱物理學報,2006,5(4):664-666.

[14]曾晨崗,單彥廣.LPG儲罐泄漏噴射火災過程模擬[J].上海理工大學學報,2015,37(5):473-478.

[15]Robert T,Beckett H,Cooke G,et al.Jet fire impingement trial on a 85% full,unprotected,2 tonne propane tank[R].Buxton:Safety Executive,1995.

[16]Robert T,Beckett H,Cooke G,et al.Jet fire impingement trial on a 41% full,unprotected,2 tonne propane tank[R].Buxton:Health and Safety Executive,1995.

(編輯:石瑛)

Prediction of Pressure and Relief Valve Response of Liquefied Petroleum Gas Tank Exposed to Non-uniform Fire EnvironmentGUAN Ping1,SHAN Yanguang2,JIANG Wei2,ZENG Chengang2

(1.School of Electronic and Electric Engineering,Shanghai Second Polytechnic University,Shanghai 201209,China;

2.School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Abstract：A mathematical model for simulating the pressure and relief valve response of a liquefied petroleum gas tank in fire environment was proposed.The model was used to predict the variation of the pressure,total tank mass relief mass flow rate,and wall temperature,in a horizontal cylindrical tank with 41% propane exposed to non-uniform heating.The calculation results agree well with the experimental results.The results show that the pressure increase during the process of opening the relief valve and the high temperature experienced by the wall are two main factors that lead to the rapture of the tank.

Key words：liquefied petroleum gas tank; pressure response; relief valve

中圖分類號：TE 8

文獻標志碼：A