高辐射热流条件下典型化工储罐传热过程模拟及应急防护研究

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近年来,储罐区火灾时有发生,由于储罐的大型化、排列密集的特点,当储罐火灾发生时,通常会对相邻的其他储罐产生高热辐射的影响,事故后果往往是较为严重的。储罐区传热研究主要有实验和数值模拟两种方法,实验的危险性高,但数值模拟技术成熟,结果可靠,利用数值模拟软件对储罐区传热进行模拟研究,不仅可以减少实验带来的危害,得到储罐区传热的特点,也可以通过应急防护模拟,得到减少储罐区事故后果的措施。基于此,本文选取某地发生的储罐区火灾事故进行传热模拟研究,通过对事故进行调研确定120 m×75m×15 m的储罐区模型,建立模型并进行网格划分,选择适合本次模拟的Realizable k-ε湍流模型、DO辐射模型和非预混燃烧的组分运输模型。根据事故发生时的天气情况设置边界条件并迭代计算至收敛。分析了储罐区火灾的传热特点及风速、风向和储罐材质对传热的影响。同时对储罐区火灾事故施加水喷淋、应急隔热涂层防护和防火堤,探究应急措施的有效性。主要研究结果如下:(1)储罐区火灾事故传热模拟研究。事故模拟显示,受影响最大的储罐为直接受热流侵蚀的6#-14#储罐,最高温度达到1432 K,燃烧的最高温度出现在南侧出口处,为2060 K;储罐区其他储罐主要受热辐射影响,温度均在870 K以下。储罐区排列紧密,导致气体由较宽的通道流向较窄的两储罐中间区域时,速度变大,出现了流速大于入口流速的现象。对储罐失效时间(TTF)进行了计算,最终得到TTF约为790 s。(2)风速对储罐区传热的影响研究。共模拟了5.3 m/s、7.9 m/s、10.7 m/s、13.8 m/s和17.1 m/s五种风速。火焰倾斜角与风速成正相关,火焰倾斜角增加的同时火焰延展距离也有所增加,导致储罐罐壁离火焰更近、温度更高,但也因此减小了事故影响范围。风速为17.1 m/s时,储罐罐壁最高温度较事故的5.3m/s提高了124 K。(3)风向对储罐区传热的影响研究。共模拟了东风、东偏北19°风、东偏北45°风、东偏北71°风和北风五种风向。东偏北45°风对储罐区的影响最严重,几乎整个储罐区的罐壁温度都有所提高;东风主要影响了2#-5#号储罐,因这些储罐内存在较多物料,因此影响同样严重;东偏北19°风或东偏北71°风对储罐区的影响范围有限,主要影响西侧储罐区或东侧储罐区的罐壁温度提高,但位于中间区域的13#和14#储罐在这两个风向中都受到了影响。北风对储罐区的影响范围最小,主要影响6#-10#号储罐。(4)储罐材质对储罐区传热的影响研究。材料的导热系数下降,储罐区的最高温度也随之下降,二者之间约为正比关系。受影响区域基本不变,仍为6#-14#储罐。(5)水幕应急防护对储罐区传热的影响研究。水喷淋强度为2 L/min·m~2时,储罐区最高温度下降约55 K;当水喷淋强度增加到6 L/min·m~2时,储罐区最高温度下降约653 K,大多数储罐温度在620 K以下,降温效果明显。(6)PPMHI-L膨胀型应急隔热涂层防护对储罐区传热的影响研究。模拟结果显示,储罐区最高温度为671 K,与未涂有应急隔热涂层的模拟结果相比降低了761 K,储罐均处于安全状态。(7)防火堤对储罐区传热的影响研究。防火堤的作用主要是在短时间内阻挡火焰、隔绝可燃物,减缓南侧储罐的升温速率。受影响较大的6#-14#储罐的最高温度降低了529 K。北侧2#-5#储罐由于防火堤使部分燃烧气体回流,导致温度有所提高。
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