立式储油罐油气爆炸数值模拟研究

王志强

大庆油田工程建设有限公司

近年来，我国经济所依靠的石油能源需求日益增长，油气储罐建设工程随之增多。多年运行的储油罐维修改造项目，由于封堵不严、罐板腐蚀穿孔等，在焊接、切割、打磨时，会导致火灾和爆炸事故，威胁人们的生命安全，同时造成巨大的经济损失[1-2]。本文针对380 m3储罐建立模型，采用有限容积法分析油气在储罐内的爆炸燃烧情况，对比分析不同工况下油气的爆炸燃烧时间及罐内温度场的变化规律。

1 模型建立

由于油气爆炸发生在罐内，几何结构较为简单，采用直径为8 m、高12 m的二维几何模型，在储罐罐内右上方设置半径为10 mm 的点火源，模型采用四面体网格划分，网格尺寸20 mm，对点火区域网格局部细化，几何模型及网格划分如图1所示。

图1 储罐结构图及网格划分Fig.1 Tank structure diagram and grid division

密闭空间气体爆炸过程是一个快速的燃烧反应过程，满足质量守恒、动量守恒、能量守恒及化学组分平衡方程，本文基于总能的RNG k-ε 湍流模型，对k 方程和ε 方程进行修正，从而实现方程组的封闭[3-4]。

质量守恒方程

动量守恒方程

能量守恒方程

化学组分平衡方程

修正k 方程

修正ε 方程

式中：ρ 为气体组分的密度，kg/m3；ui、uj分别为气体组分在i、j 坐标方向的速度矢量，m/s；p为压强，Pa；μeff为流动过程中总流动黏性；δij为克罗内克算子；E 为总能量；keff为有效换热系数；T 为气体温度，℃；Qs为原项；w、ws为耗散项；fs为组分的质量分数；Deff为有效扩散系数；k 为湍流脉动动能；ε 为湍动能耗散率；αk、αε为随湍流流场变化的系数；Gk为速度梯度引起的湍流动能k 的产生项；YM为考虑流场可压缩性的修正项；C1ε为常数，取值1.42；C2ε为常数，取值1.68；Rε为方程修正项。

2 初始条件及边界条件设置

计算模型选择二维双精度模型压力求解器，采用SIMPLEC 算法，加入有化学反应的组分运输模型[5]，由于油气组分与庚烷的分子结构决定了其爆炸极限、扩散系数、黏度、沸点、熔点及相对分子质量等近似为平均物性[5]，罐内以庚烷作为单一油气进行模拟，罐内压力为1标准大气压。确定按照罐内初始油气浓度、初始氧气浓度条件分析油罐爆炸燃烧的点火温度，设置为1 200 K，不同时刻、不同温度油罐油气爆炸燃烧的初始点火温度分别为600 K 和1 200 K，其他区域温度为313 K，整个区域初速度设置为0，对于罐壁面按典型的无滑移、无渗透边界设定，材料为钢材，壁厚为0.01 m，壁面绝对粗糙度为0.001 m[6-7]。

3 数值模拟结果及影响因素分析

目前，国内外关于气体爆炸过程影响因素研究较多，但大部分研究集中于爆炸发展规律和爆炸机理，而对于密闭油气储罐气体爆炸过程影响因素的组分含量分析和数值模拟计算较少[8-10]。本文基于380 m3小罐，分析初始油气浓度、罐内初始氧气浓度及初始点火温度对油罐爆炸燃烧情况的影响。

3.1 罐内油气初始浓度对油罐油气爆炸过程的影响

图2 分别为不同时刻油气浓度2.5%和6%（体积分数）油气爆炸燃烧温度场云图。从图2可以看出，浓度为2.5%的油气燃烧至整个罐需要1.6 s，而浓度为6%的油气则需要2.6 s，且燃烧趋于稳定时的温度分别为2 240 K和1 870 K。这是因为油气的燃烧浓度存在一个最佳浓度值，通过相关文献可知庚烷的最佳燃烧浓度为2%～3%[5]，只有处于最佳值范围内，爆炸燃烧才会释放出最大的能量，燃烧温度达到最大。

图2 不同时刻不同油气浓度油气爆炸燃烧温度分布云图Fig.2 Cloud chart of explosion and combustion temperature distribution of oil and gas at different time and concentration

3.2 罐内初始氧气浓度对油罐油气爆炸过程的影响

图3分别为罐内初始含氧浓度21%和15%（体积分数）情况下不同时刻的油气爆炸燃烧温度分布云图。从图3 可以看出，21%的含氧浓度条件下油气爆炸燃烧过程较快，同时温度明显高于15%含氧浓度的油气爆炸温度。这是因为罐内初始氧气含量存在一个最优值范围，当罐内初始氧气浓度低于最佳值时，气体则会发生贫氧燃烧，不但会降低燃烧火焰的发展速度，同时还会降低燃烧温度。

图3 不同时刻不同含氧浓度油气爆炸燃烧温度分布云图Fig.3 Cloud chart of explosion and combustion temperature distribution of oilandgas with different oxygen concentration at different time

3.3 初始点火温度对油罐油气爆炸过程的影响

图4分别为初始点火温度为600 K和1 200 K情况下不同时刻的油气爆炸燃烧温度分布云图。从图4 可以看出，点火温度为600 K 的油罐，0.6 s 时的最高温度为1 590 K，而点火温度1 200 K的油罐此时已经进入稳定燃烧阶段，温度达到了2 240 K，到达1 s 时点火温度较低的储罐也进入稳定燃烧阶段，相比于点火温度高的储罐，燃烧进程相对较慢，这是因为相同条件下，气体点火温度越高，气体的活化分子越多，因而使得燃烧反应速度加快。

图4 不同时刻不同点火温度油气爆炸燃烧温度分布云图Fig.4 Cloud chart of temperature distribution of oil gas explosion and combustion with different ignition temperature at different time

4 结论

本文采用Fluent 软件对380 m3小罐内油气爆炸进行数值模拟，对比计算并分析了不同影响因素下不同时刻小罐内油气的爆炸燃烧情况。结果表明：小罐内油气爆炸燃烧受油气浓度、初始罐内含氧量及点火温度等不同因素的影响，通过数值模拟得到油气浓度和罐内含氧量均存在一个最佳值；在最佳油气浓度和初始含氧量的瞬间，达到了爆炸浓度极限，遇到温度高的火源发生爆炸，并且扩散燃烧，爆炸中心点及扩散区域的温度达到最大；2.5%油气浓度的爆炸可以达到最大的温度并释放出最大的能量，为最佳浓度。对比了含氧浓度为15%和21%时的油气爆炸温度，模拟结果表明，21%含氧浓度条件下油气爆炸进程优于含氧浓度为15%的工况，初始罐内含氧浓度低于21%时，气体则会发生贫氧燃烧，会减缓爆炸的发展速度，降低爆炸中心点及扩散区域的温度。气体点火温度越高，气体的活化分子越多，因而使得燃烧反应速度加快。在日常施工作业时，明火、焊渣飞溅、电火花、静电火花、高热物、高温表面等均会引发火灾造成爆炸燃烧，因此本文的研究对实际工程应用具有积极的借鉴和警示作用。