基于FLACS 的某城市燃氣儲配站氣云爆炸安全評估

2021-02-05 06:14:56張亞棟

高壓物理學報 2021年1期

劉洋，李展，張亞棟，陳力，方秦

（1. 陸軍工程大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇南京 210007；2. 東南大學爆炸安全防護教育部工程研究中心，江蘇南京 211189）

燃氣儲配站作為城市燃氣輸配系統中儲存和分配燃氣的基礎設施，對保證城市燃氣供需平衡發揮了重要作用。燃氣儲配站存在燃氣泄漏的可能，泄漏的燃氣與空氣混合后形成可燃氣云，遇極小點火能量便可引發爆炸[1]。類似泄漏爆炸事故時有發生，2004 年阿爾及利亞斯基克達因鍋爐爆炸導致液化天然氣（LNG）泄漏汽化，進而引起蒸氣云爆炸，事故共造成27 人死亡、72 人受傷[2]。2013 年10 月，山東博興供氣公司因氣柜密封失效導致煤氣大量泄漏形成可燃氣云，遇點火源引發爆炸，事故造成10 人死亡，直接經濟損失達3 200 萬元[3]。隨著城市的發展擴大，一些本來位于城市邊緣的燃氣儲配站逐漸轉移到了城市中心[4]，一旦發生燃氣爆炸事故，將會造成重大人員傷亡和財產損失，為了預防潛在爆炸事故并減輕其危害，應對儲配站氣云爆炸災害效應進行研究。

關于儲配站氣云爆炸的研究尚未見諸報道，但研究人員對類似場景（如儲罐區、工廠、街區等）氣云爆炸進行了試驗、數值模擬和簡化計算研究[3,5-10]。由于試驗研究的危險性大、成本高昂，且無法根據小尺寸試驗推算真實氣云爆炸事故后果[11]，故較少采用。氣云爆炸荷載的簡化計算方法同樣存在諸多局限，例如TNT 當量法僅適用于對遠場的粗略估計[12]，自相似法不能處理壓力波和障礙物之間的相互作用[13]等。數值模擬不僅能模擬復雜空間內的氣體爆炸，還能完整呈現爆炸壓力、溫度等參數的時空演化規律，應用較為廣泛。

研究人員對氣云爆炸特性進行了數值模擬研究。曾岳梅等[14]利用FLACS 軟件模擬了LNG 接收站儲罐底部發生的蒸氣云爆炸，發現氣云邊緣點火時，由于點火點靠近通風口，爆炸超壓明顯低于氣云中心點火情況。凌曉東[15]對LNG 接收站槽車裝卸區氣云爆炸進行了數值模擬，結果表明在阻塞程度較小的情況下爆炸壓力較低（約1.3 kPa）。王學岐等[16]通過FLACS 軟件對某企業液化罐區氣云爆炸進行了模擬，發現設備阻塞程度較高處超壓相對較高，氣云邊緣點火時因火焰加速距離更長，相比位于氣云中央爆炸超壓更高。李靜媛等[17]模擬了某加氫站的氫氣云爆炸，發現爆炸強度隨擁塞度和環境風速的增大而顯著增強。羅艾民等[18]基于FLACS 軟件對某化工廠區氯乙烯氣云爆炸進行了數值模擬，結果表明在弱約束條件下，氯乙烯氣云爆炸沖擊波作用比較微弱。

爆炸災害效應是氣云爆炸事故研究的重點之一，王志寰等[19]利用FLACS 軟件對國內某大型LNG 接收站泄漏爆炸進行了模擬，并對人員傷亡半徑進行了劃分。徐大用等[20]借助FLACS 軟件對城市街區汽油槽車泄漏引發的氣云爆炸進行了研究，發現9 738.2 m3的氣云爆炸最大可形成800 kPa 的超壓，并造成最遠72 m 范圍的輕傷。韋善陽等[21]以某礦區油罐區蒸氣云爆炸事故作為研究對象，借助PHAST 軟件模擬了爆炸事故的危險區域范圍。馬慶春等[22]利用ALOHA 模擬軟件中的氣云爆炸模型，對北京市某高壓燃氣管道泄漏爆炸事故進行了數值模擬，并根據事故后果的嚴重程度將爆炸影響區域劃分為不同的等級。

可以發現已有研究多集中于LNG 或其他工業氣體，而城市燃氣儲配站多為壓縮天然氣（CNG），其泄漏爆炸過程與前兩者有較大差異，相關結論不能直接應用。環境因素尤其是障礙物條件對氣云爆炸后果的影響極大，在試驗上很難形成規律性的結論[12]，研究成果的通用性不強，不同氣云爆炸場景應該單獨分析。此外，已有研究模型大多尺度較小，且障礙物分布簡單，針對大尺度城市復雜街區氣云爆炸的研究不足。

城市街區空間幾何模型建立的工作量大、過程復雜，而地理信息系統（Geographic information system,GIS）可以大大縮短建模時間，同時有效提高幾何模型精度。國內外研究人員利用GIS 為CFD 建模進行了嘗試[23-24]，發現準確描述建筑物（尺寸、分布等）有助于得到相對準確的結果[25]，但已有研究大多面向大氣環境[26-29]、氣體泄漏擴散[30-32]以及爆炸后果可視化[33-35]等領域，在氣云爆炸模擬領域還未見應用。

本研究基于GIS 技術建立南京市某燃氣儲配站所在區域的幾何模型，導入FLACS 軟件進行甲烷氣云爆炸數值模擬，研究典型工況下燃氣儲配站氣云爆炸發展過程與荷載分布規律，討論氣云大小、點火位置以及氣云位置對爆炸超壓的影響，最后根據模擬結果劃出爆炸損傷范圍，以期為類似設施建設選址、潛在爆炸事故預防提供參考。

1 數值模擬

1.1 理論模型

FLACS 爆炸模型已得到全尺寸試驗驗證，在天然氣泄漏爆炸領域應用廣泛[36]。FLACS 將湍流和化學反應耦合，建立了描述流體特征的質量、動量、能量以及組分守恒方程。采用有限體積法配合邊界條件求解計算區域中的超壓、燃燒產物、火焰速度以及燃料消耗量等變量的值

耗散率 ε的運輸方程為

式中：μ為層流黏性系數， μt為湍流黏性系數。

式中：Gk是由平均速度梯度引起的湍動能k 的產生項；Gb是由浮力引起的湍動能k 的產生項；Ym代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻； σk為湍動能k 對應的Prandtl 數，取為1.0； σε為耗散率 ε對應的Prandtl 數，取為1.3； Sk、 Sε是用戶定義的源項[38]；C1ε、 C2ε、 C3ε、 Cμ為經驗常數，根據Launder 等[39]的研究結果，分別取 1.44、1.92、0.80 和 0.09。

1.2 儲配站概況

以南京某燃氣儲配站為例，開展氣云爆炸及其災害效應的數值模擬。該儲配站有一個直徑約70 m 的低壓濕式螺旋儲氣罐（柜），罐內壓力為3～5 kPa，罐體可根據儲氣量的變化而螺旋升降，儲氣能力約為1.5×105m3。該儲氣罐于1998 年建成并投入使用，使用壽命為40～50 年。

儲配站附近建筑物分布如圖1 所示。在距離儲罐100 m 范圍之內有一棟高層寫字樓、一棟高層住宅樓和一座少年宮，距離儲罐100～200 m 范圍內有一家幼兒園（東北方向120 m）、一家大型商場（東南方向200 m）和一家加油站（正東方向200 m）。以上建筑設施因距離儲罐較近、場所安全要求高且人員密集程度大，是需要研究的重點目標。

圖1 儲配站周圍重要建筑物分布Fig. 1 Important buildings around the gas distribution station

1.3 模型建立

GIS 是綜合處理和分析地理空間數據的一種技術系統，是以測繪測量為基礎，以數據庫作為數據儲存和使用的數據源，以計算機編程為平臺的全球空間分析即時技術[31]。利用GIS 技術，建立儲配站所在區域的空間幾何模型，建立過程如下：利用ArcGIS 軟件讀取研究區域遙感影像數據并矢量化，得到研究區域平面地形圖；將平面地形圖導入SketchUp 繪圖軟件，建立空間幾何模型；通過無人機實地航拍，如圖2(a) 所示，結合街景地圖，進一步校正建筑空間位置及尺寸參數。最終的幾何模型如圖2(b)所示。

圖2 儲配站區域航拍圖與幾何模型Fig. 2 Aerial photograph and geometric model of gas distribution station area

為方便建模并兼顧FLACS 的分辨能力，對幾何模型作以下簡化：

(1) 不考慮地形變化；

(2)忽略樹木以及其他小體積結構物；

(3)建筑物保留主要輪廓，外觀細節不做考慮。

將空間幾何模型以obj 格式導入FLACS 前處理軟件（CASD），并對模型進一步修正、簡化。網格劃分和場景設定如下：以儲氣罐水平方向400 m、豎直方向400 m 范圍為核心區，以水平方向1 000 m、豎直方向600 m 范圍為計算域，如圖3(a)所示。核心區網格尺寸為2 m，核心區外拉伸系數為1.2，最大網格尺寸不超過15 m，網格總數1.4×107。除ZLO（z 軸負方向）為Euler 邊界外，其余方向邊界均設為Plane wave。CFLC 設為5，CFLV 設為0.5，初始溫度為20 ℃，地面粗糙度設為0.1。數值模型見圖3。

圖3 儲配站數值模型Fig. 3 Numerical model of gas distribution station area

壓力測點設置如表1 所示。在重要建筑物面向儲氣罐一側布置測點，測點距離地面1.5 m，其分布如圖4 所示。本研究不考慮燃氣泄漏過程，假設氣云為均勻分布的立方體化學當量比甲烷-空氣混合氣體（甲烷體積分數為9.5%）。

表1 壓力測點布局Table 1 Positions of pressure sensors

1.4 模擬工況設置

考慮氣云尺寸、點火位置以及氣云位置的變化，數值模擬的工況如表2 所示。工況1、工況2、工況3 研究氣云體積對爆炸超壓的影響，模擬了邊長分別為90、60、30 m 的3 種尺寸立方體氣云爆炸，氣云大小及位置如圖5 所示。工況1、工況4～工況7 研究點火位置對爆炸超壓的影響。工況1、工況8～工況10 研究氣云位置對爆炸超壓的影響，考慮南京當地以東南風和東北風為主[40]，氣云可能會向西偏移，氣云位置如圖6 所示。所有工況中氣云起始高度均為0 m。

圖4 壓力測點分布Fig. 4 Positions of pressure gauges

表2 氣云爆炸模擬工況Table 2 Cases considered in the numerical simulations

圖5 不同氣云尺寸（工況1～工況3）Fig. 5 Different sizes of gas clouds (Case 1-Case 3)

圖6 不同氣云位置（工況1，工況6～工況8）Fig. 6 Different locations of gas clouds (Case 1, Case 6-Case 8)

2 模擬結果討論

2.1 氣云爆炸發展過程

以工況1 為例，分析氣云爆炸發展過程。圖7、圖8 分別給出了氣云爆炸各測點超壓時程曲線和火焰形態（以燃燒產物質量分數PROD 近似表示）。根據超壓及火焰形狀的變化，可將氣云爆炸過程分為非爆炸性燃燒和爆燃兩個階段：非爆炸性燃燒階段（0～10 s），燃燒所受擾動較小，火焰由球形發展為蘑菇云狀，未產生明顯超壓，僅發生非爆炸性燃燒（閃火）[41-42]；10 s 之后為爆燃階段，火焰形狀因障礙物（主要為氣罐）的影響以及湍流的發展而變得不規則，使得燃燒面積增大、燃燒速率增加，燃燒速率的增加又進一步促進了湍流的發展，湍流和火焰發展相互促進，使燃燒由閃火發展為爆燃。在爆燃階段，各測點壓力迅速升高，正超壓和負超壓交替出現，其中最大正超壓和最大負超壓均出現在P2 測點（高層寫字樓），分別為 20.9、-10.1 kPa，如圖7(b)所示。

圖7 超壓時程曲線（工況1）Fig. 7 Overpressure-time histories of Case 1

圖8 氣云爆炸火焰形狀（工況1）Fig. 8 Flame shapes of gas explosion (Case 1)

圖 9 為工況 1 最大超壓（pmax）分布云圖（3～25 kPa）。可以發現，爆炸超壓影響半徑約為180 m，而較大超壓（≥10 kPa）主要分布在氣云100 m 范圍之內。此外，超壓的分布受建筑物的影響較大，氣云東南側建筑物迎爆面處超壓遠高于同等距離其他位置，這是因為該區域建筑物高度較高且迎爆面積較大，建筑物的反射明顯加強了爆炸超壓[43]。在高層寫字樓南側可以觀察到明顯的壓力波沿建筑物空隙傳播的現象（如圖9 箭頭所示），該空隙處爆炸超壓明顯高于相同距離其他位置的超壓，可能與建筑物對壓力波的約束有關。

圖9 工況1 最大超壓分布云圖（3～25 kPa）Fig. 9 Contour of maximum overpressure for Case 1 (3-25kPa)

2.2 爆炸超壓影響因素

2.2.1 氣云尺寸的影響

圖10 為不同尺寸氣云爆炸超壓時程曲線對比圖（以距氣云較近的測點P2 為例）。可以發現，爆炸超壓隨著氣云尺寸的增大而顯著升高，60 m 尺寸氣云的最大正超壓達到1.3 kPa，90 m 尺寸氣云的最大正超壓超過20.0 kPa，而30 m 尺寸氣云未產生明顯超壓，因此可以認為氣云尺寸小于60 m 時產生爆燃的可能性較小。爆炸超壓隨氣云尺寸的變化是氣云體積和障礙物條件共同作用的結果：一方面，爆炸超壓（p）與氣云體積的1/3 次方（V1/3）正相關，氣云體積越大，爆炸超壓越大[44-45]；另一方面，更大體積的氣云能夠涵蓋更多的障礙物，對燃燒產生更加強烈的擾動，使火焰產生更大的變形（圖11），燃燒更加劇烈，最終產生更大的超壓。

圖10 測點P2 超壓時程曲線（工況1～工況3）Fig. 10 Overpressure-time histories of pressure sensor P2 (Case 1-Case 3)

圖11 最大超壓時刻氣云爆炸火焰形狀（工況1～工況3）Fig. 11 Flame shapes of gas explosion (Case 1-Case 3)

2.2.2 點火位置的影響

不同點火位置下氣云爆炸超壓時程曲線如圖12 所示（仍選取測點P2 進行分析）?？梢?，氣云底部中央點火（工況1）時超壓超過20 kPa，底部東北角點火（工況7）時超壓超過22 kPa，而氣云中心、西南角、東南角點火（工況4～工況6）均未產生明顯超壓，說明僅底部和東北角點火時燃燒可發展成為爆燃。

如圖13 所示，氣云中心點火時著火位置較高，且火焰以向上發展為主，下部障礙物對燃燒幾乎沒有約束和擾動，故僅發生非爆炸性燃燒?；鹧嫦蛏习l展而未向下傳播可以歸因于氣體受熱上升的速度大于或等于燃燒速度，造成火焰向下的傳播速度小于或等于零。氣云西南角和東南角障礙物及約束較少（圖5(a)），點火后火焰呈帶狀沿氣云蔓延（圖14），燃燒速度緩慢，難以發展為爆燃。氣云底部中央點火產生爆燃已在2.1 節進行分析。氣云東北角位于高層寫字樓與儲氣罐之間（圖5(a)），如圖15 所示，在該點點火后火焰受到兩側建筑的約束和擾動呈蘑菇狀上升，火焰底部高度在11 s 超過罐體后迅速側向膨脹，燃燒面積增加，燃燒速率增大，最終發展為爆燃。

圖12 測點P2 超壓時程曲線（工況1，工況4～工況7）Fig. 12 Pressure-time curves of pressure sensor P2(Case 1, Case 4-Case 7)

圖13 氣云爆炸火焰形狀（工況4）Fig. 13 Characteristics of the flame shape of gas explosion (Case 4)

圖14 氣云爆炸火焰形狀（工況5 和工況6）Fig. 14 Characteristics of the flame shape of gas explosion (Case 5 and Case 6)

圖15 氣云爆炸火焰形狀（工況7）Fig. 15 Characteristics of the flame shape of gas explosion (Case 7)

可以發現，點火位置對爆炸超壓的影響較大，點火點附近缺少障礙物和約束時（如工況4～工況6），一般僅發生非爆炸性燃燒，反之（如工況1、工況7）則可能發展為爆燃。

2.2.3 氣云位置的影響

氣云位置變化的實質是氣云內部和外部障礙物（建筑物）數量、大小和分布的變化。氣云內外障礙物的變化，將使氣云燃燒過程和壓力波的傳播產生差異，進而影響爆炸超壓的大小和空間分布。各工況最大超壓分布如圖16 所示，對比各工況超壓大小，發現氣云位于罐體西南側時超壓遠高于其他工況，少年宮北側區域超壓甚至超過45 kPa。氣云位于罐體位置和罐體西北側時，局部區域壓力超過20 kPa，氣云位于罐體西側時超壓最低，所有位置超壓均不超過17 kPa。已有研究表明，障礙物的尺寸越大、空隙率越低，爆炸超壓越高[13]。罐體西南側建筑物高大、密集，故該區域氣云爆炸產生的超壓遠高于其他區域；相反，罐體西側建筑物普遍低矮、稀疏，所以超壓較低。

圖16 最大超壓分布云圖（工況1，工況8～工況10）Fig. 16 Contours of maximum overpressure distribution (Case 1, Case 8-Case 10)

2.3 氣云爆炸災害效應分析

考慮到工況1、工況8～工況10 爆炸超壓遠高于其他工況，選擇此4 個工況作為爆炸災害分析的研究對象。采用超壓準則研究爆炸對人員及建筑物（鋼筋混凝土）的損傷程度，超壓大小與損傷程度的對應關系如表3 所示。根據最大超壓（pmax）分布給出如圖17～圖19 所示的人員和建筑物損傷范圍云圖，云圖將壓力范圍劃分為20 個等級，每個等級以不同顏色標識。

表3 爆炸超壓對人員和建筑物的傷害[46]Table 3 Damage level of personnel and buildings under explosion overpressure[46]

圖17 為各工況人員輕傷范圍云圖。輕傷區（超壓20～40 kPa）內人員會出現內傷、耳鳴。氣云位于罐體位置（工況1）時，僅氣云東南側建筑物迎爆面存在小范圍人員輕傷區域（包括高層寫字樓）。氣云位于儲罐西北側（工況8）時，氣云附近直徑約40 m 內為人員輕傷區。氣云位于儲罐西南側（工況10）時，氣云周圍直徑約150 m 內為人員輕傷區。如圖18 所示，氣云位于儲罐西南側時，氣云附近還存在數個中傷區（30～50 kPa）和一個重傷區（50～100 kPa），中傷區人員將出現內傷和耳聾，重傷區人員會出現骨折和內出血。需要指出的是，氣云位于儲罐西側（工況9）時爆炸超壓較低，不存在人員傷亡區域。

圖17 人員輕傷范圍 (20～40 kPa)Fig. 17 Range of minor wound (20-40 kPa)

圖18 人員中傷和重傷范圍Fig. 18 Range of secondary wound and severe wound

圖19 為各工況建筑物的輕微損傷范圍云圖。可見，輕微損壞區域（3～10 kPa）均分布在氣云周圍，工況1、工況8、工況9 和工況10 的輕微損壞區直徑分別約為400、500、350 和600 m。如圖20 所示，建筑輕度損壞區（10～30 kPa）范圍較輕微損壞區大幅減小，工況1 的輕度損壞區主要集中于氣云東南側長度約200 m 的條形區域，而工況8、工況9 和工況10 中氣云附近直徑約100、150 和300 m 范圍為建筑物輕度損壞區。此外，如圖21 所示，工況10 還存在數個面積較小的中等損壞區（30～50 kPa）和一個嚴重損壞區（50～80 kPa）。

儲配站附近氣云爆炸可能造成較大范圍的人員輕傷以及大范圍的建筑物輕微損壞，其中氣云位于儲罐西南側時危害最大，甚至出現了小范圍的人員重傷區以及建筑物的嚴重損壞區。