基于FLACS的成品油儲罐油氣爆炸數值模擬研究

摘要：燃燒爆炸事故是對成品油庫安全的重要威脅。為探究成品油罐在罐頂破壞后液面揮發產生的油氣爆炸在罐區產生的高溫和超壓的分布規律，文中采用計算流體力學軟件FLACS對內浮頂汽油儲罐在罐頂損毀后的爆炸過程進行了數值模擬。結果表明，罐內油氣爆炸會造成油罐內部區域溫度急劇升高，但儲罐外部區域溫度上升不明顯；由于開敞狀態有利于泄壓，油氣爆炸在儲罐內外產生的超壓都比較小，不足以對設備和人員造成損傷；當油氣濃度大到一定程度時，由于空氣量不足，最大超壓反而降低。

關鍵詞：成品油；儲罐；爆炸；超壓；高溫

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

0 引言

成品油庫擔負著接收、儲存和發放石油產品的任務，是成品油供應和運輸的紐帶，是整個油氣儲運產業鏈條的重要環節[1]。儲罐是儲存各類油料的主要裝置，保障油罐安全是油庫生產運行的重要任務。由于儲存介質的危險性，儲罐火災爆炸事故不時發生，造成巨大的經濟損失和人員傷亡。2005年12月11日，英國邦斯菲爾德油庫發生火災爆炸事故，燒毀大型儲罐20余座，43人受傷，直接經濟損失高達2.5億英鎊[2]。2010年7月16日，大連市新港碼頭的大連中石油國際儲運有限公司油庫輸油管線發生爆炸，造成10萬m3的原油儲罐起火，地面流淌火面積達6萬余平方米，碼頭海面火場面積1萬多平方米，造成直接財產損失為22330余萬元[3]。罐頂是儲罐發生爆炸事故時最容易受到破壞的部位。據統計，在所有的儲罐爆炸破壞中，罐頂的破壞占總數的72.2%[4]。罐頂被破壞后罐內油品直接與大氣接觸，容易進一步形成爆炸性氣體空間。高建豐等[5]采用lm3的密閉儲罐開展油氣爆炸實驗，并進行數值模擬。羅艾民等[6]研究環形密閉空間內蒸氣云爆炸的超壓波，對外浮頂罐二次密封形成的環形空間內發生的爆炸沖擊研究具有一定參考意義。趙軍凱等[7]對方形管道內氣體爆炸過程進行數值模擬，研究溫度、壓力和火焰傳播速度的變化規律。羅振敏等[8]采用FLACS軟件對受限空間瓦斯爆炸過程進行數值模擬，并與實驗結果進行驗證。目前，儲罐燃燒爆炸領域的研究主要針對罐內密閉空間油氣爆炸，對罐頂破壞后開口條件下油庫燃燒爆炸的研究相對較少，無法支撐對儲罐燃燒爆炸毀傷附近人員及設施的評估[9]。對此，文中采用計算流體力學軟件FLACS，研究內浮頂汽油儲罐在罐頂損毀后發生燃燒爆炸事故時的高溫、超壓分布規律，并進一步分析油氣濃度、氧氣濃度、點火能量、點火位置等因素對爆炸過程的影響。

1 控制方程

采用基于總能量方程的RNG湍流模型模擬儲罐頂部開口條件下油氣爆炸的湍流流動，控制方程主要有質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分輸運方程、方程和方程[10]：

式中，為氣體密度，kg/m3；為氣體流速，m/s；為氣體壓強，P；為能量，J；為輸運特性中的湍流耗散率；為時間，s；，為坐標軸方向；為組分質量分數；為有效擴散系數；為耗散項；為湍流脈動動能；和為隨湍流流場變化的系數；為流動黏度；為速度梯度引起的湍流動能的產生項；為由浮力引起的湍動能的產生項；為考慮流場可壓縮性的修正項；為湍流動能耗散率；和均為經驗常數，=1.42，=1.68；為方程受浮力影響程度的系數。

2 仿真模型

2.1 物理模型

如圖1所示，罐區有六個大型內浮頂罐，用于儲存汽油。單個儲罐容量為50000m3，直徑為60m，罐總高為19.3m。罐體之間距離為30m，與防火堤距離為14m，防火堤高度為2m；各儲罐設有隔堤，高度為0.5m。

2.2 FLACS模型

假設2#儲罐液位高度為8m，在雷擊事故中拱頂及內浮頂塌陷沉沒，汽油液面直接暴露于大氣，形成直徑為60m的液池。由于汽油蒸發，在液池上部形成了油氣空間。共設置9個監測點，各監測點位置如圖1所示（M1～M9）。其中，M1～M4監測點在儲罐內部，高度與儲罐總高齊平；M1～M3監測點距離罐壁20cm；M4監測點在儲罐中心位置處；M5～M9監測點在儲罐外，高度距離地面1.6m，此高度與人面部距地面高度一致，風速假設為1.5m/s。

2.3 參數設置及網格劃分

假設大氣溫度為20℃，氣壓100kPa，重力加速度設置為9.8m/m2，邊界條件中，z軸入口方向設置為“EULER”，出口方向設置為“WIND”，其他方向設置為“PLANE_WAVE”。用自定義爆炸氣體云團，處于罐內汽油液面之上。假設雷擊導致產生電火花引燃烴蒸汽云團，點火位置靠近儲罐右側邊緣。烴蒸汽組分比例：乙烷5%，丙烯7%，丙烷25%，丁烷47%，戊烷16%，油氣濃度為3.33%。整個模擬空間劃分為1702800個網格進行計算。

3 結果與討論

3.1 溫度場變化規律

油品揮發出來的烴蒸汽遇到點火源立刻發生快速的化學反應，并釋放出大量熱量，使周圍區域壓力和溫度迅速上升。這一過程屬于三維開敞無約束空間的爆燃過程。圖2給出了烴蒸汽云團被雷擊電火花點燃后溫度場的發展過程。在爆燃初始階段（=3.087s），點火源周圍可燃氣體首先發生化學反應，火焰處于層流燃燒階段。隨著參與反應的可燃氣云范圍的增大，層流燃燒火焰逐漸變為湍流燃燒火焰，化學反應逐漸加劇，火焰不穩定性增加，高溫區域范圍增大，溫度分布逐漸不均（=10.381s）。約17s后火焰擴展到整個儲罐液面以上。

筆者統計了爆炸發生后各監測點的最高溫度。2#油罐內部監測點（M1至M4監測點）溫度發生劇烈變化，最高溫超過2200℃，說明爆炸釋放的大量熱量可能對罐內設施產生嚴重的高溫破壞。而罐外監測點（M5至M9監測點）的溫度升高幅度有限，溫升均不超過1℃。由于爆炸發生的時間極短，加上罐壁的隔離作用，儲罐外部區域所受到的熱輻射總量不高，因此距離儲罐外區域溫度上升不明顯。

3.2 最大超壓分布規律

表1給出了各監測點的最大超壓值。罐內油氣發生爆炸后，各監測點處的超壓并不大，最高僅為1.55kPa（M2監測點），遠低于可能導致人體受輕微傷的超壓閾值20kPa。這是由于儲罐罐頂損壞，處于開敞狀態，有利于爆炸泄壓。盡管各監測點處超壓均不大，但依然呈現出距離爆炸油罐越遠超壓越小的規律，這種趨勢與爆炸后溫度變化規律是一致的。此外還可以看出，儲罐外監測點最大超壓在0.2kPa左右，遠低于罐內監測點的1kPa左右，這也是由于罐壁的阻隔作用造成的。

3.3 油氣濃度對超壓的影響

可燃氣體濃度是氣體燃燒爆炸過程的重要影響因素，只有可燃氣體濃度在其燃燒極限內時才可能發生燃燒爆炸。選擇M5監測點分析油氣濃度對爆炸超壓的影響，結果如表2所示。可以看出，燃爆超壓并不隨著油氣濃度增加而增大。當燃料-空氣當量比大于1時，可燃混合氣中所含實際空氣量少于所必需的理論空氣量，即空氣量不足，因此監測到的最大超壓隨之顯著降低。

4 結論

為探究成品油罐區燃燒爆炸事故的溫度和超壓分布規律，為事故毀傷后果評估提供依據，文中采用計算流體力學軟件FLACS對由6個50000m3內浮頂罐組成的汽油罐區發生的燃燒爆炸事故進行了模擬，事故由于罐頂破壞，浮盤下沉，油氣揮發形成爆炸云團后被電火花引燃而發生。研究結果表明：由于爆炸發生的時間極短，加之罐壁阻隔，儲罐外部區域所受到的熱輻射總量不高，因此只有發生爆炸的儲罐內部溫度急劇升高，儲罐外部區域溫度上升不明顯；由于儲罐罐頂損壞，處于開敞狀態，有利于爆炸泄壓，因此罐內油氣發生爆炸后各監測點處的超壓并不大，最高僅為1.55kPa，遠低于可能導致人體受輕微傷的超壓閾值20kPa；當油氣濃度較大時，由于空氣量不足，監測到的最大超壓顯著降低。

參考文獻

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收稿日期：2022-08-19

作者簡介：汪建光，男，福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，石化設備檢驗中心主任，高級工程師