球罐内气体泄漏扩散特性模拟及可燃区域预测

摘要

球罐是石油、化工行业气体介质的主要存储方式，一旦发生泄漏，内部易燃、易爆或有毒的介质极易引发事故，因此预测气体泄漏扩散后的可燃区域对实施救援和减少损失具有重要意义。现有研究采用的预测模型存在一些不足，尤其是目前广泛使用的计算流体动力学模型，基本上将扩散问题简化为气体以一定速度进入计算区域，无法考虑泄漏口近场流场，无法准确描述高压可压缩气体泄漏、扩散时的真实特性。基于此，本文采用计算流体动力学方法，建立能够综合考虑球罐内高压气体泄漏及扩散过程中泄漏口近场及扩散远场的模拟模型，研究球罐内天然气的泄漏、扩散特性，通过大量模拟计算，建立甲烷气体泄漏扩散可燃区域预测模型。
　　本文主要研究内容和结论如下:
　　(1)依据实际球罐尺度建立了高压气体泄漏扩散的数值模型，该模型能够同时反应泄漏口附近流场及扩散远场形貌。系统地对近场形貌的定性、定量验证及远场扩散尺度进行验证，确定了模型的可靠性。
　　(2)利用已确定模型研究了甲烷气体在不同泄漏状态（临界及亚临界）下，泄漏口附近和扩散远场的浓度、压力、速度等参数的变化规律。研究表明临界泄漏状态下，3MPa内压、150mm泄漏孔径以及无风时可燃区域最大水平距离为47.3m，最大垂直距离为10.24m，可燃区域末端产生“蘑菇云”形貌。泄漏口处喷射的气体存在膨胀压缩过程，压力和速度发生较大的波动，形成的负压区对周围空气具有卷吸效应，泄漏口附近出现了马赫盘;亚临界状态下，可燃区域末端不存在“蘑菇云”形貌。泄漏后的流场不存在膨胀压缩现象，压力和速度不存在波动。对比发现，临界泄漏的可燃区域无论在横向纵向范围都超过亚临界状态。高压甲烷发生泄漏时，数秒内即达到稳定，重力项对泄漏扩散的影响较小。
　　(3)基于以上研究得出，高压气体泄漏扩散的可燃气云形状分为柱状稳定射流部分和“蘑菇云”部分。定义可燃区域水平距离Lma、可燃气云竖直高度Hmax、和蘑菇云直径Dmax量化可燃气云形状。分别研究了罐内介质压力、泄漏孔大小以及风速对可燃气云尺度参数（Lmax、Hmax、Dmax）、泄漏量、可燃气体体积以及压力速度的影响。研究表明，可燃区域尺度(Lmax、Hmax、Dmax)、泄漏量、可燃体积均随介质压力以及泄漏孔径呈线性增长。介质压力在超过一定范围后，泄漏口附近的膨胀压缩波系不复存在。随着内压的增加马赫盘越加明显且马赫波尺度增大;泄漏量与口径大小呈二次幂函数关系。可燃体积与泄漏孔径呈幂函数关系;风速对可燃浓度区域影响较为复杂，顺风风速大于5m/s以及逆风风速大于10m/s时，可燃区域水平距离Lmax增大;其他风速下Lmax几乎不变。考虑到工程应用，风速对Hmax、Dmax的影响可以忽略。
　　(4)针对数值模拟所得结果，建立了甲烷气体泄漏扩散后可燃区域的预测方法。通过对罐内介质压力Pm、泄漏口直径dv的双重拟合以及风速影响的修正，对预测模型参数Lmax、Hmax、Dmax进行了量化，得到工程中较为合理的预测值。综上，模拟所得气体泄漏扩散特性以及可燃区域的预测符合工程需要。