任少云,夏登友
(中國人民警察大學消防指揮系,河北 廊坊 065000)
汽油儲備基地不斷投入建設,給工業生產和人類生活帶來極大便利?;貎鹊挠凸拗饕譃楣潭敽透№攦深?。由于浮頂罐的頂蓋緊貼油面,油罐內油品吸熱揮發的油蒸汽較少。但由于浮頂罐工藝復雜、投資大,而固定頂罐設計簡單、維護方便,因此固定頂油罐廣泛應用于我國油庫區。由于固定頂罐內部存在一定的氣相空間,油庫發生火災時,會導致臨近未著火的固定頂罐內汽油吸熱形成大量油蒸汽。對油蒸汽爆炸的研究已取得了大量成果。Zhang等[1]研究發現汽油-空氣混合物二次爆炸現象,主要影響因素是油蒸汽和氧氣濃度;Qi等[2]在2 L容器內實驗研究了通風口尺寸和油蒸汽濃度對油氣爆炸的影響,研究發現油蒸汽濃度影響火焰傳播速度;Du等[3]實驗研究發現當火源溫度為定值時,濕度是影響爆炸的關鍵因素;任少云[4]研究了容器長徑比對液化石油氣主要成分丙烷-空氣爆炸規律的影響;Li等[5]研究了半封閉管道(L/D=10,V=10 L)內的障礙物填充率對油蒸汽-空氣爆炸規律的影響;Du等[6]研究了非預混氮氣對油蒸汽-空氣爆炸的抑制作用。這些文獻主要研究密閉空間內油蒸汽爆炸規律及相關影響因素。任海亮[7]研究發現固定頂油罐受熱后內部壓力上升,正常工作的呼吸閥向罐外泄出油蒸汽,以減緩罐內壓力。然而在已有研究中,泄漏到罐外的汽油蒸汽濃度分布規律沒有定量研究,濃度分布對爆炸傳播規律是否有影響關注較少。當空氣中汽油蒸汽爆炸濃度達到爆炸下限的1/2[8]時,現場應急處置人員需要設定警戒線。應急處置人員通常采用濃度檢測儀測量汽油蒸汽濃度,在取樣過程中,當氣流進入取樣探針中形成的擾動會使樣品組分發生變化,無法準確代表混合氣體濃度,影響取樣的準確性。采用數值方法模擬油蒸汽擴散過程,得到泄漏油蒸汽濃度分布,并節約成本、不具有危險性。因此采用數值模型,研究火場固定頂汽油罐泄漏油蒸汽擴散特征和爆炸規律具有可行性和必要性,對于應急處置具有重要指導作用。由于容積為5 000 m3的固定頂油罐在油庫中較普遍,因此在數值模擬中選擇容積為5 000 m3的固定頂油罐受熱泄漏的油蒸汽為研究對象。
氣體混合和爆炸過程涉及的數學模型主要有混合物模型、湍流模型和組分輸運方程。利用Fluent軟件,采用有限元方法離散偏微分方程。
1.1.1 混合物模型
混合物模型控制方程主要包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。Mixture模型用于模擬兩種氣混合。
質量守恒方程:

式中:ρ為混合物密度,t為時間,v為混合物速度,為矢量微分算子,n為相數,αe為第e相的體積分數,ρe為第e相的密度,ve為第e相的速度[9]。
動量守恒方程:

式中:p為靜壓;μ為混合物黏度,為第e相黏度[9];上標T表示矩陣轉置,g為重力加速度,F為外部體積力。
能量守恒方程:

式中:Ee為第e相的能量,b1為導熱系數,b2為紊流熱傳導率(根據使用的紊流模型定義),T為溫度,S為體積熱源[9]。
相對速度[9]被定義為第二種氣體(p)相對于主氣體(q)的速度:

式中:τp為第二種氣體釋放時間,ρp為第二種氣體的密度,f為拉拽函數,ap為第二種氣體的加速度,dp為第二種氣體的直徑,μq為主氣體的黏度,R為雷諾數。
1.1.2 湍流模型
湍流模型選用標準k-ε模型:

式中:k為湍流動能,ε為湍流動能耗散率,ui為速度在第i方向的分量,ξ為湍動黏度,σε和σk分別為k和ε對應的Prandtl數(σk=1.0,σε=1.3),G1為由層流速度梯度而產生的湍動能,G2為由浮力產生的湍動能,K為在可壓縮湍流中擴散產生的波動,S1和S2分別為自定義源項,C1=1.44,C2=1.92,C3與浮力有關(當主流方向與重力方向平行時C3=1,當主流方向與重力方向垂直時C3=0)[9-10]。
1.1.3 組分輸運方程
Fluent通過第i種物質的對流擴散方程預估每種物質的質量分數Yi,組分輸運守恒方程的通用形式:

式中:Yi為第i種物質組分的質量分數,Ji為物質i的擴散通量,Wi為化學反應的凈產生速率[9]。
張玉潔[11]實驗研究了空曠室內CO2氣體擴散規律,實驗時將高壓壓縮、純度為 99.9%的 CO2氣體通過煤氣軟管形成地面釋放源,釋放流量通過氣體節流閥控制,泄漏擴散實驗參數:泄漏源高度,0 m;泄漏流量,10 L/min;泄漏時間,20 min;風速,0 m/s;環境溫度,常溫;環境壓力,常壓;監測點高度為0 m,水平距泄漏源分別為0.5、1.0、1.5、2.0 m。
本文中采用相同的邊界條件和初始值驗證氣體擴散模型的準確性。計算域的長和寬均為5 m,高為3 m;中心泄漏源直徑為1 cm;網格劃分采用六面體非結構化網格,尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m,網格數為75 000。
采用CO2泄漏擴散實驗測試初始條件和邊界條件[11]進行數值模擬,計算得到了距地面0 m、距泄漏口的水平距離分別為0.5、1.0、1.5、2.0 m處的氣體體積分數,如圖1所示。圖1同時展示了張玉潔[11]實驗數據,對比數值模擬數據與實驗數據[11],二者體積分數分布變化趨勢較吻合。當距泄漏口的水平距離為0.5 m時,數值模擬數據與實驗數據[11]吻合度較好。當距泄漏口的水平距離為1.0、1.5和2.0 m時,實驗數據[11]波動較大,數值模擬的數據穩步上升。這主要是由于實際過程中,氣體存在黏性,在氣體混合過程中黏性力降低氣體運動速度;模擬過程中地面假定為光滑無摩擦,而實際地面有粗糙度。因此導致數值模擬得到的數據與實驗數據[11]有一定偏差,但是變化趨勢是吻合的,證明數值模型具有一定可靠性、合理性。

圖1 水平向不同距離的體積分數數值模擬與實驗結果對比(泄漏流量為10 L/min)Fig. 1 Volume fraction comparisons between the calculating results and the experimental values at different locations with different distances from the horizontal direction to the tank center (leakage flow is 10 L/min)
計算域(圖2)長、寬和高分別為1 000、1 000和50 m,其中固定頂汽油罐容積為5 000 m3,直徑為22 m,油罐頂部泄漏油蒸汽的呼吸閥的直徑為0.25 m。油罐底面中心坐標為(0 m,0 m,0 m)。由于汽油成分為C5~C12,本文數值計算中選定C5H12(戊烷)作為油蒸汽的替代氣體,主要是考慮了C5H12相較于其他碳值更大的烴類氣體沸點最低,其爆炸極限與汽油的爆炸極限也較接近[11],C5H12爆炸下限為1.4%[11]。設定環境溫度為310 K,環境壓力為101 kPa。假設氣體為理想氣體,地面光滑、絕熱。進風面為速度入口,其余邊界為壓力出口。汽油蒸汽密度大于空氣密度,其與空氣混合時會沉降在地面附近,在距離地面高度1 m內應急救援人員便于實施撲救行動,因此距離地面1 m以下的區域風險較大。所以,本文中主要監測距地面高1 m的水平面內的油蒸汽體積分數和爆炸超壓值。在距地面高1 m的水平面內,沿X軸方向距罐中心11、15、20、50、100、200、300和 400 m 處分別設監測點,監測點坐標分別為S1(11 m,0 m,1 m),S2(15 m,0 m,1 m),S3(20 m,0 m,1 m),S4(50 m,0 m,1 m),S5(100 m,0 m,1 m),S6(200 m,0 m,1 m),S7(300 m,0 m,1 m),S8(400 m,0 m,1 m)。

圖2 計算域Fig. 2 Computational domain
2.1.1 擴散距離對油蒸汽體積分數分布的影響
設定風速為0 m/s,呼吸閥泄漏油蒸汽速率為0.25 m/s。圖3展示了油罐外不同監測點油蒸汽體積分數-泄漏時間曲線。隨著泄漏時間增長,空氣中油蒸汽逐漸向四周擴散。

圖3 水平方向不同位置泄漏的油蒸汽體積分數-時間曲線(監測點距地面高1 m)Fig. 3 Volume fraction-time curves of leaked gasoline vapor at the different monitoring points with different distances from the horizontal direction to the the tank center and 1 m above the ground
由于油蒸汽密度大于空氣密度,因此距罐最近的監測點S1處油蒸汽體積分數迅速上升。11 s時監測點S1處油蒸汽體積分數達到爆炸下限1/2;13 s時該處油蒸汽體積分數達到爆炸下限。監測點S2和S3分別水平距離罐中心15和20 m,油蒸汽體積分數分別在30和51 s后達到爆炸下限1/2。監測點S4水平距離罐中心50 m,該點油蒸汽體積分數到達爆炸下限1/2的時間為7 700 s,比監測點S1~S3油蒸汽體積分數到達爆炸下限1/2的時間長2個量級。根據我國應急處置的能力,7 700 s[8]時間內能夠完成油罐火災的接警處置工作,因此距罐中心50 m以外就可視作安全區域。監測點S5~S8分別水平距離罐中心100、200、300和400 m,都可視作處于安全區域。
2.1.2 風速對油蒸汽體積分數分布的影響
為了考查風速對油蒸汽體積分數分布的影響,設定風速分別為0、1.5、3.0、5.0和7.0 m/s,呼吸閥泄漏油蒸汽速率為0.25 m/s。監測點S3在油罐下風方向,水平距罐中心20 m,距地面高1 m。
圖4展示了風速從0 m/s增大到7.0 m/s,監測點S3的油蒸汽體積分數分布時間曲線。風速為0 m/s時,25 s時油蒸汽體積分數迅速上升到0.8%,然后緩慢上升。當風速為1.5 m/s時,油蒸汽體積分數先劇烈波動,然后在190 s時保持平穩,穩定在0.77%。當風速為3.0 m/s時,190 s時監測點S3的油蒸汽體積分數穩定在0.67%。當風速為5.0 m/s,125 s時監測點S3的油蒸汽體積分數基本穩定在0%。當風速為7.0 m/s時,96 s時監測點S3的油蒸汽體積分數基本穩定在0%。由此可見,當呼吸閥泄漏油蒸汽的速率為0.25 m/s時,若風速小于5.0 m/s,呼吸閥泄漏的油蒸汽易積聚達到爆炸下限1/2(0.7%),應急處置人員應設置警戒[8];若風速達到5.0 m/s及以上,呼吸閥泄漏的油蒸汽不易積聚成爆炸油蒸汽,應急處置人員可以靠近設置陣地。

圖4 風速對泄漏油蒸汽體積分數分布的影響(監測點S3沿水平方向距罐中心20 m,距地面高1 m)Fig. 4 Volume fraction-time curves of leaked gasoline vapor at different wind speeds (the monitoring point S3 is 20 m from the horizontal direction to the tank center,1 m above the ground)
2.1.3 油蒸汽泄漏速率對油蒸汽體積分數分布的影響
5 000 m3的油罐呼吸閥的通氣量要求最大能達到0.15 m3/s[12],呼吸閥的直徑一般為0.25 m,其泄漏速率最大為3.00 m/s。為了考查油罐呼吸閥油蒸汽泄漏速率變化對油蒸汽體積分數分布的影響,設定泄漏速率分別為0.10、0.25、0.50、0.75和1.00 m/s,風速為0 m/s。監測點S3在油罐下風方向,水平距罐中心20 m,距地面1 m。
圖5展示了當油蒸汽泄漏速率從0.10 m/s增大到1.00 m/s時,監測點S3的油蒸汽體積分數分布時間曲線。油蒸汽泄漏速率為0.10 m/s時,泄漏40 s時油蒸汽體積分數迅速上升到0.4%;40 s后油蒸汽緩慢上升,油蒸汽易積聚,達到爆炸下限1/2所需時間為5 700 s。泄漏速率為0. 25 m/s,泄漏23 s時油蒸汽體積分數達到0.7%,達到爆炸下限1/2,然后緩慢上升。泄漏速率為0. 50 m/s,泄漏17 s時油蒸汽體積分數達到0.7%,達到爆炸下限1/2;泄漏60 s時,油蒸汽體積分數達到1.4%,達到爆炸極限。泄漏速率為0. 75 m/s,泄漏14 s時油蒸汽體積分數達到0.7%,達到爆炸下限1/2;泄漏18 s時,油蒸汽體積分數達到1.4%,達到爆炸極限。泄漏速率為1.00 m/s,泄漏12 s時油蒸汽體積分數達到0.7%,達到爆炸下限1/2;泄漏15 s時,油蒸汽體積分數達到1.4%,達到爆炸極限。由此可見,泄漏速率越高,達到爆炸下限1/2與達到爆炸極限的時間相差越短。
泄漏速率為0.10 m/s時,呼吸閥泄漏的油蒸汽易積聚,達到爆炸下限1/2所需時間為5 700 s;泄漏速率為1.00 m/s時,油蒸汽易積聚,達到爆炸下限1/2所需時間僅為12 s。呼吸閥泄漏的油蒸汽速率增高1個量級,積聚成爆炸油蒸汽下限1/2所需的時間縮短2個量級。

圖5 不同泄漏速率條件下油蒸汽體積分數-時間曲線(監測點S3沿水平方向距罐中心20 m,距地面高1 m)Fig. 5 Volume fraction-time curves of gasoline vapor at different leakage speeds (the monitoring point S3 is 20 m from the horizontal direction to the tank center,1 m above the ground)
2.2.1 爆炸壓力和溫度的時空分布
為了考查固定頂油罐呼吸閥泄漏的油蒸汽爆炸規律,設定風速為3.0 m/s,呼吸閥泄漏油蒸汽速率為0.25 m/s,已泄漏200 s。著火點坐標為(12 m,0 m,1 m),點火半徑為5 mm,點火溫度為2 000 K。在距地面高1 m的水平面內設監測點S1、S2、S3、S4和S5,其沿X軸方向分別距罐中心11、15、20、50、100 m。
監測點S1、S2、S3、S4和S5的超壓-時間和溫度-時間曲線如圖6所示。監測點S1(距罐心11 m)水平距著火點1 m,超壓峰值為17.8 kPa,溫度峰值達到2 389 K。監測點S2(距罐心15 m)水平距著火點3 m,其超壓峰值和溫度峰值與監測點S1的較接近,分別為16.7 kPa和2 345 K,表明距著火點3 m內爆炸壓力和溫度差異不明顯。監測點S3(距罐心20 m)水平距著火點8 m,超壓峰值為10.1 kPa,溫度峰值達到2 217 K,到達溫度峰值時間為0.36 s,相比較監測點S1和S2,壓力峰值下降1/2,到達溫度峰值時間延遲3倍。監測點S4(距罐心50 m)水平距著火點38 m,超壓峰值為2 kPa,溫度無明顯變化。監測點S5(距罐心100 m)水平距著火點88 m,超壓峰值為0.2 kPa,溫度也無明顯變化。距點火源距離增大1個量級,超壓峰值下降1~2個量級,溫度急劇下降。這是因為監測點水平方向距泄漏源越遠,參與燃燒的可燃油蒸汽越少,燃燒產物的膨脹推動速度越低,超壓波也隨之降低;并且由于周圍環境吸收熱量,火焰溫度下降至常溫。

圖6 水平方向不同位置油蒸汽爆炸超壓-時間和溫度-時間曲線(監測點距地面高1 m)Fig. 6 Gasoline vapor explosion overpressure-time and temperature-time curves at the different monitoring points with the different distances from the horizontal direction to the tank center(the monitoring points are 1 m above the ground)
2.2.2 不同水平位置點火對爆炸壓力場和溫度場的影響
選擇距地面高1 m的水平面內,考查不同水平位置點火對油蒸汽爆炸規律的影響。沿X軸方向距罐中心 12、15、20 m 處分別設著火點,點火點坐標為I1(12 m,0 m,1 m),I2(15 m,0 m,1 m),I3(20 m,0 m,1 m);其他條件與2.2.1節中一致。點火爆炸后壓力和溫度的監測點S2設在油罐下風方向,水平距罐中心15 m,距地面高1 m。
由2.1節中數值計算得到著火點I1、I2和I3的油蒸汽體積分數分別為2.50%、1.46%、0.12%。圖7顯示了不同水平位置點火時監測點S2的爆炸壓力場和溫度場時間曲線。著火點I1水平方向距罐中心12 m,離罐較近,油蒸汽體積分數較高,達到爆炸當量體積分數。在I1點火爆炸后,超壓峰值達到17 kPa,溫度達到2 300 K。著火點I2水平方向距罐中心15 m,該處油蒸汽體積分數達到爆炸下限。在I2點火爆炸后,超壓峰值達到0.4 kPa,爆炸超壓較低,溫度達到2 000 K。這是由于I2點油蒸汽體積分數只達到爆炸下限,可燃性混合氣體雖發生化學反應,但參與反應的可燃物較少,壓力上升不明顯。著火點I3水平方向距罐中心20 m,該處油蒸汽體積分數為0.12%,低于爆炸下限1/2。在I3點火爆炸后,溫度和壓力時間曲線顯示沒有發生化學反應,高溫火花熄滅,壓力沒有波動。這是因為著火點在水平方向距離泄漏源較遠,參與燃燒的可燃油蒸汽較少,沒有發生燃燒。
2.2.3 不同高度點火對爆炸壓力場和溫度場的影響
為了考查不同高度點火對油蒸汽爆炸規律的影響,在水平距罐心12 m遠的位置,距地面分別為0.5、1.0、1.5、2.0 m處設著火點,著點火坐標為I4(12 m,0 m,0.5 m),I5(12 m,0 m,1 m),I6(12 m,0 m,1.5 m)和I7(12 m,0 m,2 m);其他條件與2.2.1節中一致。由2.1節中數值計算得到著火點I4、I5、I6和I7的油蒸汽體積分數分別為3.8%、2.5%、2.2%、2.0%。點火爆炸后壓力和溫度的監測點S2設在油罐下風方向,水平距罐中心15 m,距地面1 m。

圖7 不同水平位置點火時爆炸壓力-時間和溫度-時間曲線(監測點沿水平方向距罐中心15 m,距地面高1 m)Fig. 7 Explosion overpressure-time and temperature-time curves with different ignition locations along the horizontal direction(the monitoring point is 15 m from the horizontal direction to the tank center, 1 m above the ground)
圖8展示了不同高度點火時監測點S2的爆炸壓力場和溫度場時間曲線。著火點I4(距地面高0.5 m)油蒸汽體積分數為3.8%(高于當量體積分數),在該處點火爆炸后,超壓峰值達到7 kPa,溫度在0.15 s達到2 300 K。著火點I5(距地面高1 m)油蒸汽體積分數為2.5%(當量體積分數),在該處點火爆炸后,超壓峰值達到17 kPa,溫度在0.11 s達到2 300 K。著火點I6(距地面高1.5 m)油蒸汽體積分數為2.2%,在該處點火爆炸后,超壓峰值達到5 kPa,溫度在0.17 s達到2 300 K。著火點I7(距離地面高2 m)油蒸汽體積分數為2%,在該處點火爆炸后,超壓峰值達到4 kPa,溫度在0.18 s達到2 300 K。著火點I4處油蒸汽體積分數高于當量體積分數,I6和I7處油蒸汽體積分數低于當量體積分數,因此爆炸超壓峰值均低于著火點I5處的峰值,到達峰值溫度的時間也遲于著火點I5處到達峰值溫度的時間。這是因為油蒸汽密度比空氣密度大,油蒸汽下沉,在距地面高1 m位置的油蒸汽體積分數接近當量體積分數,爆炸超壓峰值最高;靠近地面的油蒸汽體積分數大于當量體積分數,參與燃燒的氧氣較少;高于1 m處的油蒸汽體積分數低于當量體積分數,參與燃燒的油蒸汽較少。

圖8 不同高度點火時爆炸壓力-時間和溫度-時間曲線(監測點S2沿水平方向距罐中心15 m,距地面高1 m)Fig. 8 Explosion overpressure-time and temperature-time curves with different ignition locations along the vertical direction(the monitoring point S2 is 15 m from the horizontal direction to the tank center, 1 m above the ground)
圖9展示了在距地面高1 m的位置,當風速為0 m/s時,泄漏的油蒸汽體積分數達到爆炸下限1/2(0.7%)的時間和擴散距離的關系。

圖9 泄漏的油蒸汽體積分數達到爆炸下限1/2的時間隨擴散距離的變化(監測點距地面高1 m)Fig. 9 Variation of the time to reach 1/2 of the lower flammable limit with the diffusion distance to the tank center in the horizontal direction (the monitoring point is 1 m above the ground)
圖9展示了隨著擴散距離增大,油蒸汽體積分數達到爆炸下限1/2的時間呈指數上升:

式中:x為距罐心距離,m;y為泄漏油蒸汽體積分數達到爆炸下限1/2的時間,s。
油庫火災中冷卻未著火油罐時,要求水流能掃射到罐壁,直流水槍射程為17 m,消防水炮射程一般為48~80 m。選取17、48和80 m臨界值作為計算依據,采用擬合函數(8)求得3種距離所在位置達到爆炸下限1/2的時間分別為0.5、30、20 455 min。當應急處置人員到達現場后,詢問5 000 m3固定頂油罐泄漏油蒸汽時間后,根據上述計算結果選擇不同射程的水槍或水炮,就可在安全區域設置冷卻陣地。
探討固定頂油罐呼吸閥泄漏油蒸汽爆炸壓力場變化規律,是為了應急處置過程中能夠避免爆炸造成人員的傷亡和救援設備的損壞。圖10展示了當風速為3.0 m/s、呼吸閥泄漏油蒸汽速率為0.25 m/s、泄漏200 s時,在距地面高1 m、水平距罐心12 m位置點火后的超壓峰值與壓力波傳播距離的關系,擬合公式為:

式中:x為距著火點的距離,m;y為超壓峰值,kPa。

圖10 壓力波傳播距離對超壓峰值的影響(距地面高1 m)Fig. 10 Influence of distance from the ignition point on peak overpressure (1 m above the ground)
人員在沖擊波超壓作用下將受到不同程度的傷害。因此明確不同的超壓傷害、破壞距離,可為沖擊波作用范圍評估與安全防護距離設計提供參考依據。不同超壓作用條件下的人員傷害和建筑破壞作用如表1[13]所示。

表1 不同超壓作用條件下的人員傷害和建筑破壞作用Table 1 Personnel injury and building destruction under different overpressure conditions
選取6、15、19.6 kPa臨界值作為計算依據,在圖10的基礎上,采用擬合公式(9)求得3種超壓所在位置與爆炸中心的距離分別為15、3.5、0.1 m。因此,在火災條件下,當汽油罐泄漏的油蒸汽體積分數達到爆炸極限體積分數時,多個應急救援小組進入泄漏區域則應避免攜帶火源,且小組之間至少應保持15 m的距離,避免造成多小組同時受傷。
以5 000 m3固定頂汽油罐(22 m×13 m)泄漏油蒸汽為研究對象,探索不同條件下油蒸汽泄漏擴散過程和爆炸過程。主要結論如下:
(1)當無風且呼吸閥泄漏油蒸汽速率為0.25 m/s時,距罐中心50 m以外可視作安全區域。
(2)當呼吸閥泄漏的油蒸汽速率為0.25 m/s且風速達到5 m/s及以上時,不易積聚成爆炸蒸汽。當無風時,呼吸閥泄漏的油蒸汽速率增高1個量級(由0.10 m/s增高到1.00 m/s),積聚成爆炸油蒸汽下限1/2所需時間縮短2個量級(由5 700 s到12 s)。
(3)當風速為3 m/s、呼吸閥泄漏油蒸汽速率為0.25 m/s、泄漏時間為200 s,且著火點距罐壁1 m遠時,距著點火的水平距離增大1個量級,超壓峰值下降1~2個量級,溫度急劇下降。
本文可為火災環境下油氣泄漏爆炸危險性辨識、爆炸事故預防和爆炸事故原因研判提供科學依據。