三维CFD技术应用.docx

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1、三维CFD技术应用 三维CFD数值模拟技术能够描述困难流淌和燃烧现象，以及爆炸超压的形成和发展过程。相比二维阅历模型方法，三维CFD数值模拟技术能够模拟云团内部的爆炸和超压发展过程，得到与实际后果符合性较高的爆炸超压计算结果，这是二维阅历模型所不能实现的。因此，三维CFD数值模拟技术是事故后果评估、事故调查的有效支持工具。 高质量的火灾爆炸危害分析能够很好地优化工艺平安设计，并有效地节约投资。一个胜利的火灾爆炸危害分析，不仅仅是借助于火灾爆炸事故后果模型计算出一些事故场景结果。火灾爆炸危害分析是一项系统性的工作，须要借助系统性的策略和分析方法，才能够有效地选取出“典型”的事故场景，从有限数量的

2、事故后果模拟计算结果中得到比较有价值的工艺平安设计措施。 虽然已有大量防火、抗爆设计标准提出了明确的工艺平安设计和管理要求，但通过火灾爆炸危害分析，总能获得有价值的发觉，这也是一些处于行业领导地位的国际石油公司、化工公司认可火灾爆炸危害分析的作用，并仔细对待和开展火灾爆炸危害分析的缘由之一。特殊是采纳新工艺的装置，或者产能大幅提高的装置，火灾爆炸风险也会相应增加，因此，相对滞后的工程标准往往无法解决此类新工程出现的新问题。火灾爆炸危害分析、定量风险评估、危急与可操作性分析等工艺平安分析技术则为解决这些新问题供应了途径，其中火灾爆炸危害分析则能够更为直观地供应参考。目前，CFD火灾爆炸危害分析已

3、被广泛应用于陆上装置工艺完全设计、海洋石油自然气行业防火设计和抗爆设计等领域。 胜利要素分析 火灾爆炸危害识别 火灾爆炸危害识别主要是指确定工艺系统中可能会发生哪些火灾爆炸事故类型，以及这些事故的发生条件、过程和影响。识别时，可开展特地的火灾爆炸危害识别探讨会，也可从其他危害识别活动中得到有价值的信息，比如HAZOP分析、Bow-tie或QRA等。 具体的三维几何模型 困难地形、高大工业建筑等可能影响气体流淌的结构特征，都会体现在CFD三维几何模型中。由于空间结构的密集程度和开放程度对气体爆炸结果有特别大的影响，因此，通常必需对结构体的空间密度进行精确测量或合理估算，并构建在三维模型中。 合理

4、的泄漏条件 依据危害识别的结果定义合理的泄漏孔尺寸和泄漏方向，而泄漏持续时间可用于推想火灾持续时间。 识别点火源 评估区域内潜在的点火源分布状况，包括动火作业、转动设备、电气设备等，以及实行了哪些限制措施。 消防分析 识别区域内已经实行了可燃气体探测、火焰探测、紧急迫断和放空、消防水和泡沫灭火系统等措施，但其对特定气体扩散和火灾场景的有效性有必要进一步评估。 应用实例1 邦斯菲尔德事故调查 2022年12月11日，英国伦敦北部的邦斯菲尔德油库发生了大爆炸事故，并随后引发了大火。最猛烈的爆炸冲击波达到了7301010 kPa，持续燃烧了5天的大火烧毁了23座储油罐。 2022年1月，英国健康平安

5、委员会任命部分人员组成了邦斯菲尔德重大平安事故调查委员会，联合健康平安执行局以及环保局进行了为期3年的全面事故调查。同年5月，调查委员会发布了调查进度报告，报告的第3部分第55节称：“产生在北门和复式停车场的超压值的大小与当前报告对蒸气云爆炸的说明不相符，目前该项调查还无法确定：为什么在停车场相对空旷的环境中，会产生如此大的爆炸超压，对房屋造成了严峻的破坏。” 邦斯菲尔德油库事故的爆炸超压值超过了一般同类事故超压值的4倍，如此严峻的爆炸是前所未有的。为了明确异样超压产生的缘由，调查委员会邀请学术界和工业界的爆炸专家，对爆炸机理开展进一步探讨。经过对油库现场进行调查得出，油罐区的拥塞程度不能完全

6、说明异样超压产生的缘由。经过进一步的现场调查，专家发觉围绕油库的道路四周生长着茂密的树林和低矮的灌木丛，这些树林和灌木丛的拥塞程度较高，可能对爆炸产生了明显的火焰加速，从而形成了较大的爆炸超压。 此前的事故调查中运用的二维爆炸模拟手段均无法验证障碍物存在对爆炸后果的影响，须要运用三维CFD模拟技术来验证这一推想。调查组运用专业的CFD软件对油库爆炸事故进行了对比模拟和场景再现。在模拟中，模拟物料为丁烷混合气体，CFD模型中分别考虑了树林和灌木丛存在和不存在2种情形。 当模型考虑树林和灌木丛时，在油库的某些地方，超压值达到1 000 kPa，这与现场调查到的损失状况相一样。而对于模型中未考虑树林

7、及灌木丛的情形，超压值则不超过10 kPa，此超压结果值与现场视察到的损失状况相比，明显不符。 随后，在2022年，爆炸专家团队进一步开展了大量现场物理爆炸验证明验，试验结果证明，三维CFD数值模拟计算结果接近实际状况，与实际探测到的爆炸超压值相符。 从拥塞程度对事故后果的影响角度动身，在CFD模拟工作中尤其须要留意三维几何模型的具体搭建和周边环境的模拟。CFD模拟中所用到的三维模型应尽可能与被模拟现场状况保持一样。特殊是在爆炸模拟中，在可能形成爆炸性云团的密闭空间、仪表和细小管线等小设备均会影响到拥塞程度，进而影响爆炸后果。因此，三维模型中的拥塞程度应与真实情形尽可能保持一样。从邦斯菲尔德油

8、库爆炸事故调查中得出，除了考虑装置本身的拥塞程度外，装置周边环境中可能形成爆炸性云团空间的拥塞程度也须要考虑。 应用实例2 在设计阶段的运用 在某大型油气储运工程陆上终端的基础设计阶段，设计方采纳CFD数值模拟技术对潜在的气体扩散、火灾爆炸危害开展了定量分析，进而对重要建筑物的选址和抗爆设计、工厂平面布局、防火设计、应急疏散等方面进行了评估和优化。特殊是解决了业主原来所担忧的建筑抗爆设计超压值过高的问题，避开了不必要的工程投资所造成的资源奢侈。 在分析之前，设计方开展了危害识别探讨会，用于识别可能导致工艺物料泄漏的事务，并利用风险矩阵方法评估泄漏事故的风险等级，危害识别的结果也为定义代表性的泄

9、漏孔尺寸供应了依据。在构建该陆上终端三维几何模型之后，采纳CFD技术对火灾爆炸事故场景进行了数值模拟和事故影响评估。此次的CFD火灾爆炸危害分析结果对工艺平安设计贡献的重要价值包括以下3点： 第一，中心限制室遭受的最大可信气体爆炸超压值为10 kPa，而不是原来安排采纳的21 kPa。防爆等级的合理化节约了不必要的资金投入，优化了工程投资。 其次，有个别相邻工艺单元的防火距离已经满意了标准要求，但CFD火灾模拟结果表明，某高压工艺单元的喷射火火焰能够进入邻近工艺单元，短时间内就足以造成设备失效和事故升级。因此，举荐新的设计方案在2个工艺单元之间增设相应耐火等级的防火墙。 第三，由于高山地形对气流的作用，依据CFD模拟结果发觉，应急集合点的布置位于气体扩散事故影响范围内。建议依据气体扩散CFD模拟结果，重新布置应急集合点。 编辑 袁辉 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页