孙宝平, 张海英, 吕淑然, 陈文瑛

(1.首都经济贸易大学 管理工程学院,北京100070；2. 中国核电工程有限公司,北京100822)

液化石油气(liquid petroleum gas，LPG)用途十分广泛，属于甲A类火灾危险品，闪点非常低，容易燃烧[1]. 由于LPG在常温常压下储存时为液相，流动时由于摩擦非常容易产生静电，极易发生火灾或者爆炸事故. 国内危险化学品的主要运输方式是公路交通运输，在运输或者向储罐转移原料的过程中，操作不当易造成槽罐车内LPG泄漏，进而由于摩擦静电或遇见火源引发火灾爆炸，不仅对附近的设备设施造成破坏，还会对环境造成污染，因此，开展槽罐车内LPG泄漏后果研究对提高LPG运输、储存安全性具有重要的理论和实践意义[2].

1 理论模型

LPG泄漏的主要后果有喷射火、池火、沸腾液体扩展蒸气爆炸(BLEVE)、闪火和蒸气云爆炸，其中池火、沸腾液体扩展蒸气爆炸及蒸气云爆炸对周围环境影响范围最大，破坏作用最严重. 本文采用PHAST程序(process hazard analysis software tool)进行LPG泄漏扩散的后果计算，PHAST程序是对事故后果进行计算的专业风险评估软件，由挪威船级社研发，它并不能计算泄漏、扩散、燃烧、爆炸过程中的流场，而是对后果进行定量计算.

本文以LPG泄漏扩散为研究背景，采用PHAST程序内置的UDM模型计算泄漏以及扩散[3-4]. UDM模型是一种复合模型，计算出的结果直观，准确性高. UDM连续释放的浓度方程为

c(x,y,ζ)=c0(x)Fv(ζ)Fh(y)

(1)

(2)

(3)

式中：c为浓度；co为中心线浓度Fv(ζ)为浓度垂直方向的分布；Fh(x)为浓度水平方向的分布；m为浓度水平分布指数；n为浓度垂直分布指数；Ry为横风浓度轮廓定值；Rz为垂直浓度轮廓定值.

瞬时释放的浓度方程为

c(x,y,ζ,t)=c0(t)Fv(ζ)Fh(x,y)

(4)

ζ=z-zcld(t)

(5)

Fh(x,y)=

(6)

式中：Rx=Ry，x为下风向水平距离,y为横风向距离；ζ为烟羽中心线距离；t为释放前行的时间；z为地面之上垂直高度；xcld为下风向云团水平中心位置；zcld为云团中心线距地面高度.

2 LPG槽罐车泄漏爆炸数值模拟可行性验证

2017年6月5日凌晨1时左右，山东临沂市金誉石化有限公司储运部装卸区一辆液化石油气运输罐车在卸车作业过程中发生泄漏，引发重大爆炸着火事故[5]. 事故主要原因是肇事罐车的驾驶员在午夜进行液化气卸车作业时出现严重操作失误，没有严格执行卸车规程，导致储罐接口与罐车液相卸料管未能可靠连接，在开启罐车液相球阀时卸料管瞬间发生脱离，造成罐体内液化气大量泄漏，泄漏时长达2 min 10 s. 泄漏后的LPG急剧气化，迅速向四周扩散，与空气形成爆炸性混合气体，在达到爆炸极限后，遇到点火源发生了爆炸. 液化气泄漏区域的持续燃烧，先后导致了泄漏车辆罐体、装卸区内停放的其他运输车辆罐体发生爆炸. 本次事故释放的爆炸总能量为31.29 t TNT当量，产生的破坏当量为8.4 t TNT当量(最大一次爆炸).

2.1 初始和边界条件

发生事故当日天气为晴，气温18 ℃，东南风3～4级(风速3.4～7.9 m/s)，大气稳定度为D. 储罐车体积为56 m3，泄漏孔径约为0.2 m(液相输出管口的直径)，泄漏孔径位置离地面约1.0 m，事故发生时气相管道和液相管道如图1所示. LPG含有丙烷、丁烷、丙烯等多种化学成分，为方便定量分析，计算中设置LPG由丙烷和丁烷组成，体积比为1∶1，质量比为6∶4[6-7].

图1 罐车输入输出管道图Fig.1 Inlet and outlet pipelines of a tanker

2.2 事故后果计算

罐车泄漏过程中，首先物料泄漏形成蒸气云，并未直接发生爆炸，在泄漏2 min 10 s后与空气形成蒸气云，遇到明火等发生蒸气云爆炸. PHAST程序计算了喷射火辐射量与点火位置距离之间的关系，以及闪火影响距离，如图2、图3所示.

图2 事故喷射火辐射量与距离关系Fig.2 Relations between the amount of radiation and the distance of the jet fire

图3 事故闪火影响距离Fig.3 Distance of flash fires

从上述两图可以看出，泄漏发生后喷射火焰辐射，热辐射距离可以达到400 m左右，闪火影响距离以达到503 m. 这与事故报告[5]中定性描述的事故后果基本一致，PHAST程序可以模拟LPG泄漏爆炸的后果.

3 LPG槽罐车泄漏爆炸影响因素

LPG槽罐车泄漏爆炸的影响因素计算是基于2.1节的初始条件，考察温度、表面粗糙度、泄漏口释放方向等对泄漏扩散、爆炸的影响规律.

3.1 温度对泄漏后果影响

图4给出3种环境温度条件下，气体浓度随着泄漏扩散距离呈现衰减现象. 由于环境温度的影响，气体扩散速度、距离也不同. 18,27,36 ℃条件下，气体体积分数降至0.03时的扩散距离分别为310，320，334 m. 可见环境温度对气体泄漏扩散距离有一定影响.

图4 3种温度条件下泄漏距离与体积分数关系Fig.4 Relations between downwind distance and concentration intensity at various temperatures

图5为不同温度下喷射火辐射量与顺风距离的关系. LPG在泄漏口处被点燃，则会发生喷射火，选择18，27，36 ℃计算喷射火辐射影响范围. 由图5中的放大图可以看出，离开爆炸核心区域且顺风距离相同时，环境温度越低，喷射火辐射量就会越高，这一现象在150～200 m的范围内最明显，喷射火辐射量极速衰减. 以180 m为例，18 ℃时的辐射量为254 kW/m2，27 ℃时辐射量为245 kW/m2，36℃时的辐射量为228 kW/m2.

图5 3种温度条件下喷射火辐射量与顺风距离图Fig.5 Relations between downwind distance and jet radiation at three temperatures

闪火的主要危害来自于热辐射和直接接触火焰. 由于闪火的持续时间较短，燃烧速度相对较慢，其危害程度较其它泄漏事故稍轻[8-11]. 但闪火发生后会使周围环境的温度迅速上升，导致泄漏液体的挥发随之加速，此时再遭遇到点火源，则极易发生爆炸. 图6显示3种温度下闪火影响范围(区域)也不同，温度越高，闪火的影响区域越大. 18，27，36 ℃环境温度下，闪火区域半径分别为503，514，524 m，在常温条件下，温度增长与影响范围成正比关系.

图6 3种温度下闪火影响范围Fig.6 Influence area of flash fire at three temperatures

3.2 表面粗糙度对泄漏后果的影响

蒸气云爆炸的点火位置统一设在距离泄漏口20 m处(顺风)的位置. PHAST程序中，体现泄漏现场环境复杂程度的指标为表面粗糙度长度(surface roughness length)，有以下几种表面粗糙度，5 mm表示泥地或者雪地，没有植物，没有障碍物；30 mm表示开阔平坦的草地，几个孤立的物体；10 cm表示矮农作物，偶尔有大的障碍；25 cm表示高农作物，分散的大障碍；50 cm表示有树丛的开阔草地、灌木丛；1 m表示普遍都是大的障碍物；3 m表示有高层和低层建筑的城市中心. 在此选取10 cm表示高速公路上的事故泄漏现场，1 m表示事故装卸区等郊区场所的替代，3 m表示城市内发生泄漏事故现场. 图7给出了3种粗糙度下泄漏浓度与距离的关系. 表面粗糙度为10 cm时，浓度扩散至约500 m；表面粗糙度为1 m时，粗糙度扩散至324 m，而粗糙度3 m时，则形成了LPG液池，并且浓度分布并不均匀，气体扩散距离和环境的复杂程度成反比，即环境越复杂(表面粗糙度越大)，扩散距离越小.

图7 3种粗糙度下泄漏体积分数与距离关系Fig.7 Relations between downwind distance and concentration intensity at three surface-roughness lengths

图8为闪火影响范围与环境粗糙度关系图. 表面粗糙度长度为3 m时闪火的影响范围为302 m，表面粗糙度长度为1 m时的影响范围为503 m，而表面粗糙度长度仅为10 cm时闪火的影响范围高达792 m. 粗糙度越低，闪火的影响范围就大.

图8 3种粗糙度下闪火影响范围Fig.8 Influence area of flash fire at three surface-roughness lengths

图9为3种粗糙度下爆炸超压范围，图10为爆炸超压数值与环境粗糙度关系图. 可以看出，在距离泄漏点20.4 m处为爆炸中心，超压值为1.97 MPa. 在爆炸中心20 m以内，人无生还的可能. 对比3种表面粗糙度超压值的最远距离，随着表面粗糙度的降低，爆炸冲击波传播的较远，但三者幅值差距不大.

图9 3种粗糙度下爆炸超压范围Fig.9 Overpressure distribution of explosion at three surface-roughness lengths

图10 3种粗糙度下爆炸超压随距离衰减Fig.10 Attenuation distribution of overpressure of explosion at three surface-roughness lengths

3.3 泄漏口释放方向对泄漏后果的影响

选取泄漏口方向水平，垂直朝上和垂直朝下3类进行模拟，以→代表水平方向，↑代表垂直向上方向，↓代表垂直朝下(冲击地面)方向. 图11给出了泄漏距离与泄漏口朝向的关系. 由于泄漏口的方向不同，LPG的泄漏距离也有较大差别. 水平方向泄漏的距离最远，泄漏口垂直向上时泄漏扩散距离最短，同时，泄漏口附近的浓度也是最高. 泄漏口垂直向下的情况则与向上的相反，浓度不高，而且形成了LPG液池.

图11 3种泄漏口方向下泄漏距离与浓度关系Fig.11 Relations between downwind distance and concentration intensity at three leaking directions

图12为3种泄漏口朝向条件下喷射火辐射量随距离的变化. 可以看出，泄漏口垂直向上的LPG喷射火辐射量最小，并且远小于另外两种方向，泄漏口垂直向下的喷射火由于气体撞击到地面往四周扩散，垂直向下的喷射火的核心区域到了-134 m(逆风向为负). 向下的喷射火和泄漏口水平的喷射火的热辐射衰减规律基本相似.

图12 3种泄漏口方向下喷射火辐射量随距离变化Fig.12 Relations between radiation intensity and distance of jet fire at three leaking directions

图13为闪火影响范围与泄漏口朝向的关系. 由于开口方向不同，三者闪火的影响范围差异也极大，水平方向正如前面的模拟数据一样达到500 m左右，而垂直向上的闪火影响距离只有不到40 m.

图13 3种泄漏口方向下闪火影响范围Fig.13 Influence ranges of flash fire at three surface-roughness lengths

蒸气云爆炸一直都是危害极大的一类泄漏后果，图14为3种泄漏口方向下爆炸超压随距离衰减情况. 可以看出，3种泄漏口方向，水平方向泄漏与垂直朝下泄漏的爆炸中心范围基本一致，开口朝上的泄漏口在半径20 m的边缘附近的超压程度比开口水平的超压值略高. 泄漏口垂直向上时，爆炸中心范围高达40 m，边缘范围也是足以致命的超压值，80 m后的爆炸超压值对人几乎没有伤害.

图14 3种泄漏口方向下爆炸超压随距离衰减Fig.14 Attenuation distribution of overpressure of explosion at three leaking directions

4 结 论

本文验证了事故模拟方法的可行性，讨论了温度、环境、泄漏口朝向对LPG泄漏爆炸事故的影响，得出以下结论.

① 环境温度与LPG的泄漏扩散距离成正比，与喷射火的辐射强度成反比，与闪火的距离成正比，而闪火的危害有限.

② 表面粗糙度与LPG的泄漏距离成反比，即表面粗糙度值越小，LPG的泄漏扩散越远. 随着表面粗糙度的降低，爆炸冲击波传播的较远.

③ 泄漏口方向对事故的影响较大. 水平方向泄漏口的泄漏距离最远，导致闪火影响范围也最远；泄漏品垂直向下、水平时，二者的喷射火热辐射衰减曲线类似，远大于泄漏口朝上方向时的情况；泄漏口方向垂直向下时，扩散距离适中，容易形成液池，从而引发池火；喷射火和蒸气云爆炸的影响范围和强度都与泄漏口水平时相似；泄漏口方向向上时，扩散距离以及闪火和喷射火的影响范围最小，但易发生爆炸，其产生的冲击波超压致死范围增大.