池火灾环境下石化管廊管道热响应规律数值模拟_周宁.pdf

1安全技术及工程池火灾环境下石化管廊管道热响应规律数值模拟*周宁1，2恽曙斌1李雪1黄维秋1袁雄军1杨春海3赵会军1（1.常州大学 石油工程学院，江苏 常州 213164；2.常州大学 怀德学院，江苏 靖江 214500；3.常熟理工学院，江苏 苏州 215506）摘要以上海化工园区某段管廊为研究对象，采用FDS软件构建在池火灾环境下石化管廊管道模型，研究石化管道在池火灾下的受火过程及管道热响应规律。结果表明，火灾功率对池火灾影响最大；随着火灾功率的增大，池火上方管道达到最高温度时间缩短，温升速率增大，管道位置对于温度上升的影响逐渐减小，不同位置管道的温差呈现先增加后减小的趋势；当风速大于 1 m/s 时，风速每增加 0.5 m/s，管道峰值温度降低 20%；增大油池尺寸可有效增强火焰对油池位置偏移的抗性；并根据石化管廊管道池火灾下热响应规律，建立管廊管道温升公式。关键词石化管廊池火灾管道温升数值模拟 FDSNumerical simulation of thermal response of petrochemical pipe gallery under pool fire environmentZHOU Ning1，2YUN Shubin1LI Xue1HUANG Weiqiu1YUAN Xiongjun1YANG Chunhai3ZHAO Huijun1（1.College of Petroleum Engineering，Changzhou University，Changzhou Jiangsu 213164,China）AbstractIn this paper，taking a section of the pipe corridor in Shanghai Chemical Industry Park as the research ob-ject，FDS software is used to construct a model of the petrochemical pipe corridorin the poolfire environment，in orderto study the fire process and thermal response law of the petrochemical pipeline under the pool fire.The results showthat the fire power has the greatest impact on the pool fire；with the increase of the fire power，the time for the pipelineto reach the maximum temperature above the pool fire is shortened，the temperature rise rate increases，and the influ-ence of the pipe position on the temperature rise gradually decreases，and the temperature difference of the pipeline indifferent positions shows a trend of first increasing and then decreasing；when the wind speed is greater than 1 m/s，the peak temperature of the pipeline is reduced by 20%for every 0.5 m/s increase in the wind speed；increasing thesize of the oil pool can effectively enhance the resistance of the flame to the position offset of the oil pool.Accordingto the heat response law under the fire of the pipe pool of the petrochemical pipe corridor，the temperature rise formulaof the pipe corridor is established.Key wordspetrochemical pipe gallerypool firepipe temperature risenumerical simulation FDS0引言我国化工园区于 20 世纪 90 年代起步，2000 年以后呈快速发展势头，公共石化管廊确保了气体、液体物料在各企业之间、工厂与码头仓储之间便捷、高效流动，被形容为化工园区的“动脉”1。管道运输的石化产品具有易燃、易爆、易挥发、易泄漏、有毒等特性2，一旦发生泄漏引起事故会造成巨大财产损失及人员伤亡。本世纪初，随着管道使用年限增长，管道安全系数降低，我国管廊事故呈现不断上升趋势。TI-LLEY N 等3选用 FDS 软件建立不同规模的火灾模型和实验数据进行对比，误差较小，证明了该软件对于火灾模拟的适用性；YAH等4模拟LPG池火灾过程研究了液池直径和风速对油池火焰形态特征的影响。周宁等5分析不同运行状态下的管廊管道的换热方式，建立了管道火灾失效模型及事故多米诺模型。WANGWH 等6通过模拟研究在池火灾环境中大型原油储罐热辐射特性，得到入射辐射强度和距离火焰中心半径的关系，并根据在开放池火灾中的火焰高度和在天花板下的火焰范围，得出 FDS 预测结果中水平火焰范围与实验值对比，吻合性较好。AHMADIO 等7利用FDS软件模拟了原油池火灾和煤油池火灾，并分析了在池火灾过程中有可能会引发的多米诺事故。尽管国内外已对石化装置等进行了大量研究，但主要集中在石化装置在火灾作用下热力学响应及破坏机制上，而对于石化管廊的研究较少，与此同时2023 年第 49 卷第 3 期March 2023*基金项目：国家重点研发计划重点专项项目（2017YFC0806600）；江苏省“六大人才高峰”创新人才团队项目（TD-JNHB-013）。2建立全尺寸的实验平台成本较高，实验难度较大，易受环境因素影响。FDS 能利用流体动力学模型、燃烧模型、辐射模型及边界条件，较好地输出诸多与火灾相关的计算结果。因此，本文以上海代工园区管廊部分管道为研究对象，利用 FDS 软件建立数值模型，为化工园区内石化管廊安全运行及消防应急提供依据。1数值模拟及验证原型管道属于上海化工园区某段管廊的部分管道。模拟管道间的间距根据原型管廊中的管道间距设计。模拟管道基本信息如表 1 所示。表 1模型管道基本信息管道编号管道直径/mm壁厚/mm初始压力/MPa初始温度44114.06.00常温5460.33.00常温5589.05.50.550常温265457.011.00常温167114.33.00.025常温17219.08.00.180常温18168.37.00常温管廊管架设计为 3 层，底层为地面，第一层高度3.9m，放置 17 号和 18 号管道；第二层高度 6.6m，放置管道从左到右依次为 44 号、265 号、55 号、54 号和167 号，管架整体高度 9 m，数值模拟中所有管道的布置均与原型管道一致。池火灾受燃料种类、燃料的热释放速率及风速等因素影响。燃料选用汽油，点燃不同尺寸的油盆来模拟不同的火灾场景。池火模型一般按照圆形液面进行计算，但在FDS模型中均采用矩形模型，将圆池面换算成等面积的正方形池面，正方形池面边长分别为 1.5 m、2 m、2.5 m 和 3 m。本模拟采用多网格划分，网格数量总计640000。划分后网格如图 1 所示。图 1石化管廊管道网格划分初始温度为 20。油盆放置于管架下方中央，管道中心位置为主要受火部位。在 7 根管道上等距设置热电偶。模拟时间设定为 600 s。按照上述构建的模型、原型参数的设定和辐射探测器的布置，利用 FDS 进行模拟运算。运算完成后，对结果进行分析。火灾的发展通常经过初期发展阶段、全盛阶段、衰弱熄灭阶段8，而化工园区内的石化管廊管道内易燃介质泄漏遇高温或点火源，引发火灾并迅速发展至全盛阶段。实验中对油盆进行点火后，管道在初期便达到稳定。在燃烧过程中汽油质量损失速率保持相对稳定。实验数据来源于课题组搭建的油池火火灾实验平台数据。石化管廊管道油池火焰形态实验与模拟结果对比见图 2。实验与数值模拟峰值温度对比见表 2。（a）油池直径为 0.3 m（b）油池直径为 0.4 m（c）油池直径为 0.5 m（d）油池直径为 0.6 m图 2石化管廊管道油池火焰形态实验与模拟结果对比油池火源位于管廊底层中央，火焰形状为不规则的湍流火焰，液面蒸发速率较快，火焰剧烈燃烧，火焰的浮力运动，在火焰底部与液面间形成负压区，大量空气吸入，形成激烈翻卷的上下气团，使火焰产生脉动，但火焰高度随油盆直径的增大而增高。由实验和数值模拟结果可知，油盆直径为 1.5 m，火焰仅能包裹管廊第一层的管道，油盆直径为 2 m，火焰能完全包裹住管架上第一和第二层的管道。由图 23可知，实验结果与数值模拟结果能完全匹配。表 2实验与数值模拟峰值温度对比管道编号油池直径/m实验数值模拟误差/%时间/s温度/时间/s温度/时间温度550.34881524891510.20.70.42912672952651.00.70.52283362143676.09.00.63014912835236.07.01670.35511885611932.03.00.42732982682942.01.00.52324172404583.010.00.62924762725177.09.0180.33613493593580.22.00.43774743624774.00.60.52285612076059.08.00.61206161106768.09.0实验过程中，55 号管道、167 号管道、18 号管道内介质均为空气，与数值模拟数据一致。在室外进行开放空间石化管廊管道油池火实验时，环境风速对大直径火焰影响较大，火焰因风速产生倾斜角，导致火焰偏离管廊管道主体结构，完全包裹高层管道的时间减少，降低了管道的覆盖率，管道实际温升过程受到限制。而小直径池火灾事故下，火焰高度较小接触不到上层管道，上层管道主要受热辐射作用。由表2可知，实验结果与数值模拟结果误差均在10%以内，认定模拟值与实验值之间的偏差在误差范围内，认为该模型能够用于模拟池火灾环境下石化管廊管道的热响应研究。2结果与分析2.1火灾功率对管道温升的影响随着油池边长增大，火灾功率增加，火焰高度变大，油池火释放热通量也随之增大9，见图 3。（a）油池边长 1.5 m（b）油池边长 2.0 m（c）油池边长 2.5 m（d）油池边长 3.0 m图 3不同油池尺寸下 y=6 m 处石化管廊温度由图 3 可知，当油池边长较小时，火焰主要影响位于第一层管架处的 17 号和 18 号管道；当油池边长较大时，火焰体积明显增大，约占据管架宽度 1/3以上。随着油池边长增大，火灾功率增大，油池正上方管道受火焰影响更为明显，油池火火焰纵向高度变高，横向宽度逐渐增大，火焰体积逐渐增大，石化管道受火面积逐渐增多。不同油池尺寸下管廊管道温度时程曲线见图 4。由图 4 可见，油池尺寸越大，火灾功率越大，管道温升速率越大，达到最高温度所需时间越短。当管道处于“温度平台区间”即管道温度不因火灾持续而持续升高，此时管道处于相对热平衡状态。当管道温度因火灾而持续升高时，将单位时间内管道温度上升的幅度大小称为管道温升速率。随着油池边长的增大，因火焰高度的增长，管架高度对管道峰值温度的影响程度逐渐减小，如表 3 所示，位于不同管架高度上的管道间峰值温度差随着油池边长