泄漏孔形状对液化石油气泄漏扩散的影响

  翟美玉1，马贵阳1，王梓丞2

 （1．辽宁石油化工大学石油与天然气工程学院，辽宁抚顺113001;

 2．中石油新疆油田采油一厂，新疆克拉玛依834000）

摘要：基于液化石油气的特点，建立了有限空间内部发生泄漏扩散的物理模型，模拟了液化石油气泄漏扩散的过程，通过模拟结果分析其扩散规律，并对比当泄漏孔形状分别为正方形、圆形、三角形时液化石油气扩散过程的变化以及对所形成的的爆炸危险区域的影响。监测点1(0.8，0.3，0)，点2(2.4，0.3，2.5)，点3(0，0.3，1.5)，点4(2，0.3，3)的浓度变化，找出报警器的最佳安放位置。结果表明：泄漏时间相同，丙烷的扩散范围从大到小依次为三角形孔口、圆形孔口、正方形孔口，爆炸危险区域也与泄漏孔形状有关，三角形孔口的危险区域范围最广，其次是圆形泄漏孔，正方形泄漏孔的范围最小，点1处的丙烷浓度增长幅度较大，浓度较高，可以更早达到报警浓度。

关键词：液化石油气；泄漏扩散；数值模拟；泄漏孔形状；爆炸区域

中图分类号：X937 doi: 10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 02. 009

0  引言

 液化石油气逐渐成为人们生活中常用的气体燃料。液化石油气是一种易燃易爆的气体，当与室内的空气相混合，达到一定的浓度值时，遇到着火源，将会发生火灾爆炸等事故。目前已有大量的研究人员针对燃气泄漏的扩散过程进行了较长时间的研究，如Michal等提出了将仿真软件与模型相结合来分析气体扩散过程的研究方法；Young - Do Jo等利用Fluent软件对燃气扩散进行模拟，并将模拟结果与FLADIS场试验结果进行对比；张甫仁等通过模拟室内的燃气泄漏扩散得出室内燃气泄漏的分布规律；晏玉婷等模拟了埋地天然气管道的泄漏，对比了压力、孔径、泄漏位置对危险区域的影响；李朝阳等模拟了埋地及架空燃气管道的泄漏，得出埋地管道的爆炸范围小于架空管道；王树乾等得出不同的压力条件下，天然气泄漏扩散过程的变化；吴晋湘针对障碍物的尺寸及泄漏源等条件对可燃气体的泄漏进行了数值模拟。本文利用CFD软件Fluent对室内有限空间内部燃气泄漏扩散过程及爆炸危险区域受泄漏孔形状的影响进行数值模拟，为室内可燃气体泄漏的安全预防及处理提供重要依据。

1  数学模型

1.1  基本假设条件

  假定本文所研究的泄漏为连续泄漏，可燃气体和空气形成混合物，混合气体呈湍流流动状态，各组分之间不发生化学反应。管内的压力恒定，气体与室内的环境之间不发生热量交换。

1.2控制方程

  该研究中所涉及的方程有连续性方程、动量方程、本构方程和标准k - Ɛ组分运输方程。

1. 连续性方程

2气体泄漏量

  式中：P e为环境压力，Pa；P为燃气在管道内部的压力，Pa; Q m为燃气泄漏量，kg/s; C d为气体的泄漏系数，长方形孔口取0.9，三角形孔口取0. 95，圆孔口取1.0；K为绝热指数，取1. 29；A为泄漏孔口面积，m2；M为气体的摩尔质量，kg/mol ;T为燃气的温度，K; R g为

气体常数为8 314 J/( mol．K)。

3物理模型

1.  物理模型的建立

 建立如图1所示的三维物理模型，房间长4m，宽3m，高3.2 m，窗户长1.2 m，宽0.8 m，位于房间左壁面，门长2m，宽1 m，位于房间右壁面，内部障碍物长1.6m，宽0.6 m，高0.9 m，障碍物距离房间左壁面1.6 m，距离右壁面0.8 m，障碍物上平面4个点坐标为(1.6，0.9，0),(3.2,0.9,0),(3.2,0.9,0.6),(1.6,0.9,0.6)．障碍物顶面中心为泄漏孔，为了保证泄漏面积一定，分别取当泄漏孔为圆形时半径为0. 05 m，正方形时边长为0.088 5 m，正三角形时边长为0.13 m。

3.2  网格的划分

 本文利用Cambit首先对泄漏孔、窗户、门和障碍物顶面4条边进行线网格的划分，然后对整个体采取四面体网格单元，适当位置包含六面体、锥体和楔形单元( Tet/Hybird)的划分形式，泄漏孔处对网格进行加密处理，共划分299 855个网格单元。

3.3  边界条件的设置

 将时间项设置为非稳态，选取标准k-8湍流模型。启动组分运输模型，选取丙烷空气混合模型，其中丙烷的组分为85%，丁烷的组分为15%，选取重力和全浮力影响选项。通过湍流强度公式和水力直径公式，计算出泄漏孔、窗口、门处的湍流强度和水力直径，泄漏孔为质量流量入口，窗户为速度入口，门为压力出口，墙壁及障碍物壁面设置为固壁，选用Simple算法，时间步长设置为0.1 s。

4  模拟结果与分析

 设风速为静风，环境温度为293 K，相对湿度为40%，管道内部燃气的压力为103 325 Pa泄漏方向为y轴的正方向，对液化石油气泄漏扩散进行数值模拟，由于液化石油气的密度大于空气，液化石油气的报警器常安装在距离地面高0.3 m的位置，所以取平行于地面且距离地面0.3 m的横截面，与经过泄漏孔中心与障碍物后壁面平行的横截面进行数值分析。

4.1  孔口形状对扩散的影响

 图2由左至右依次为正方形孔口、圆形孔口、三角形孔口，泄漏Ss时，平面z=0.3 m的丙烷浓度分布云图和浓度等值线图，由浓度云图可以看出，泄漏出的丙烷气体逐渐向外扩散，并且丙烷的浓度分布范围从大到小依次是三角形孔口>圆形孔口>正方形孔口，由泄漏5s时的丙烷浓度等值线图可以看出，浓度为0. 05的等值线在泄漏孔分别为正方形，圆形，三角形时沿x轴方向上的距离依次为1. 08、1.28、1.48 m，浓度范围逐个增大。

 图3由左至右依次为正方形孔口、圆形孔口、三角形孔口，泄漏30 s时，平面y=0.3 m的丙烷浓度分布云图和浓度等值线图，由于液化石油气比空气重，所以泄漏后会向地面方向下沉扩散，由图可以看出，浓度为0. 05的等值线在泄漏孔分别为正方形，圆形，三角形时沿z轴方向上的距离依次为1.5、1.6、1.7 m，浓度范围逐个增大，且丙烷在障碍物两侧形成堆积，不易稀释。

 图4由上至下分别为正方形孔口、圆形孔口、三角形孔口，泄漏15 s时，室内的爆炸危险区域浓度云图，丙烷的爆炸下限为2.1%，爆炸上限为9.5%，所以取浓度0. 021~0.095的范围进行观察。由图可以看出，爆炸危险区域主要集中在障碍物附近，爆炸区域在泄漏孔分别为正方形、圆形、三角形时沿y轴方向上的距离依次为1.9、2.1、2.2 m，爆炸危险区域范围逐个增大，且逐渐向地面方向延伸，在泄漏气体扩散过程中，障碍物阻碍了气体的运动路径，部分气体绕过障碍物向前运动，在障碍物的两侧堆积了大量的丙烷气体，丙烷浓度逐渐增大，障碍物的两侧危险性较高。

4.3泄漏孔发生旋转对扩散的影响

 图5所示为当泄漏孔为三角形时泄漏30 s的丙烷浓度分布云图，其中第一幅图泄漏孔未旋转，第二幅图泄漏孔绕障碍物顶面中心逆时针旋转300，第三幅图旋转600。由该图可以看出，当泄漏孔的形状不变且发生旋转时丙烷的浓度分布范围有所减小，这是因为泄漏孔

的旋转相当于泄漏位置改变，当其他条件固定时，泄漏位置的改变会使燃气的扩散路径有所改变，从而使燃气的分布发生变化。

4.4不同位置的丙烷浓度

  选取泄漏孔为圆形时，后壁面点1(0.8，0.3，0)，右壁面点2(2.4，0.3，2.5)，左壁面点3(0，0.3，1.5)，前壁面点4(2，0.3，3)四个点为研究对象，进行不同时间的丙烷浓度值比较，研究不同的安装位置丙烷浓度变化的规律。很据国家相关规范，在温度15~35℃时，报警器对液化石油气浓度的报警值一般在其体积分数为0.1%~1%的范围内。

 图6为安装点1~4在0~30 s时间内的丙烷浓度变化曲线，由图可以看出点1处的丙烷浓度增长幅度较大，由于点1、2处距离泄漏口的水平位移相同，所以在前13 s，点1和点2处的丙烷浓度曲线近乎重合，点1处的丙烷浓度略高于点2，由于点3位于窗口附近，所以泄漏出的丙烷气体与空气充分混合，使该处的丙烷浓度值最小。点4位于前壁面，距离泄漏孔较远，所以点4处的丙烷浓度要小于点1、2处。因此，报警器安放在点l处，可以更早的达到报警浓度。

5  结论

 1)管内压力一定，泄漏面积相同时，泄漏孔的形状对液化石油气的泄漏扩散过程有着一定的影响。泄漏时间相同，三角形孔口泄漏出的液化石油气分布范围更广，其次是圆形泄漏孔，分布范围最小的是正方形泄漏孔。

 2)爆炸危险区域也受泄漏孔形状的影响，当泄漏15 s时，爆炸区域在泄漏孔分别为三角形、圆形、正方形时沿y轴方向上的距离依次为2.2、2.1、1.9 m，爆炸危险区域范围依次减小，且危险区域主要集中在障碍物附近，障碍物阻碍了气体的运动路径，部分气体绕过障碍

物向前运动，在障碍物的两侧堆积了大量的丙烷气体，障碍物的两侧危险性较高。

 3)在所监测的四个点中，点1处的丙烷浓度值增长迅速且增长幅度较大，能更快的达到报警浓度值，所以可以优先考虑与泄漏口距离较近处的后壁面安装点1处来安装报警器，以争取更多的抢救时间。