劉常利

LNG調(diào)峰站內(nèi)儲罐泄漏安全距離模擬研究

劉常利

(天津市消防總隊特勤支隊，天津 300270)

為更合理地確定LNG調(diào)峰站儲罐區(qū)泄漏區(qū)域，在對某雙儲罐LNG調(diào)峰站的廠區(qū)布置進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，利用FLUENT軟件對儲罐裝卸管路泄漏場景進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。模擬分析儲罐裝卸管路1 h設(shè)計泄漏量，得到了以圍堰中心為原點(diǎn)的溫度云圖和濃度云圖，確定出-30 ℃低溫警戒范圍和5%甲烷濃度火源警戒范圍。在低溫警戒范圍內(nèi)，設(shè)備設(shè)施要有良好的防凍措施，所有人員要迅速撤離；在火源警戒范圍內(nèi)，要嚴(yán)格控制各類火源，電氣設(shè)備均應(yīng)防爆。

LNG儲罐；泄漏；警戒范圍

LNG調(diào)峰站內(nèi)儲罐區(qū)液化程度高、儲量大，其管路泄漏事故的發(fā)生風(fēng)險較高且危害較為嚴(yán)重。要對危險性最大的儲罐區(qū)提出科學(xué)的消防應(yīng)對措施，就要從儲罐區(qū)整體布局入手，而警戒范圍的確定是整體規(guī)劃的前提。本文從LNG儲罐警戒范圍入手，為儲罐區(qū)安全布局打下基礎(chǔ)。

1 工程背景

本文以天津燃?xì)獯蟾跮NG調(diào)峰應(yīng)急站二期工程中兩座9 500 m3的儲罐及圍堰為例，對其進(jìn)行安全距離模擬分析。圍堰內(nèi)雙儲罐布置，圍堰高度為3.6 m，兩儲罐罐壁之間最近距離為14 m，儲罐高約28.5 m，其外部半徑為14 m，儲罐裝卸管路下端距地面約1.5 m，圍堰與儲罐的平均水平距離約為23 m。

儲罐滿罐容量為9 500 m3，內(nèi)部壓力為常壓。為保證儲存安全，設(shè)定最大裝填容積為有效容積的94.3%，用于緩沖儲存液體體積膨脹及蒸發(fā)相變。該儲罐外側(cè)鋪設(shè)有碳鋼真空管作為儲罐LNG裝卸管路，其外徑為230 mm，內(nèi)徑為200 mm，橫向斷面面積為0.031 4 m2。管路管道均以法蘭連接。在LNG豎直管路中常會發(fā)生間歇泉及水錘現(xiàn)象，且罐外豎直管路高約27 m，間歇泉、水錘現(xiàn)象較為劇烈，易使管內(nèi)壓力發(fā)生驟變，對管路維護(hù)管理要求較高。由于儲罐使用年限為25年，管路老化現(xiàn)象時有發(fā)生，伴隨LNG重力作用，將泄漏口設(shè)定為裝卸管路底部，位于儲罐南側(cè)。

2 模型建立

FLUENT軟件采用有限體積法[1-2]，提供了非常大范圍的模擬能力[2]。

2.1 外場模型設(shè)置

通過GAMBIT前處理器建立儲罐區(qū)外流場模型。經(jīng)過多次模型建立，可以完全將泄漏的LNG及擴(kuò)散的天然氣涵蓋至尺寸為3 500 m×2 000 m×300 m的流場模型內(nèi)(本文凡標(biāo)注X、Y、Z軸的截圖，X軸正方向指向為東、Y軸正方向指向為北，Z軸正方向指向為上)，并且在下風(fēng)方向加大計算流場的空間尺寸，使得在考慮風(fēng)速等影響因素時，均可實現(xiàn)對模擬結(jié)果的讀取記錄。模型中網(wǎng)格全部選取HEX結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，大大降低了整體網(wǎng)格的數(shù)量。將整個模型解構(gòu)為若干個區(qū)域，分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并將外流場內(nèi)部的區(qū)域之間設(shè)置為INTERIOR邊界條件。

2.2 構(gòu)件的尺寸及邊界條件

為保證數(shù)值模擬的仿真準(zhǔn)確性，相關(guān)構(gòu)件的模型均按照實際工程中的規(guī)模進(jìn)行設(shè)置，大小、位置、性質(zhì)均以該儲罐區(qū)的幾何、物理特性進(jìn)行設(shè)置[3]。

2.2.1 圍堰及攔蓄區(qū)的設(shè)置。圍堰為地上式，地上高度3.6 m，墻體的厚度為0.8 m，所圍成攔蓄區(qū)的尺寸為74 m×116 m×3.6 m，邊界條件簡化設(shè)置為絕熱墻體WALL。

2.2.2 LNG儲罐的設(shè)置。雙儲罐容積均為9 500 m3，罐體的高度為28.5 m，外部半徑為14 m，儲罐區(qū)的劃分網(wǎng)格見圖1。邊界條件亦簡化為絕熱墻體。

2.2.3 泄漏口的設(shè)置。實際場景中裝卸管路下端拐角距地面1.5 m，其直徑為200 mm，拐角朝向南側(cè)，據(jù)此建立模型。在劃分泄漏孔口網(wǎng)格時，將泄漏口處理為0.1 m×0.314 m的矩形表面，但與泄漏口形狀有關(guān)的參數(shù)設(shè)置均依圓形孔徑取值。

2.2.4 大氣邊界的設(shè)置。將外界大氣流場分為東、南、西、北、上共5個部分進(jìn)行設(shè)置。上風(fēng)方向的邊界條件設(shè)置為VELOCITY_INLET；其余部分邊界條件設(shè)為PRESSUR_OUTLET，表壓為0 Pa，溫度設(shè)為環(huán)境溫度。VELOCITY_INLET條件入口與PRESSUR_OUTLET條件出口相匹配的程度較高，可提高計算結(jié)果的仿真度與收斂性。

圖1 儲罐區(qū)網(wǎng)格劃分

3 參數(shù)設(shè)置

3.1 泄漏口流量計算

本文選取儲罐的進(jìn)出口管路管徑為200 mm，管道泄漏流量按公式(1)進(jìn)行計算。

式中，Q0為液體泄漏強(qiáng)度，kg·m-2·s-1；Cd為液體泄漏系數(shù)，其取值見表1；A為泄漏口面積，取0.031 4 m2；ρ為泄漏液體密度，426 kg·m-3；P為容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；P0為環(huán)境壓力，Pa；g為重力加速度，9.8 m·s-2；h為泄漏口上液位高度，m。

表1 液體泄漏系數(shù)

在管路泄漏過程中，認(rèn)為儲罐的壓力控制系統(tǒng)仍然有效，即罐內(nèi)為恒定常壓，且繼續(xù)保持管路泄漏。令P0=P=101.325 kPa，則得到管路LNG液體泄漏強(qiáng)度Q0=307.72Cd，其中Cd值待定。根據(jù)表1中雷諾數(shù)確定方法，首先求解雷諾數(shù)，按公式(2)計算[3-4]。

式中，Qm為質(zhì)量流量，kg·s-1；D為管道內(nèi)徑，取0.2 m；μm為動力黏度，取4.41 Pa·s。

計算得出Re=123.51Cd，由于123.51×0.65=80.27<100，故取Cd=0.5。計算得泄漏口的泄漏強(qiáng)度為Q0=307.72Cd=153.86 kg·m-2·s-1，即液體的泄漏流量為153.86 kg·s-1。

3.2 泄漏物質(zhì)理化參數(shù)

通過液化，天然氣內(nèi)甲烷占96%以上，本文將LNG理化性質(zhì)簡化為甲烷的主要理化性質(zhì)。

3.3 環(huán)境工況設(shè)置

根據(jù)該LNG調(diào)峰站的選址環(huán)境，查閱資料得到該廠址處不同季節(jié)的風(fēng)向、風(fēng)速、環(huán)境溫度等工況條件，不同季節(jié)環(huán)境工況具體參數(shù)見表2。

表2 廠區(qū)季節(jié)工況

4 數(shù)值計算結(jié)果

LNG泄漏危害特征主要為低溫危害及爆炸危害，對此本文將針對溫度及蒸發(fā)氣體濃度的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測統(tǒng)計。根據(jù)《石油天然氣設(shè)計工程防火規(guī)范》(GB 50183—2004)第10.3.5條第3款的有關(guān)要求，設(shè)計泄漏量按儲罐充滿時持續(xù)流出1 h來考慮。本文將LNG儲罐管路泄漏事故數(shù)值模擬的計算時間設(shè)置為1 h，并進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計分析[5]。

4.1 溫度分布

低溫傷害的致害因素較多，既與所暴露的環(huán)境溫度有關(guān)，也與暴露的時間長短有關(guān)。據(jù)記載，人體部位靜態(tài)裸露于-30 ℃環(huán)境時，3～4 min會發(fā)生劇烈難忍的疼痛，5 min即會發(fā)生組織凍傷；該溫度也會使帶電設(shè)備受損。故將-30 ℃作為低溫危害溫度。由溫度分布云圖可得低溫危害范圍在4個方向上與圍堰中心的距離(表3)，圖2為春秋季節(jié)儲罐管路泄漏溫度云圖。

表3 -30 ℃低溫危害分布情況

圖2 春秋季節(jié)儲罐管路泄漏溫度云圖

4.2 濃度分布

LNG在空氣中的爆炸極限為5%～14%。本文LNG儲罐圍堰高3.6 m，其產(chǎn)生阻礙擴(kuò)散的聚集作用，使得在圍堰外地表上部LNG蒸氣的濃度小于其爆炸上限。故認(rèn)為其爆炸上限變化規(guī)律在消防安全方面的研究價值較低，將爆炸下限設(shè)為蒸氣爆炸的點(diǎn)火濃度。由濃度分布云圖可得爆炸下限范圍在4個方向上與圍堰中心的距離(表4)，圖3為春秋季節(jié)儲罐管路泄漏濃度云圖。

表4 5%蒸氣濃度分布情況

5 儲罐區(qū)警戒范圍的設(shè)置

5.1 低溫警戒范圍的設(shè)置

5.1.1 低溫警戒范圍。結(jié)合前文所得低溫危害距離的數(shù)值計算結(jié)果，對其不同季節(jié)北、南、西、東4個方向的低溫危害距離進(jìn)行比較。雙儲罐罐區(qū)具有對稱布置的特點(diǎn)，其東西方向上取距離圍堰中心的最大低溫危害距離，即168.95 m；正北方向的最大低溫危害距離為119.04 m；正南方向的最大低溫危害距離為234.15 m。

圖3 春秋季節(jié)儲罐管路泄漏濃度云圖

5.1.2 低溫警戒范圍內(nèi)的設(shè)置要求。在儲罐區(qū)低溫警戒范圍內(nèi)，應(yīng)避免輸送帶電設(shè)備、消防設(shè)施的布置，以防在事故發(fā)生時因溫度驟然降低，導(dǎo)致由金屬或混凝土構(gòu)成的相關(guān)設(shè)施冷脆失效而不能有效控制災(zāi)害，甚至引發(fā)二次事故。通過對儲罐泄漏溫度分布云圖及不同季節(jié)工況、不同方位低溫危害距離的觀察，對于無法避免的布置于低溫區(qū)域的具有受冷變形的設(shè)施，應(yīng)做好保護(hù)措施，并且對置于其中作業(yè)的人員要做好個人防護(hù)。(1)提高設(shè)備設(shè)施的耐冷性能。在低溫警戒范圍內(nèi)的設(shè)施應(yīng)采用耐冷性能好、低溫環(huán)境不易變形失效的材質(zhì)，提高耐受時間，防止災(zāi)害進(jìn)一步擴(kuò)大，為災(zāi)害事故處置爭取寶貴時間。(2)針對LNG儲存特性，合理增大圍堰的高度。在考慮經(jīng)濟(jì)成本的前提下，應(yīng)至少適當(dāng)增加相應(yīng)方向的圍堰高度，如泄漏口朝向、常年最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)方向。在設(shè)施布置過程中，對低溫警戒范圍內(nèi)的設(shè)施應(yīng)留有合理的疏散通道，確保在處于危險環(huán)境中的人員能快速撤離低溫區(qū)域。(3)由于低溫傷害是低溫程度和作用時間共同影響的結(jié)果，人員進(jìn)入到此區(qū)域時，應(yīng)做好低溫防護(hù)措施，以便于人員快速逃離。在泄漏事故發(fā)生時，相關(guān)人員應(yīng)盡量向上風(fēng)方向或側(cè)風(fēng)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)移。(4)低溫警戒范圍內(nèi)，應(yīng)避免布置具有較高泄漏危害的設(shè)施，尤其避免工藝流程較為復(fù)雜的液化區(qū)域處于低溫警戒范圍內(nèi)，以防在低溫條件下液化區(qū)域管路發(fā)生脆裂泄漏，擴(kuò)大事故影響。

5.2 火源警戒范圍的設(shè)置

5.2.1 火源警戒范圍。前文對LNG調(diào)峰站儲罐區(qū)泄漏事故爆炸下限距離進(jìn)行模擬數(shù)值計算，得到不同季節(jié)北、南、西、東4個方位的5%濃度爆炸下限范圍，針對該距離進(jìn)行比較統(tǒng)計。雙儲罐罐區(qū)具有對稱布置的特點(diǎn)，其東西方向上取最大的爆炸下限危害距離，即173.1 m；正北方向的最大爆炸下限危害距離為115.4 m；正南方向的最大爆炸下限危害距離為262.6 m。

5.2.2 火源警戒范圍內(nèi)的設(shè)置要求。LNG調(diào)峰站工藝裝置區(qū)中設(shè)有大量工藝裝置，均為帶電設(shè)備，并存有易燃易爆天然氣或LNG；槽車區(qū)中的槽車在進(jìn)行裝卸時，其車內(nèi)帶電、帶火設(shè)備也較多。在對帶電設(shè)備采取防電、阻電措施的同時，同樣需要考慮火源警戒范圍來增加其安全可靠性。因此，對此范圍內(nèi)的帶電設(shè)備有以下幾點(diǎn)要求：(1)帶電設(shè)備、線路的設(shè)置應(yīng)盡量在火源警戒范圍之外。(2)必須設(shè)置在火源警戒范圍內(nèi)的設(shè)備線路要采取可靠的防爆保護(hù)措施。(3)設(shè)備線路要采用絕緣材料，同時，還要滿足在深冷條件下的有效性。不同季節(jié)，風(fēng)速及風(fēng)向會發(fā)生變化，應(yīng)根據(jù)火源危害距離的最大值，按照以上防護(hù)措施統(tǒng)籌進(jìn)行規(guī)劃設(shè)置。

6 結(jié)論

LNG調(diào)峰站內(nèi)儲罐區(qū)裝卸管路泄漏危險性最大，目前尚未制定LNG調(diào)峰站防火設(shè)計規(guī)范。為應(yīng)對裝卸管路泄漏，本文針對站內(nèi)該區(qū)域裝卸管路的液相泄漏事故過程建立CFD模型，通過FLUENT軟件對該過程進(jìn)行數(shù)值計算，得到該工程設(shè)置的泄漏危害距離，并對此進(jìn)行分析，提供了消防應(yīng)對措施。

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(責(zé)任編輯 馬 龍)

Simulation of Safety Distance of Storage Tank Leaks at LNG Peak-shaving Stations

LIU Changli

(SpecialTaskUnitofTianjinFireCorps,Tianjin300270,China)

In order to determine the leak area of LNG peak-shaving stations, a leak of the discharging pipeline attached a LNG tank was simulated by FLUENT based on the layout analysis of the double-tank farm at a LNG peak-shaving station. The low temperature -30 ℃and 5% methane concentration were determined as the alerting indicators after analyzing the nephograms of the temperature and concentration with the cofferdam as the center in the simulation of the charging-discharging pipelines with leak amount of 1.0 h. Thus, the facilities should be of good anti-freezing property and personnel should evacuate quickly at the alerting low temperature; within the scope of the alerting fire source, various types of fire sources should be strictly controlled and electrical equipment should be explosion-proof.

LNG storage tank; leak; safety distance

2016-11-22

劉常利(1984— )，男，天津人，助理工程師。

D631.6

A

1008-2077(2017)04-0014-04