卸油管断裂汽油泄漏扩散数值模拟研究

高建淑 李润求,2,3 教授 邱岚伊 崔 燕,2,3 讲师 刘 勇,2,3 副教授

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南 湘潭 411201;3.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制应急管理部安全生产重点实验室,湖南 湘潭 411201)

0 引言

汽油是一种重要燃料,应用非常普遍。在城市的发展建设过程中,汽车加油站的数量不断增加,其位置也逐渐向城市中心靠近。加油站作为充装汽油、柴油等油品的场所,站内储存的都是易燃易爆危险品,火灾危险性大,尤其在油品装卸过程中,容易发生由于油品泄漏引发的火灾或爆炸事故[1-2]。如2017年7月26日,贵港市港北区建设西路一加油站发生油品泄漏事故,约3 000L汽油从加油站地下储存罐泄漏;2022年11月14日,广西梧州一油罐车在装卸时自燃起火,迅速引燃旁边2辆油罐车。汽油一旦泄漏,将会产生重大安全隐患,如果处理得当,对周边人员及外界环境影响较小;如果处理不当,会对周围人员、设备、环境都造成巨大的危害,还有可能引发二次事故[3]。

为研究汽油泄漏规律,蒋依等[4]对近10年的罐车燃油泄漏火灾事故特性进行分析,得出罐车燃油泄漏火灾事故的相关规律;张志坚等[5]考虑相邻储罐之间的影响,通过FLACS软件,建立罐区三维模型,分别讨论汽油泄漏后油池和可燃气云在不同泄漏速率、温度、风速影响的扩散行为,研究表明油池及可燃气云扩散速度越快,危险程度越高,而温度对油池扩展及气云扩散影响较小;王旭等[6]以某罐区汽油泄漏为例,通过FLACS软件建立汽油储罐泄漏模型,在泄漏源周围设置监测点,得出可燃气体探测器的最佳设置高度;齐玉凤等[7]通过对汽油泄漏池火灾的燃烧特性参数进行分析,重点研究油池直径对安全间距的影响,并结合具体案例对汽油池火灾的热辐射范围进行经验估算和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真模拟分析,结果表明热辐射通量随油池直径的增大而急剧增大;Katsuhiro等[8]提出一种更适合于封闭空间的汽油泄漏扩散蒸发的预测模型,根据该模型对汽油处理区域爆炸风险进行评估;Ronald等[9]、Mritunjay等[10]通过实验确定汽油泄漏会引起蒸发质量流量,在大型泄漏的情况下,排放物主要与危险爆炸性环境的形成有关,最后得出蒸发质量流量在泄漏大小和不同环境条件下的相关性;徐大用等[11]采用FLACS软件模拟汽油泄漏后的起火燃爆和形成可燃气云发生爆炸2种事故后果,得出可燃气云爆炸的事故后果比燃爆更严重;杨柳[12]通过加油站卸油作业中发生火灾爆炸的典型事故案例,分析卸油作业火灾爆炸的事故特点及事故原因,探讨预防汽车加油站卸油作业火灾事故的主要技术措施。

目前,对于装卸过程中汽油罐车的泄漏问题研究较少,且目前研究主要集中在燃油储罐区泄漏,以及池火灾和气云扩散等方面。但在装卸作业中由于输液管断开、破裂、密封垫破损、接头紧固栓松动等导致汽油泄漏的情况时有发生,因此对装卸作业中汽油罐车泄漏问题进行研究有重要的现实意义。

综上,本文应用FLUENT软件,对在加油站进行装卸作业时发生的汽油泄漏场景进行模拟,研究不同管径卸油管断裂的泄漏情况,从而获得不同管径卸油管断裂汽油泄漏的规律,以期为装卸过程中的汽油罐车泄漏事故处理与防控提供依据。

1 泄漏模型和条件假设

1.1 液相泄漏模型

汽油在《危险化学品名录》中属于第3类:易燃液体,常温下汽油外观为透明易流动液体,空气中含量为74～123g/m3时遇火爆炸。当汽油储罐发生泄漏时,汽油会以液态形式从泄漏孔流出,泄漏速率可用流体力学的伯努利方程进行计算:

(1)

式中:

Q—液体泄漏速度,kg/s;

Cd—液体泄漏系数,本文取0.65;

A—泄漏口面积,m2;

ρ—泄漏液体密度,800kg/m3;

P—容器内介质压力,取100kPa;

P0—环境压力,取101kPa;

g—重力加速度,9.8m/s2;

h—裂口上液位高度,m。

1.2 组分运输模型和湍流模型

本文所述汽油泄漏后的流动可视为湍流流动过程,湍流模型选择标准k-ε模型,此模型由Launder和Spalding提出,因其稳定、计算精度高等优点使之成为湍流模型中应用范围最广的一个模型[13]。模拟汽油液相泄漏过程中,使用组分运输模型模拟汽油泄漏过程。

无反应多组分运输模型:

(2)

式中:

v—运动粘度,m2/s;

Yi—第i种组分的质量分数;

Ji—物质i的扩散通量;

Ri—第i种组分生成产物净产生速率;

t—时间,s;

Si—离散相及用户定义的源项导致的额外产生率。

湍动能k方程和湍动耗散率ε方程的输运方程为:

(3)

(4)

式中:

k—湍流动能,m2/s2;

ε—湍流动能耗散率,m2/s3;

ρ—密度,kg/m3;

ui—时均速度,m/s;

μ—湍流粘度,Pa·s;

μi—湍流粘性系数,Pa·s;

xj、xi—空间坐标;

Gk—平均速度梯度产生的湍流动能;

Gb—由浮力产生的湍流动能;

YM—在可压缩湍流中脉动扩散产生的波动;

C1ε、C2ε、C3ε—常量,取值为C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09;

σk、σε—湍动能k方程和湍动耗散率方程的湍流普朗特数,为σk=1.3,σε=1.0;

Sk、Sε—用户自定义源项。

1.3 模拟条件假设

加油站油罐车的卸油管管径一般是DN50、DN65、DN80、D100等,因此输液管断开、破裂、密封垫破损、接头紧固栓松动等非密闭式卸油导致的泄漏问题,都可以简化为泄漏口大小的问题,所以取管径为DN50、DN65、DN80和DN100的管作为研究对象,取泄漏口半径为25、32.5、40和50mm。模拟的假设和简化条件如下:

(1)加油站卸油管断裂多数是由于外力拖拽所致,导致油管脆弱部分发生断裂或者直接从接口处断开,为简化模型,设定泄漏口为油罐车罐体卸油口处。

(2)模拟过程中,泄漏源的源强为连续、均匀的,泄漏速率由上述公式(1)换算得到。

(3)环境温度取湘潭市年平均气温26.85℃,在整个扩散过程中不发生变化,始终保持初始设置状态且与外界无热量交换。

(4)当外界风速影响时,不考虑风向变化,由于正常情况下卸油为密闭式卸油,风速对卸油作业影响不大,故取风速为2m/s,风向为泄漏方向。

(5)泄漏汽油遵循质量守恒定律,泄漏过程中不发生化学反应和相变反应。

2 汽油罐车泄漏物理模型

2.1 物理模型构建

本文结合湘潭市某加油站的现场调研数据,根据汽油运输罐车的大小,建立罐体长7.5m,直径2.5m,距离地面高度1.25m的圆筒形储罐模型。罐体有效容积为35m3,根据湘潭市某加油站的实际尺寸将泄漏扩散空间计算域简化为长×宽×高(35m×25m×5m)的长方体,罐体位于空间距底面0.75m处,使用Workbench中的ICEM模块对模型进行结构化网格划分,网格数量为25万个。考虑到计算精度及计算时长问题,采用局部网格加密方法,仅对罐体泄漏口的网格进行加密,总体如图1所示。图1(a)中箭头方向为X轴正方向且为风向,左侧为风速入口,右侧为出口;风速入口和泄漏口都定为速度入口(Velocity Inlet),罐体和四周设为固定绝热壁面(Wall)条件。

图1 物理模型Fig.1 Physical model

2.2 模拟条件设定

卸油管断裂汽油泄漏扩散数值模拟工况,见表1。

表1 模拟工况Tab.1 Simulated working conditions

3 泄漏模拟结果分析

表2为油罐车卸油时输液管断裂的情况下,模拟不同管径输液管的泄漏情况,得到的地面汽油的质量分数(%)分布云图。

表2 不同管径输液管在不同泄漏时间地面汽油的质量分数(%)分布云图Tab.2 The cloud map of the gasoline mass fraction distribution on the ground under infusion tubes with different tube sizes at different leakage times

由表2可以看出,泄漏时间达到5s时,泄漏口半径为25mm的情况,地面的汽油主要集中在泄漏口下方,刚开始泄漏,地面汽油还没有较大的流动;32.5mm时,地面的汽油有轻微的流动;40mm时,较前2个泄漏半径流动面积更大一点;50mm时,在地面形成的汽油液池较前3个泄漏半径都大,由于刚开始泄漏,4种泄漏情况下的地面汽油质量分数都接近0.3,但是50mm的泄漏口半径在地面的流动趋势已经显现。

泄漏到10s时,4种泄漏情况都有明显的流动扩散趋势,由于汽油泄漏时存在初始动量,并且在环境风速的影响下,汽油流动主要向正前方及两侧方向,以及在泄漏方向上,距罐体越远,汽油向地面前端扩散速度比向两端扩散快,由表2中10s泄漏情况可以看出,整个泄漏扩散范围呈正前方有尖端的扇形展开。

泄漏到60s时,大致可以看出整体的流动趋势,25mm泄漏口半径的情况下,汽油在地面的流动量不大,虽然整个计算域约有1/3的区域都有汽油的覆盖,但是泄漏口正下方小区域的汽油质量分数在0.3左右,周围的汽油质量分数在0.1～0.2之间,由于泄漏到地面的汽油量较少,流动很孱弱;32.5、40和50mm的泄漏口半径,地面汽油的覆盖约3/4,与25mm时的流动扩散情况截然不同,只有流动边缘的汽油质量分数在0.1～0.2,中间及周围区域的汽油质量分数都在0.3左右。2种情况下的扩散趋势与之前一致,呈有尖端的扇形,正前方的流动较快一些。60s时虽然不同孔径的泄漏扩散范围有所增加,但是汽油在地面并没有大面积的堆积,因此发生池火灾的可能性也相对较小。

泄漏到360s时,25mm泄漏口半径的汽油覆盖区域相较于60s增加不多,在之前覆盖面积的基础上,地面汽油的质量分数有微弱的增加,汽油在地面有微弱流动;32.5mm时,较之前的流动与厚度增加都不明显;40mm和50mm时,地面汽油几乎占据了整个计算域,汽油的质量分数也都在0.3左右。从表2中360s的泄漏情况可以看出,40mm泄漏口半径的情况下,泄漏口下方的汽油质量分数较高,已经几乎覆盖了整个计算域,但是边缘的汽油质量分数较低;50mm泄漏口半径的情况下,汽油的地面覆盖度明显增加,最前方的汽油已经流出计算域,左右两侧也扩散到了计算域边缘,汽油质量分数较中间有所下降,而泄漏口下方的区域,汽油质量分数接近0.7。

泄漏孔径的增大,汽油的泄漏量也随之增大,但随着泄漏时间的增加,相应的泄漏量并没有成比例的增加,经计算得,50mm泄漏口半径泄漏360s的泄漏量是25mm的4.3倍,从图2可以更加明显地看出。

表3为汽油泄漏360s时,y=0平面的汽油质量分数(%)分布云图(即地面汽油的厚度)。

表3 不同管径输液管泄漏360s时y=0平面汽油质量分数分布云图Tab.3 The cloud map of the gasoline mass fraction distribution in y=0 plane at 360s under infusion tubes with different tube sizes

从表3可以看出,泄漏到360s时,4种情况下的泄漏孔流出的汽油在地面的堆积有明显的区别。表3中25mm泄漏口半径垂直于地面方向的汽油质量分数分布云图,可以看出,只有泄漏口下方的一小块区域有汽油堆积,这是由于汽油流到地面集中在这个区域,从这个区域开始向外扩散,结合表2中360s时半径25mm的地面汽油质量分数云图可以看出汽油在地面流动不大的同时流动量也很小,在地面几乎没有堆积,只在地面覆盖较薄的一层;从表3中32.5、40mm泄漏口半径可以看出,地面汽油堆积厚度与范围较表3中25mm泄漏口半径有所增加,但是也没有堆积;表3中50mm泄漏口半径情况可以看出,在地面正中间的区域,汽油的地面堆积占据了计算域的3/4,同时由表2中泄漏360s时泄漏口半径50质量分布云图可以看出,在泄漏口正下方的位置,汽油质量分数较大,汽油的扩散覆盖了整个计算域,并且在地面有大面积的汽油堆积,表3中泄漏口半径50与25mm相比也可以看出明显的流动和堆积,50mm的泄漏口孔半径在地面的覆盖厚度是25mm的5倍左右。结合表2中360s时和表3中泄漏口半径50mm的泄漏情况可以看出,50mm的泄漏口半径泄漏到360s时,地面已有大面积的汽油堆积,形成液池发生池火灾的可能性大幅增加,相应的危险性也增大。

4 结论

本文模拟了在加油站卸油时由于输液管断裂导致汽油泄漏的情况,分析了半径为25、32.5、40和50mm的卸油管汽油泄漏的扩散情况,通过对模拟结果分析得出了以下结论:

(1)卸油管断裂导致汽油泄漏情况下,汽油在地面的扩散为沿泄漏方向正前方有尖端的扇形扩散,扩散速度较大且正中间的扩散速度最大。

(2)4种不同孔径的卸油管泄漏10s时,汽油在地面的覆盖面积及扩散趋势差别不大,即泄漏初期,泄漏孔径大小对汽油在地面的扩散范围影响不显著;在泄漏到60s时,不同泄漏孔径下汽油在地面的覆盖面积差别才有所显现;泄漏到360s时,不同孔径对汽油在地面的扩散及堆积厚度影响非常显著。