孫標(biāo) 郭開華

中山大學(xué)工學(xué)院

LNG重氣擴散安全距離及影響因素

孫標(biāo) 郭開華

中山大學(xué)工學(xué)院

LNG儲存溫度為-161.5℃,一旦發(fā)生泄漏,迅速蒸發(fā)后的氣體密度約為空氣密度的1.5倍,低溫的重氣云團將會發(fā)生重力沉降;同時,由于大氣湍流將空氣卷吸進入云團內(nèi)部,低溫重氣云團也會被加熱,向正浮性氣體擴散轉(zhuǎn)變。為此,研究了LNG大規(guī)模持續(xù)泄漏產(chǎn)生的氣體擴散問題,建立了LNG泄漏時安全距離的計算方法,并分析對安全距離的影響因素。從DEGAD IS重氣擴散基本模型出發(fā),建立了LNG泄漏擴散時的場景條件和計算程序,并考慮了LNG向下風(fēng)向擴散過程中受熱形成的浮升效應(yīng)以及風(fēng)速和大氣不穩(wěn)定度的影響。所建立的方法比其他方法具有更好的準(zhǔn)確性和適用性。通過與LNG泄漏擴散實地實驗(Burro系列實驗)數(shù)據(jù)進行比較,驗證了該方法的計算結(jié)果,平均相對偏差為24.82%。通過研究風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、泄漏源大小、圍堰尺寸等因素對LNG氣體擴散的影響,確定了不同條件下LNG擴散的安全距離要求。

LNG 泄漏 重氣 擴散 安全距離 積分模型 DEGAD IS

0 引言

筆者從DEGAD IS重氣擴散基本模型出發(fā),建立了LNG泄漏擴散時的場景條件和計算程序,計算模型中考慮了液化天然氣向下風(fēng)向擴散過程中受熱形成的浮升效應(yīng)以及風(fēng)速和大氣不穩(wěn)定度的影響,給出相應(yīng)的分析模型和計算方法,并用國際上典型實驗數(shù)據(jù)加以驗證。重點對液化天然氣大規(guī)模持續(xù)泄漏產(chǎn)生的氣體擴散問題進行了研究。

1 DEGAD IS穩(wěn)態(tài)模型及其驗證

1.1 模型描述

DEGAD IS(DEnse GA s D ISpersion)模型是由Havens和Spicer在1989年推出的一種用于分析重氣擴散的模型[3],并作為NFPA 59A推薦使用的一種模型,用于評估LNG生產(chǎn)儲運過程中的重氣擴散情況[4]。

連續(xù)泄漏模型又稱穩(wěn)態(tài)模型,即下風(fēng)向云團內(nèi)部的各種性質(zhì)參數(shù)只是位置的函數(shù)。DEGAD IS作為積分模型,假設(shè)氣體擴散濃度在側(cè)風(fēng)向上采用修正的高斯分布,而豎直方向上采用指數(shù)分布,并且對風(fēng)速分布做了假設(shè),其表達式如下:

式中下風(fēng)向不同距離處的擴散參數(shù)Sy(x)、Sz(x),以及特征寬度b(x)、密度ρ(x)和溫度 T(x)的求解,需要滿足下列守恒及特征擴散參數(shù)關(guān)系。

總質(zhì)量守恒:

泄漏組分守恒:能量守恒:

該文數(shù)據(jù)從2002-2013年《中國旅游統(tǒng)計年鑒》和海南省旅游局（網(wǎng)址：http：//www.tourism.hainan.gov.cn/）中獲取。本文運用統(tǒng)計分析法，應(yīng)用增長量、平均增長量、增長率、平均增長率等指標(biāo)，對2001-2012年間海南省旅游業(yè)發(fā)展變化情況進行分析。

在上述控制方程中的能量方程反映了云團擴散過程受熱后的溫度變化,由此而產(chǎn)生的擴散氣體的密度變化和浮升效應(yīng)在理查森數(shù)及相關(guān)的卷吸和擴散特征參數(shù)中體現(xiàn)。

上述方程采用數(shù)值積分方法聯(lián)立求解,其計算程序具有很好的收斂精度。本文建立的計算程序與DEGAD IS通用計算程序?qū)Ρ?其計算精度符合很好。利用建立的程序計算得到濃度分布中的擴散參數(shù),進而求出下風(fēng)向的濃度分布和下風(fēng)向擴散距離。

1.2 模型驗證

本文研究的數(shù)學(xué)模型通過Burro系列實驗[1,5]進行驗證,Burro實驗在距離泄漏源下風(fēng)向57 m、140 m、400 m、800 m處分別測得天然氣的最大體積分數(shù)值,該實驗共進行了多組,本文對其中的3號、5號、7號和9號實驗進行模擬,將實驗數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果對比,并進行誤差分析,得出模型計算的平均相對偏差為24.28%。實驗的初始條件以及對比結(jié)果見表1、2。

2 安全距離的影響因素分析

在LNG場站選址時,需要遠離居民區(qū),以保證人民生命財產(chǎn)安全,因此,場站與居民區(qū)之間的距離是重要的考慮因素。LNG在泄漏過程中,自泄漏源開始,氣體濃度逐漸被稀釋,當(dāng)其體積濃度在5%～15%范圍內(nèi)(即甲烷的爆炸極限內(nèi)),存在發(fā)生火災(zāi)或者爆炸的可能性。為了確保間隔距離劃定的可靠性,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(如NFPA 59A),規(guī)定其下風(fēng)向體積濃度為2.5%處的距離為安全距離[4]。以Burro系列5號實驗為例(以下簡稱B5),其下風(fēng)向上體積濃度的等濃度線見圖1,可以看出下風(fēng)向體積濃度5%和2.5%的最大距離差約為110 m。以下用所建的計算模型,對氣體擴散過程和安全距離的影響因素進行分析。

表1 Burro系列實驗初始條件表

表2 下風(fēng)向不同距離處甲烷最大體積分數(shù)實驗值與模擬計算值比較表

圖1 下風(fēng)向等濃度線分布圖

2.1 風(fēng)速和大氣條件

環(huán)境風(fēng)速是衡量大氣湍流程度的一個必不可少的條件,在LNG重氣擴散過程中,風(fēng)速對云團下風(fēng)向的運動速率,云團濃度稀釋,空氣卷吸以及云團加熱等過程有著重要的影響,進而影響安全距離的大小。大氣穩(wěn)定度是用于衡量大氣湍流程度的一種半定量方法,常用的大氣穩(wěn)定度分類采用帕斯圭爾(Pasquill)方法[6],將氣象條件分為6種穩(wěn)定度等級,即A、B、C、D、E、F,可依次定性為極不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、弱穩(wěn)定、穩(wěn)定。

圖2示出B5條件下,大氣穩(wěn)定度及風(fēng)速對氣體擴散距離的影響。在同一穩(wěn)定度等級時,隨著風(fēng)速增大(風(fēng)速大于2 m/s),安全距離隨之減小。原因在于風(fēng)速越大,大氣湍流對云團稀釋越迅速,同時重氣效應(yīng)減弱也越快。隨著大氣條件趨于穩(wěn)定時,安全距離隨之增加。而在大氣條件不穩(wěn)定時,大氣卷吸增強會加速云團濃度稀釋,造成擴散距離減小。對于連續(xù)泄漏擴散,當(dāng)風(fēng)速較小且大氣環(huán)境趨于穩(wěn)定時,安全隱患較大。

圖2 風(fēng)速對安全距離的影響圖

2.2 泄漏速率

在給定風(fēng)速條件下,隨著泄漏速率增加,下風(fēng)向的安全距離也隨之增大(如圖3所示)。泄漏速率大小是影響穩(wěn)態(tài)重氣擴散安全距離的決定因素。

圖3 泄漏速率對安全距離的影響圖

2.3 圍堰尺寸

LNG儲罐周圍通常要設(shè)計圍堰,以防止儲罐發(fā)生泄漏時,液體四處流淌蔓延,若發(fā)生火災(zāi),還可以防止火焰蔓延到周邊地區(qū)[4]。LNG泄漏到圍堰內(nèi),會迅速蒸發(fā)氣化,形成以圍堰為二次源的蒸氣云團擴散。圖4給出下風(fēng)向安全距離隨著圍堰直徑和泄漏速率的變化。當(dāng)圍堰尺寸較小時,以圍堰為二次源云團的范圍也較小,有限的蒸發(fā)氣受大氣湍流影響,其濃度較快稀釋,安全距離較小;當(dāng)圍堰尺寸過于增大時,二次源云團的天然氣濃度較低,其下風(fēng)向擴散距離不再增加,反而略有減少。

圖4 圍堰直徑對安全距離的影響圖

此外,LNG泄漏表面(水面或地面影響蒸發(fā)速率)、空氣濕度[7](氣溶膠的影響)、下風(fēng)向的地形結(jié)構(gòu)等因素也會對重氣擴散過程產(chǎn)生很大影響[8-9],如果地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜,障礙物較多,風(fēng)場的風(fēng)速分布將會發(fā)生變化,在障礙物的背風(fēng)面,會產(chǎn)生低壓回流,使得在小范圍內(nèi)云團濃度增大。

3 結(jié)束語

所建立的LNG泄漏氣體擴散模型計算方法,經(jīng)過實驗驗證,其平均偏差為24.28%,并較準(zhǔn)確地體現(xiàn)了重氣擴散過程中云團內(nèi)部特性的變化規(guī)律。對于穩(wěn)態(tài)LNG氣體擴散,當(dāng)風(fēng)速大于2 m/s時,隨著風(fēng)速的增加,安全距離是逐漸減小的;對于較小風(fēng)速(小于2 m/s)時,該穩(wěn)態(tài)模型將不再適用。泄漏速率增大使安全距離幾乎成比例增大,是影響安全距離最重要因素之一。對于給定的LNG泄漏率,圍堰尺寸變化對安全距離的影響會呈現(xiàn)出一個弱峰,之后安全距離會隨圍堰尺寸的增加而略有減小。

本文計算主要反映了LNG大規(guī)模持續(xù)泄漏的狀況,建立的LNG氣體擴散模型計算方法可供工程上LNG泄漏擴散安全距離的分析和評估采用。

符 號 說 明

BEFF為云團有效半寬度,m;c為云團濃度,kg/m3;cc為地表中心線濃度,kg/m3;Cp為云團定壓比熱,J/(kg·K);Cpa為空氣定壓比熱,J/(kg·K);E為泄漏源強度,kg/s;h0為傳熱系數(shù),J/(m2·K);HEFF為有效云團高度,m;k為卡門系數(shù),0.35; Ri′3為理查森數(shù);u0為環(huán)境風(fēng)速,m/s;UEFF為云團移動速度, m/s;ux為豎直方向風(fēng)速分布,m/s;w為豎直方向湍流速度, m/s;w′e為豎直方向空氣卷吸速度,m/s;x為下風(fēng)向中心線距離,m;y為側(cè)風(fēng)向距離,m;z為豎直方向高度,m;z0為環(huán)境風(fēng)速測量高度,m;α為豎直方向風(fēng)速分布指數(shù);β為水平擴散參數(shù)系數(shù);δ為水平擴散參數(shù)系數(shù)(與大氣穩(wěn)定度相關(guān));ρa為環(huán)境空氣密度,kg/m3。

[1]KOOPMAN R P,ERMA K D L.Lessons learned f rom LNG safety research[J].Journal of Harzardous Materials, 2007,140(3):412-428.

[2]潘旭海,蔣軍成.重氣云團瞬時泄漏擴散的數(shù)值模擬研究[J].化學(xué)工程,2003,31(1):35-39.

[3]HAVENS J,SPICER T.A dispersion model fo r elevated dense gas Jet chemical releases[R].[S.l.]:EPA,1988.

[4]Standard fo r Production,Sto rage and handling of LNG[S]. NFPA 59A,2006:9-15.

[5]MOHAN M,PANWAR T S,SINGH M P.Development of dense gas dispersion model for emergency p reparedness [J].A tmosphere Environment,1995,29(16):2075-2087.

[6]谷清,李云生.大氣環(huán)境模式計算方法[M].北京:中國氣象出版社,2002:5-20.

[7]魏利軍.重氣擴散過程的數(shù)值模擬[D].北京:北京化工大學(xué),2000.

[8]姜傳勝,丁輝,劉國梁,等.重氣連續(xù)泄漏擴散的風(fēng)洞模擬實驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報, 2003,13(2):8-13.

[9]潘旭海,華敏,蔣軍成.環(huán)境條件對LNG泄漏擴散影響的模擬研究[J].天然氣工業(yè),2009,29(1):117-119.

Safety exclusive distance of LNG dense gas dispersion and its influencing factors

Sun Biao,Guo Kaihua
(School of Engineering,Sun Yat-Sen University,Guangzhou,Guangdong 510006,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 7,pp.110-113,7/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Once the LNG,usually sto red at the temperature of -161.5℃,leaks f rom the tanks o r o ther containers,the cryogenic heavy gases cloud is dispersing accompanying the ensuing gravity-driven flow,the density of w hich is 1.5 times of that of the air. Moreover,since the air is entrained into this cloud by the atmospheric turbulence,the cryogenic heavy gases cloud is thus heated to transform to the positive flotation.Therefore,the issue of dense gas dispersion in large-scale LNG leakage was investigated,and then a calculation method was developed fo r the safety exclusive distance,the influencing factorson w hich were also analyzed.Based on the basic DEGAD IS(dense gas dispersion)model,a simulation modeling on the dense gas dispersion for large-scale LNG release in atmosphere was developed.Compared w ith o ther models,thismodel,w hich has been p roved to be mo re adap table and accurate, was evaluated w ith the Burro series of LNG spill tests,and the average relative deviation was 24.82%.Through investigation into the effect of factors such as dispersion types,sizes of spill source,ambient wind velocity,atmospheric stability,and dimension of cofferdam,etc.,on the exclusive distance,different requirements fo r the safety exclusive distance of LNG dense gas dispersion were determined under different conditions.

liquefied natural gas,dense gas,dispersion,safety,exclusive distance,integralmodel,DEGAD IS

中山大學(xué)—BP液化天然氣中心資助項目(編號:99103-9390001),廣東省教育廳液化天然氣與低溫技術(shù)重點實驗室資助項目(編號:39000-3211101)。

孫標(biāo),1984年生,博士研究生;主要從事液化天然氣重氣擴散模型以及安全評估方法的研究工作。地址:(510006)廣東省廣州市中山大學(xué)工學(xué)院BP液化天然氣教育培訓(xùn)與研究中心。電話:(020)39332891,13631375934。E-mail:sunbiao8411@ 163.com

孫標(biāo)等.LNG重氣擴散安全距離及影響因素.天然氣工業(yè),2010,30(7):110-113.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.029

(修改回稿日期 2010-03-05 編輯 趙 勤)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.07.029

Sun Biao,born in 1984,is studying fo r a Ph.D degree,beingmainly engaged in study of natural gas dense gas dispersionmodelsand safety assessmentmethods.

Add:Guangzhou,Guangdong 510006,P.R.China

Tel:+86-20-3933 2891 Mobile:+86-13631375934E-mail:sunbiao8411@163.com