基于CFD的LNG多池火热辐射特性研究

发布时间：2020-04-22 00:28

【摘要】：随着工业技术的发展,我国对能源的需求量逐年增加。液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)以污染小、热值高、使用安全、便于储运等特点,广受人们的关注。LNG一旦泄漏极易引发火灾、爆炸等一系列严重的事故。事故调查分析表明,池火灾事故是最为常见的,且超过80%的池火灾会引发多米诺效应。在多个储罐集中布置的罐区内,多米诺效应极易诱发形成破坏性更强的多池火事故。目前,我国LNG站场的设计布局主要依照相关规范中的防火间距,并没有指定用于池火灾火焰热辐射强度预测计算的数学模型。近年来,计算机技术发展迅速,已有不少学者开始利用计算流体动力学(Computation Fluid Dynamics,CFD)对池火灾事故后果进行模拟分析。但有关多池火的模拟研究大多停留在模型验证阶段,应用于实际多池火站场的模拟研究的几乎没有。因此,本文通过调研国内外单池火和多池火实验、热辐射强度计算经验模型及CFD模拟研究现状,分析多池火形成原理,并对现有模型的精确性和适应性进行评价。然后建立适用于单/多池火灾热辐射强度预测的数学模型。最后分析多池火火焰特性,并对典型站场池火灾事故后果进行模拟评价。为此,本文研究工作如下:(1)根据多池火形成原理及特性,结合常用热辐射强度经验模型的对比分析,研究适用于多池火在的热辐射强度经验预测模型。通过LNG池火灾常用经验模型基本原理及优缺点的对比分析,优选出PoFMISE模型作为池火灾热辐射强度经验模型。结合相关实验,PoFMISE模型预测单池火的平均相对误差为16.34%;而预测多池火的平均相对误差为26.59%,误差较大。采用多池火火焰特征参数关联式对模型进行修正,PoFMISE修正模型的平均相对误差为19.72%。因此,结合多池火相关关联式可提高PoFMISE模型预测多池火灾的精确性,但仍存在较大的误差。(2)基于CFD模型基础理论和FLUENT计算平台,建立池火灾热辐射预测CFD模型,并结合实验数据验证CFD模型正确性。CFD模型预测热辐射强度分布,与Montoir单池火实验数据对比,平均相对误差为9.15%;与Fukuda多池火实验数据对比,平均相对误差为6.19%。由此可知,CFD模型预测误差相对较小,可用于单/多池火灾热辐射强度预测。CFD模拟中火焰外形表面的确定是分析火焰特性的关键,不同等温面火焰外形特征参数与实验结果对比发现,单池火火焰外形表面宜选用1200K等温面,多池火宜选用1000K等温面。(3)采用池火灾热辐射CFD模型对多池火火焰合并条件,多池火合并火焰主要特征进行研究。结果表明,液池间距是影响火焰是否合并的关键因素,由此可将不同合并状态的多池火分类为.:完全合并、不完全合并、完全不合并、独立单池火。通过不同合并状态火焰对比分析发现,火焰合并行为对火焰高度、温度、热辐射强度等特性的影响程度不同。其中,液池间距与直径的比值S/D接近0.50时,形成的火焰危害程度最大。(4)利用标准规范、经验模型和CFD模型对典型LNG站场多池火灾事故场景安全间距进行评价。结果表明,CFD模型的预测精度最好,经验模型预测结果过于保守且精度较差,标准规范评价过于简单,适应性较差。对比不同池火灾事故场景危害程度发现,由于环境风速和火焰合并的双重影响,C3+C4双池火灾造成的热辐射危害最严重。站内设施所受辐射热通量峰值分析表明,气化区和仪表控制室受辐射破坏最严重,综合楼、消防泵房次之,其余设施几乎不受影响。(5)根据上述评价研究结果,对该站场提出池火灾事故减缓优化建议。1)针对气化区等可移动设备,采用增大与围堰之间的距离来降低气化区等可移动设备所受热辐射强度;针对仪表控制室等不易移动的建构筑物,采用在围堰周围设置高倍数泡沫灭火装置。优化设计结果表明,相较于优化设计前,站内设施所受辐射热通量大幅下降,范围约在40%～95%之间。
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天然气,国内天然气,缺油,能源结构

第１章绪论逡逑１．１研究目的与意义逡逑国家经济发展离不^u工业的支持，工业的发展促使能量需求量逐年增加。据《中华逡逑人民共和国节约能源法》的定义可知：能源是指煤炭、石油、天然气、生物质能和电力、逡逑热力以及其他直接或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源ｍ。２０１７年６月，北京逡逑举行的《世界能源蓝皮书：世界能源发展报告（２０１７）》中提出“天然气人民币”概念｜２１。逡逑近几年，由于污染少、热能高、使用方便安全等特点，天然气在我国一次能源的消费中逡逑占比逐年上升。预汁在２０２０年将达到１０％以上，总体呈现爆发式增长趋势。在大气压逡逑下，将天然气冷却至－１６２°（＾后，天然气由气态转化为液态，即液化天然气（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ逡逑Ｎａｔｕｒａｌ邋Ｇａｓ，ＬＮＧ）。ＬＮＧ无色、无味、无毒且尤腐蚀性，其体积约为同质量天然气体逡逑积的１／６２５，质量仅为同体积水的４５％左右，便于储存和运输｜３１。因此，越来越受到人逡逑们的关注。逡逑８００邋

剖面图,池火

翁文国利用ＦＤＳ工具对３邋ｘ邋３阵列火焰进疔不同工况下的数值模拟研究。以大涡模逡逑拟（ＬＥＳ）研究多火源合并情况。通过模拟结果与实验结果的对比验证ＦＤＳ的精确性，逡逑再利用验证后模型研究方阵尺寸、间距、ＨＲＲ对池火合并的影响。同时，分析３ｘ３阵逡逑列合并火焰在２ｍ／ｓ风速下的氧气质量分数和速度场分布［４８］。逡逑Ｓａｔｏｈ等人在２００７年对不同小尺寸庚烷池火组成的大型火焰矩阵（１５邋ｘ邋１５－１９邋ｘ邋１９）逡逑火焰合并行为进行实验研究，随后利用３Ｄ邋ＵＮＤＳＡＦＥ对更大的火焰矩阵（４８邋ｘ邋４８）进逡逑行模拟研究。发现ＣＦＤ火焰模拟出的合并火焰的剖面图和临界合并距离等结果与实验逡逑测量基本一致，，当总热释放能０邋Ｓ邋５０００ｋＷ时，方阵火焰无量纲临界距离５７Ｚ）在３￣４之逡逑间；当０＞５ＯＯＯｋＷ时，临界间距Ｓ／Ｄ为２．３【５２１。逡逑２０１４－２０１７年印度学者Ｖａｓａｎｔｈ等人进行了几组多池火ＣＦＤ数值模拟研究［５３＿５５］。以逡逑ＡＮＳＹＳ邋ＦＬＵＥＮＴ－１２．０为工具，Ｆｕｋｕｄａ实验数据为对象。采用标准ｋ湍流模型、涡耗逡逑散概念（Ｅｄｄｙ邋Ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ邋Ｃｏｎｃｅｐｔ，ＥＤＣ）燃烧模型、Ｐ－１辐射模型等，模拟池火尺寸、逡逑水平和竖直间隔距离等因素对多池火燃烧速率的影响［５３，５４］。随后，Ｖａｓａｎｔｈ又以ＶｉｎＣｅｎｔ［５６］逡逑进行的多燃料多池火实验数据为基础，懫用标准湍流模型、Ｐ－１辐射模型等建立相逡逑应的ＣＦＤ模型，模拟不同燃料对多池火火焰温度和辐射强度影响［５５】。但Ｖａｓａｎｔｈ所建的逡逑
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE88

【参考文献】