王曉瑋，鮑 磊

(1.中國石化安全工程研究院，山東青島 2661012.化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266101)

帶壓LNG泄漏遇阻液池預(yù)測模型研究

王曉瑋1,2，鮑 磊1,2

(1.中國石化安全工程研究院，山東青島2661012.化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266101)

在液化天然氣(LNG)站場，帶壓LNG泄漏后極易撞擊到周圍設(shè)施或建筑物進(jìn)而增加形成液池的規(guī)模。針對(duì)帶壓LNG泄漏閃蒸遇阻開發(fā)了液池預(yù)測模型，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明模型與數(shù)據(jù)吻合度較好。

LNG泄漏 閃蒸 液池預(yù)測模型

目前，國內(nèi)外對(duì)于LNG液池?cái)U(kuò)散開展了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，形成了較為成熟的理論[1-3]，而在帶壓液體閃蒸領(lǐng)域開展的研究較少，如H.-W.Chiang在1998年開展了帶壓水閃蒸實(shí)驗(yàn)，并開發(fā)了帶壓閃蒸模型[4]；DNV在2002年開發(fā)了UDM模型，可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測帶壓液體的閃蒸規(guī)律[5]；Gexcon開展了帶壓LPG的閃蒸實(shí)驗(yàn)，并開發(fā)了帶壓LPG的閃蒸預(yù)測模型[6]；但對(duì)于帶壓LNG泄漏閃蒸尚未研究。

本文重點(diǎn)研究帶壓LNG泄漏閃蒸遇阻后液池形成規(guī)律，并開發(fā)相應(yīng)的預(yù)測模型，為開展LNG液池?cái)U(kuò)散提供有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)而準(zhǔn)確評(píng)估帶壓LNG泄漏后的風(fēng)險(xiǎn)。

1 帶壓LNG泄漏閃蒸遇阻過程

帶壓液體泄漏噴出遇到障礙物，在一定條件下，會(huì)形成液池。帶壓液體泄漏閃蒸遇阻分為4個(gè)過程：泄漏閃蒸、噴射膨脹、噴射偏轉(zhuǎn)、噴射撞擊，如圖1所示。

圖1 帶壓液體泄漏閃蒸受阻過程示意

a)閃蒸區(qū)：帶壓液體泄漏噴出，液體由于壓力驟降處于過熱狀態(tài)，發(fā)生閃蒸，這時(shí)認(rèn)為流體全部為噴出介質(zhì)，尚沒有外界空氣混入。

b)噴射膨脹區(qū)：閃蒸流體發(fā)生大面積膨脹，并同時(shí)卷入周圍的空氣，形成介質(zhì)氣體、介質(zhì)液體、空氣等共存的混合物。

c)噴射偏轉(zhuǎn)區(qū)：閃蒸流體混合物(包含空氣)在遇到障礙物前由于繞流運(yùn)動(dòng)發(fā)生擾動(dòng)，形成噴射偏轉(zhuǎn)。

d)噴射碰撞區(qū)：閃蒸流體撞上障礙物。

2 帶壓LNG閃蒸遇阻成液預(yù)測模型理論計(jì)算

帶壓LNG泄漏噴出后發(fā)生閃蒸；剩余LNG在噴射中受到表面張力及重力等作用，逐漸破裂成大小不一的液滴，當(dāng)液滴直徑大于某一臨界直徑時(shí)，認(rèn)為該液滴在落到地面時(shí)會(huì)形成液池；液滴直徑小于臨界直徑的，則在降落過程完全氣化。因此，閃蒸LNG液滴的粒徑分布規(guī)律和臨界粒徑值是準(zhǔn)確預(yù)測液池量的關(guān)鍵[7]。本文將重點(diǎn)研究LNG液滴的粒徑分布規(guī)律和臨界液滴直徑，其中偏轉(zhuǎn)區(qū)域的截面積和速度至關(guān)重要。

2.1 帶壓LNG閃蒸基本狀態(tài)參數(shù)計(jì)算

在計(jì)算LNG閃蒸時(shí)，需要判定LNG泄漏時(shí)的狀態(tài)。首先定義LNG的過冷度X，用于判定LNG噴出時(shí)是否發(fā)生相變，并進(jìn)而求得LNG泄漏時(shí)的質(zhì)量流速G(kg/m2·s)；以計(jì)算LNG泄漏后閃蒸時(shí)的狀態(tài)參數(shù)。這里做如下假設(shè)：①在閃蒸區(qū)域，只存在氣液兩相態(tài)天然氣；②帶壓LNG從泄漏口噴出4～8個(gè)漏孔直徑的距離處發(fā)生氣化，由于距離較短，認(rèn)為該處LNG速度為泄漏噴射速度；③閃蒸的LNG在膨脹末端界面為圓形分布；④膨脹呈現(xiàn)錐形分布，膨脹角度為5°[8]；⑤噴射偏轉(zhuǎn)區(qū)域分為氣液混合區(qū)和空氣區(qū)。

(1)

(2)

(3)

(4)

D2=D1+2(S1-y1)tan(α)

(5)

式中：xg——?dú)庖夯旌衔镏袣庀噘|(zhì)量分?jǐn)?shù)；

Te——出口溫度，K；

Tnbp——物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)，K；

L——LNG氣化潛熱，kJ/kg；

A1——?dú)饣_始時(shí)截面積，m2；

U1——出口速度，m/s；

ρm——噴射液體發(fā)生氣化后的混合物密度，kg/m3；

CP——LNG的定壓比熱，kJ/kg·K；

D1——噴射發(fā)生閃蒸時(shí)的截面積直徑，m；

D2——噴射閃蒸末端發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)的截面積直徑，m；

α——噴射膨脹角，一般取5°；

S1——噴射口到障礙間距離，m；

y1——噴射偏轉(zhuǎn)處到障礙物間距離，m。

2.2 帶壓液體閃蒸遇阻成液率計(jì)算

2.2.1臨界液滴直徑計(jì)算

定義無量綱參數(shù)斯托克數(shù)St。斯托克斯數(shù)表征顆粒松弛時(shí)間和流體特征時(shí)間的比。

臨界液滴直徑由公式(6)～(9)計(jì)算得到。

(6)

(7)

(8)

(9)

μc——空氣粘度，Pa·s；

Td——液滴響應(yīng)時(shí)間，s；

Tf——渦旋從轉(zhuǎn)折點(diǎn)到障礙物的時(shí)間，s；

d——液滴直徑，m；

ρl0——儲(chǔ)存條件下LNG密度，kg/m3。

2.2.2成液率計(jì)算

已知帶壓LNG遇阻成液的臨界液滴直徑，一般采用Sauter值來表征液滴粒徑分布，如公式(10)～(12)所示。

(10)

(11)

f=(1-Fm(dc))(1-xg)

(12)

式中：f——成液率；

σ——液體表面張力，N/m；

d32——液滴Sauter直徑，m。

3 計(jì)算模型驗(yàn)證

目前國內(nèi)外尚無開展過帶壓LNG的閃蒸遇阻實(shí)驗(yàn)，利用Gexcon開展的帶壓LPG實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為對(duì)比參數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示[6]。

表1 Gexcon帶壓LPG閃蒸實(shí)驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)

上述模型的計(jì)算值與帶壓丁烷閃蒸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比見圖2。由圖2可以看出，該計(jì)算模型計(jì)算出來數(shù)據(jù)基本都處在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)區(qū)間內(nèi)，吻合度較好。

圖2 計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值對(duì)比

4 結(jié)論

本文給出了帶壓LNG閃蒸遇阻過程及其成液率的計(jì)算模型，與現(xiàn)有LPG實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，模型的吻合度較好，可以初步作為預(yù)測帶壓LNG閃蒸遇阻成液率的計(jì)算模型工具。下一步可開展帶壓LNG閃蒸遇阻實(shí)驗(yàn)，并與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估模型的可靠性并對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

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StudyonPredictionModelofLNGLeakageResistanceReservoirwithPressure

Wang Xiaowei1,2, Bao Lei1,2

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao, 266101 2.State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals, Shandong, Qingdao, 266101)

In LNG stations, LNG with pressure leaks can easily impact the surrounding facilities or buildings and increase the size of the formation of the liquid bath. A prediction model of liquid bath was developed for flashing resistance of LNG leakage, and the experimental results were compared with the experimental data. The results show that the model is in good match with the data.

LNG leakage; flashing; liquid bath prediction model

2016-10-20

王曉瑋，工程師，安全評(píng)價(jià)師，2007年畢業(yè)于青島理工大學(xué)，現(xiàn)在中國石化安全工程研究院從事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面的工作，研究領(lǐng)域：天然氣、LNG安全。