液化石油气球形罐安全墙条件下泄漏扩散与爆炸后果的数值研究

《ACS Omega》：Numerical Investigation of LPG Leakage Dispersion and Explosion Consequences in a Spherical Tank with Safety Walls

　　

液化石油气(LPG)从球形罐泄漏可形成近地可燃蒸气云，并引发火灾与爆炸危害。研究人员建立了1000 m3 LPG球形罐的三维FLACS模型，在静风大气条件下研究安全墙几何参数对蒸气云扩散与爆炸后果的影响。研究评估了9种墙体配置，指标包括扩散距离、等效可燃云体积(Q9)、爆炸超压与温度。安全墙抑制了蒸气云向外迁移，但促使气体沿墙内侧积聚。墙高与罐壁至墙间距的影响强于墙厚。M2工况（墙高0.9 m、间距3 m）产生最高Q9max、Pmax与Tmax，分别为20.76 m3、0.0133 barg、2202.02 K。点火延迟由5 s增至180 s时，Pmax由0.0101 barg升至0.0130 barg，源于蒸气云持续积聚。所研配置中，墙高0.6 m配合间距5 m在限制外扩、降低局部积聚与爆炸超压方面取得较优平衡。

研究背景方面，液化石油气(LPG, Liquefied Petroleum Gas)主要由丙烷与丁烷组成，常以加压液体形式储存于球形压力容器(spherical pressure vessel)中。设备老化、阀门或密封失效、操作失误可导致失去包容(loss of containment)，释放后快速闪蒸形成近地致密可燃蒸气云。连续加压释放即时点燃多为喷射火(jet fire)，延迟点燃可成闪火(flash fire)或在壅塞/受限条件下发展为蒸气云爆炸(VCE, Vapor Cloud Explosion)；外部受热还可能引发沸腾液体膨胀蒸气爆炸(BLEVE, Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)。Feyzin、San Juanico、西安1998、温岭2020等事故显示LPG失控具多路径升级特征。实际罐区常设安全墙(safety wall)防止泄漏气体外逃，但安全墙同时减缓气流、阻碍稀释、限制泄压，可能加剧火焰传播与超压破坏。因此，研究人员以FLACS为平台，针对带安全墙的1000 m³ LPG球形罐区，量化墙高、墙厚、罐墙间距对泄漏扩散与延迟点燃VCE的影响，论文发表于《ACS Omega》。

关键技术方法上，研究人员采用基于RANS的k–ε湍流模型描述泄漏扩散，燃烧采用FLACS的β-model描述火焰区加厚与反应速率修正；物理模型为直径12.3 m、底距地2 m的1000 m³球形罐，设9种安全墙配置（M0–M8），漏点置于罐底坐标(0,0,0.85) m、孔径25 mm、+X方向、存储压1.2 MPa的声速阻塞流(choked-flow)，质量释放率1.72 kg/s，环境温度20 °C，静风条件；网格采用分区笛卡尔网格，近源0.05 m细化，扩散核心网格0.50 m，爆炸均匀网格0.50 m×0.50 m×0.50 m；初始火云由瞬态三维浓度场直接传入爆炸计算以避免均匀化误差；模型适用性用Schleder等的丙烷主导现场释放实验以FAC2（因子二倍准则）验证，超90%测点落入可接受区间。

研究结果如下。

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   Numerical Simulations：研究人员给出质量、动量、能量守恒及k、ε方程，并给出燃烧阶段燃料质量分数与进度变量方程，明确FLACS以有限体积法求解可燃混合物输运与反应。

2.1. Mathematical Model：泄漏扩散由质量守恒、动量守恒、能量守恒及k–ε模型刻画；爆炸由燃料输运方程与β-model反应率方程刻画，其中火焰区扩散系数增大、反应速率系数变为1/β。

2.2. Physical Model and Simulation Cases：按GB 50351?2014设安全墙，球体1000 m³、直径12.3 m、底高2 m，九案覆盖墙高0.6/0.9 m、墙厚0.3/0.5 m、间距3/5 m；研究人员由此系统比较几何参数影响。

2.3. Grid Generation and Mesh-Sensitivity Assessment：研究人员对0.30、0.40、0.50、0.60、0.75 m扩散网格及0.40、0.50、0.60 m爆炸网格做敏感性分析，未获严格单调收敛，故取0.50 m为核心/爆炸网格以兼顾计算量与非均匀浓度场分辨率。

2.4. Boundary Conditions：漏点设于罐底辅助构件易漏区，25 mm孔、+X向、1.2 MPa临界流，算得1.72 kg/s；静风无风以凸显墙几何相对效应，结果作为无风基线比较而非全气象代表。

2.5. Model Applicability and Validation：以97 vol%丙烷现场释放简化验证，十监测点峰值浓度超90%满足FAC2；但主模拟为40 vol%丙烷–60 vol%丁烷、25 mm孔、1.72 kg/s阻塞流，验证仅支持下游致密气输运与近地浓度分布预测。

1. 3.
   Results and Discussion：研究人员将过程分为初期射流扩散与后期近壁积聚两阶段。

3.1. LPG Leakage Dispersion Results：无墙时云团自由外扩；有墙时外扩受抑、内侧积聚增强。墙高0.6→0.9 m抑制溢流但提高近壁浓度；间距3→5 m使射流动量衰减、稀释增强、积聚减弱；墙厚0.3→0.5 m影响很小。

3.1.1. Temporal Evolution of LPG Dispersion under Different Safety-Wall Conditions：研究人员观察Z=0.6 m云场，初期高压射流沿泄漏向快速铺展，随后墙体阻挡使气体内侧横扩并形成高浓度带。

3.1.2. Effects of Safety Wall Configuration on Dispersion Consequences：以最大扩散距D_max与等效可燃云体积Q9评价，M0的FLAM峰33.655 m³、Q9峰13.998 m³；Q9经层燃速度与前压膨胀修正，比FLAM更合理表征有效火险体。墙高增使X向D_max降、Y向升；间距增使X/Y向均降；墙厚影响不显著。

讨论部分总结：研究人员指出安全墙具双向效应——限外扩却促内侧积，墙高与间距为主导，墙厚次之；无墙Q9_max低于所有带墙工况，说明墙体总体抬高等效火险体。研究意义在于把安全墙从“防扩散构造”重新理解为“改变近地火险分布与超压风险的几何因素”，为LPG罐区墙高、间距设计提供FLACS基线证据。

结论部分翻译：在静风条件下，安全墙限制LPG蒸气云向外迁移但促进其沿墙内侧积聚；墙高与罐至墙间距对扩散距离、等效可燃云体积(Q9)、爆炸超压(P_max)与温度(T_max)的影响大于墙厚。M2（墙高0.9 m、间距3 m）给出最高Q9_max=20.76 m³、P_max=0.0133 barg、T_max=2202.02 K；点火延迟由5 s增至180 s，P_max由0.0101 barg升至0.0130 barg，因云体持续积累。所评配置中，墙高0.6 m配合间距5 m在限制外扩与降低局部积聚及爆炸超压间提供最有利平衡。