楊兆晶 侯 磊 朱 淼

中國石油大學(xué)(北京)機械與儲運工程學(xué)院, 北京 102249

0 前言

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整及LNG接收站的逐步建成投產(chǎn),LNG進口量迅速攀升,目前我國已成為世界第二大LNG進口國[1]。大型LNG儲罐作為接收站的核心設(shè)備,其安全運行是整個站場安全生產(chǎn)的重中之重。一旦LNG發(fā)生泄漏,低溫氣云在近地面聚積,可能對周圍環(huán)境、設(shè)備和人員造成嚴(yán)重危害[2-4]。國外從20世紀(jì)60年代末開始對LNG泄漏擴散過程進行分析研究,主要研究方法包括大型現(xiàn)場試驗[5-6]、風(fēng)洞實驗研究[7-8]和數(shù)值模擬,目前應(yīng)用最為廣泛的是數(shù)值模擬。常用數(shù)學(xué)模型主要包括高斯修正模型、箱及相似模型、經(jīng)驗唯象模型、淺層模型和計算流體力學(xué)(CFD)模型,其中,CFD模型最為真實可靠[9]。Gavelli F等[10-13]將現(xiàn)場試驗結(jié)果與模擬結(jié)果進行對比,驗證了CFD軟件模擬LNG泄漏擴散的有效性。莊學(xué)強、李清等[14-15]選用CFD軟件中的離散相模型對LNG泄漏擴散進行模擬,秦雅琦等[16]將泄漏源從罐壁小孔轉(zhuǎn)化為液池再進行氣體泄漏擴散模擬,均未對LNG連續(xù)泄漏后的相變過程進行充分研究。針對此問題,本文在利用CFD軟件模擬LNG泄漏擴散時未對泄漏源進行轉(zhuǎn)化,而是加入相變模型的編寫設(shè)置,并在此基礎(chǔ)上分析環(huán)境條件對大型LNG儲罐泄漏擴散的影響規(guī)律,對比分析單罐及罐區(qū)泄漏的氣云分布,為LNG儲罐布局及泄漏防控提供參考。

1 研究場景和理論模型

1.1 場景建立

以我國南方某LNG接收站內(nèi)16×104m3大型儲罐為研究對象,假設(shè)地面平坦且周圍無其他建筑,利用ICEM軟件建立簡化后的單罐及罐區(qū)模型,在外流場區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。單個LNG儲罐模型見圖1,罐體高38.45 m,直徑82 m,穹頂高11 m,LNG罐區(qū)模型見圖2,由4座容量相同的儲罐組成。

圖1 單罐模型圖Fig.1 Single tank model

圖2 罐區(qū)模型圖Fig.2 Tank farm model

LNG儲罐泄漏源分為氣相和液相兩種,氣相泄漏主要發(fā)生在儲罐頂部,離地面較遠(yuǎn)且泄漏后擴散較快,與液相泄漏相比發(fā)生危險的可能性較低。因此,主要研究LNG儲罐液相連續(xù)泄漏的擴散過程以及環(huán)境因素可能對其造成的影響。根據(jù)《化工裝備事故分析與預(yù)防》[17]中1949～1988年全國化工行業(yè)事故發(fā)生情況相關(guān)資料,持續(xù)泄漏小孔徑為100 mm,大孔徑為200 mm,為了模擬LNG泄漏的不利情況,將泄漏定為大孔徑泄漏,為顯著觀察LNG重氣云擴散情況,將泄漏位置定在儲罐背風(fēng)中心高處。研究風(fēng)速影響時,將環(huán)境風(fēng)速設(shè)為輕風(fēng)3 m/s、微風(fēng)5 m/s、和風(fēng)7 m/s、勁風(fēng)10 m/s四種情況。

1.2 理論模型

1.2.1 泄漏源強計算模型

儲罐泄漏口面積遠(yuǎn)小于儲罐內(nèi)LNG液面積,泄漏不會引起液位明顯下降,可將泄漏源看成連續(xù)泄漏源。根據(jù)伯努利方程計算液相泄漏速率,其表達(dá)式為:

(1)

式中:QL為液相泄漏速率,kg/s;Chole為流量系數(shù),無量綱常數(shù);Ahole為泄漏孔的面積,m2;ρL為儲罐中液體的密度,kg/m3;pT為儲罐內(nèi)液體上方壓力,Pa;patm為大氣壓力,Pa;g為重力加速度,9.8 m2/s;H為泄漏源與儲罐內(nèi)液面的高度差,m。

模擬計算采用的LNG密度為430 kg/m3,比熱為2 055 J/(kg·K),導(dǎo)熱率為0.21 W/(m·K)，黏度為0.000 118 3 kg/(m·s),相對分子質(zhì)量為16.41 kg/kmol,蒸發(fā)潛熱為509 332 J/kg,沸騰溫度為111.66 K。

1.2.2 流動模型

LNG儲罐液相泄漏擴散過程涉及相變、質(zhì)量傳遞、熱量傳遞、湍流流動等復(fù)雜物理問題,需要根據(jù)連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程對質(zhì)量傳遞、動量傳遞和能量傳遞等過程進行細(xì)致描述。LNG儲罐液相泄漏擴散過程涉及LNG、天然氣和空氣三相,可采用多相流模型來描述流動過程,其中,混合模型適用于流動中存在相混合或分離的情況[18]。

目前標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,但是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型假設(shè)湍動黏度系數(shù)各向同性,對于儲罐這種彎曲壁面流動的模擬誤差較大,而Realizable k-ε模型在湍動黏度系數(shù)計算公式中引入了與旋轉(zhuǎn)和曲率有關(guān)的變量,考慮了湍流流動各向異性的情況,能夠有效用于彎曲壁面流動、彎曲流線流動、邊界層流動。Tauseef S M等[19-20]利用CFD方法將不同湍流模型模擬結(jié)果與實驗值對比,結(jié)果表明,Realizable k-ε模型在時間及空間濃度分布方面與實際結(jié)果最為吻合,因此,選擇Realizable k-ε模型作為湍流模型。

1.2.3 蒸發(fā)相變模型

泄漏出的LNG為液態(tài),經(jīng)過與空氣的質(zhì)量熱量傳遞氣化為天然氣,利用FLUENT自帶的UDF功能編寫LNG蒸發(fā)相變模型。在已有的相變模型中,Lee W H[21]提出的模型應(yīng)用最為廣泛,兩相間的質(zhì)量傳遞公式為:

(2)

(3)

式中:T為混合區(qū)單元溫度,K;Tsat為飽和溫度,K;ml→v為液相轉(zhuǎn)化為氣相的相變率,kg/(m3·s);mv→l為氣相轉(zhuǎn)化為液相的相變率,kg/(m3·s);r為控制相變強度的因子,根據(jù)Schepper S C K D等[22]對烴原料流動蒸發(fā)過程的模擬將r取為0.1 s-1;αl、αv分別為液相、氣相的表面張力,N/m;ρl、ρv分別為液相、氣相的密度,kg/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 各因素對LNG儲罐泄漏擴散的影響

2.1.1 風(fēng)速

風(fēng)對LNG泄漏擴散會產(chǎn)生兩方面的影響:一方面,風(fēng)的平流輸送作用會使LNG氣云隨風(fēng)向遠(yuǎn)處運動;另一方面,風(fēng)會對LNG氣云起到混合稀釋作用,有助于高濃度氣云的擴散。通常天然氣的爆炸上限(UFL)為15 %,爆炸下限(LFL)為5 %,安全區(qū)域分界線為1/2 LFL。對比四種風(fēng)速下氣云隨時間到達(dá)下風(fēng)向的最遠(yuǎn)距離見圖3～4,大風(fēng)速可加快下風(fēng)向氣云的擴散速度,使得1/2 LFL氣云到達(dá)更遠(yuǎn)距離,而UFL氣云則會因稀釋速度的加快呈現(xiàn)與之相反的趨勢。由此可見,風(fēng)對高濃度氣云產(chǎn)生的平流輸送作用較弱,對其產(chǎn)生的混合稀釋作用較強。

圖3 不同風(fēng)速下UFL氣云到達(dá)下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離曲線圖Fig.3 The farthest downwind distance UFL gas cloud can reach under different wind speeds

圖4 不同風(fēng)速下1/2 LFL氣云到達(dá)下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離曲線圖Fig.4 The farthest downwind distance 1/2 LFL gas cloud can reach under different wind speeds

在連續(xù)泄漏80 s內(nèi),UFL氣云到達(dá)下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離總體呈現(xiàn)出隨時間小波動上升的趨勢,但其隨風(fēng)速的變化趨勢最初卻并不穩(wěn)定。這是由于此時的氣云仍處于儲罐背風(fēng)接近罐壁處,儲罐的阻擋使得此處風(fēng)速整體較低,差異性不明顯,同時此處的紊流作用也使得氣云擴散變得更加復(fù)雜,擾亂固有的流動趨勢。但隨著連續(xù)泄漏的進行,風(fēng)速的影響逐漸凸顯,直到泄漏80 s時,3 m/s風(fēng)速下的UFL最遠(yuǎn)距離達(dá)到82 m,而10 m/s風(fēng)速下則剛至53.5 m。高風(fēng)速使得UFL氣云在未達(dá)到較遠(yuǎn)距離時即稀釋為低濃度氣云,縮短了高濃度氣云的存在時間。就1/2 LFL氣云而言,風(fēng)對氣云的平流輸送作用非常顯著,80 s時的最遠(yuǎn)距離已經(jīng)有很大差距,3 m/s風(fēng)速下為156 m,10 m/s風(fēng)速下已達(dá)到367 m。因此,在氣云分布未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時,高風(fēng)速促進了氣云的順風(fēng)擴散,同一時刻的1/2 LFL氣云隨風(fēng)速增大能夠到達(dá)更遠(yuǎn)的距離,變化趨勢顯著且變化幅度均勻。

LNG的泄漏與擴散在達(dá)到平衡時,氣云分布不再出現(xiàn)大幅度變化,基本趨于穩(wěn)定。表1顯示,3 m/s風(fēng)速下的1/2 LFL氣云在泄漏580 s時能夠到達(dá)下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離554 m;風(fēng)速大于3 m/s時,1/2 LFL氣云到達(dá)下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離均低于554 m,且隨風(fēng)速增大而減小,同時,1/2 LFL氣云到達(dá)下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離時間縮短,表明大風(fēng)速不僅能夠促進氣云擴散,減小其分布范圍,還能夠使氣云更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 不同風(fēng)速下1/2 LFL氣云到達(dá)下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離及時間表

Tab.1 The farthest downwind distance and time 1/2 LFL gas cloud can reach under different wind speeds

風(fēng)速/(m·s-1)1/2LFL氣云到達(dá)下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離/m1/2 LFL氣云到達(dá)下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離時間/s35545805492500744947010405450

2.1.2 風(fēng)向

上述研究場景均是基于泄漏孔在背風(fēng)側(cè)的假設(shè),為詳細(xì)分析風(fēng)向?qū)Υ笮蚅NG儲罐泄漏擴散的影響,選取順風(fēng)、側(cè)風(fēng)和逆風(fēng)三個典型風(fēng)向進行模擬對比。

在LNG連續(xù)泄漏至80 s時,順風(fēng)泄漏產(chǎn)生的1/2 LFL氣云體積為24 229.9 m3,側(cè)風(fēng)泄漏產(chǎn)生的1/2 LFL氣云體積為22 680.9 m3,逆風(fēng)泄漏產(chǎn)生的1/2 LFL氣云體積為21 905.4 m3。根據(jù)圖5順風(fēng)泄漏到逆風(fēng)泄漏的結(jié)果,同一時刻的氣云體積逐漸減小,這是由于儲罐本身對氣云擴散的阻礙作用逐漸加強,風(fēng)對氣云的輸送作用逐漸減弱,導(dǎo)致氣云擴散速度減慢。對長時間泄漏而言,順風(fēng)泄漏時泄漏速率與蒸發(fā)速率能最快達(dá)到穩(wěn)定,而逆風(fēng)泄漏時則最遲達(dá)到穩(wěn)定,同時緩慢的擴散速度會使得高濃度氣云的存在時間延長進而導(dǎo)致危險氣云體積增加,危險區(qū)域增大。

a)順風(fēng)泄漏a)Downwind leakage

b)側(cè)風(fēng)泄漏b)Crosswind leakage

c)逆風(fēng)泄漏c)Upwind leakage

2.1.3 障礙物

儲罐周圍還有一些如辦公樓、控制室等較大的建筑物,為了說明儲罐周邊建筑物對儲罐泄漏擴散的影響,在儲罐下風(fēng)向50 m處設(shè)置障礙物(擋板),寬100 m,高25 m。

在LNG重氣云翻越障礙物之前,受擴散及復(fù)雜風(fēng)場影響,氣云內(nèi)部濃度分布非常不均,會在儲罐與障礙物之間短期聚積,形成高濃度氣云,這是由于儲罐與障礙物的雙向阻擋限制了氣云的流動,導(dǎo)致氣云稀釋作用減弱。在LNG氣云翻越障礙物之后,大部分重氣云仍會受重力影響向下沉降,但其擴散速度大大加快,云團迅速向下風(fēng)向擴展。根據(jù)圖6可知,障礙物除了能夠使中間部分重氣云沿障礙物向上攀爬,直至翻越障礙物,還能夠使得重氣云在順風(fēng)擴散的過程中分流,呈現(xiàn)出“鉗”狀,“鉗”代表的兩個分支云團會隨著LNG的泄漏擴散不斷增大,最終融合為一體。

因此,重氣云繞過障礙物存在攀爬和分流兩種形式,為了防止泄漏形成的蒸汽云集聚在辦公行政樓、員工宿舍、控制室等引起危險,接收站建筑物建設(shè)布局必須經(jīng)過嚴(yán)格計算得出站內(nèi)各設(shè)施的最小安全距離,再進行總平面布置設(shè)計。

a)50 s

b)70 s

2.2 單罐及罐區(qū)泄漏擴散分析及對比

LNG泄漏擴散在大氣環(huán)境中進行,受到大氣流動的影響,在單個儲罐周圍沒有其他障礙物的情況下,空氣從X負(fù)方向朝正方向流動,圖7顯示風(fēng)場分布僅受儲罐自身影響。儲罐迎風(fēng)面氣流部分沿儲罐輪廓向上抬升,其余向儲罐兩側(cè)分流,流線相對規(guī)則;儲罐背風(fēng)面氣流受到儲罐自身阻擋出現(xiàn)明顯的漩渦及回流,流線紊亂。

圖7 單罐風(fēng)場流線圖Fig.7 Wind field streamline figure of single tank

常溫常壓下空氣密度約為1.225 kg/m3,LNG從罐壁泄漏后與空氣進行強烈快速的熱交換,部分氣化形成高濃度低溫蒸汽云,其初始密度約為空氣的1.5倍,從圖8顯示的氣云分布可見,在擴散的同時受重力影響向地面沉降。由于儲罐背風(fēng)側(cè)氣流的漩渦及回流作用,部分氣云逆風(fēng)向罐壁處擴散,導(dǎo)致罐壁壁面形成大量高濃度氣云,罐壁溫度降低。而大部分氣云受順流風(fēng)場的影響向遠(yuǎn)離儲罐的方向擴散,因氣云對空氣有卷吸作用,高濃度氣云逐步擴散為低濃度氣云,因而隨著時間的進行,低濃度氣云的面積逐步增大,爆炸濃度區(qū)域增大。氣云濃度降低會導(dǎo)致其密度降低,當(dāng)與空氣密度相差較小甚至低于空氣密度時,氣云受大氣浮力影響,在順風(fēng)擴散的同時向上部空間流動。

a)10 s

b)20 s

c)30 s

d)40 s

目前國內(nèi)LNG接收站罐區(qū)大多具備2座及2座以上的大型LNG儲罐,LNG泄漏擴散過程中遇到的罐區(qū)內(nèi)部最大障礙物即是其他未發(fā)生泄漏的大型儲罐。以南方沿海某罐區(qū)分布為例,除發(fā)生泄漏的儲罐外還有3座相同儲罐。根據(jù)圖9的風(fēng)場分布情況可見,每座儲罐背風(fēng)側(cè)均會產(chǎn)生漩渦及回流,兩罐之間的風(fēng)場更因雙重阻擋導(dǎo)致紊流作用加強,回流增多,流動更加復(fù)雜。

圖9 罐區(qū)風(fēng)場流線圖Fig.9 Wind field streamline figure of tank farm

罐間空氣回流導(dǎo)致罐區(qū)1/2 LFL氣云在未到達(dá)下風(fēng)向儲罐時超前抬升,此后大量氣云沿罐壁被動向上擴散并受風(fēng)場影響繼續(xù)向下風(fēng)向運動。從圖10中兩個時刻的氣云分布來看,順風(fēng)向氣云由于儲罐的阻擋未到達(dá)罐區(qū)外部,但豎直向氣云卻因此高達(dá)一百多米,使得罐區(qū)危險氣云體積增多,增加了發(fā)生火災(zāi)爆炸的危險,但從另一方面看,儲罐的阻擋延長了危險氣云到達(dá)罐區(qū)外部的時間。

泄漏80 s時1/2 LFL氣云分布見圖11,對比可見兩種幾何模型的模擬結(jié)果差異巨大,開敞空間單罐泄漏后的氣云體積遠(yuǎn)小于罐區(qū)氣云。一方面,罐區(qū)風(fēng)場比單罐風(fēng)場復(fù)雜得多,存在更多的回流,高濃度氣云停滯時間增加,氣云向下風(fēng)向擴散的速度減慢;另一方面,下風(fēng)向儲罐對氣云的阻擋導(dǎo)致氣云沿儲罐向兩側(cè)擴散,風(fēng)對橫向氣云擴散的抑制作用減弱,氣云寬度不斷增加。以此可見,儲罐對氣云擴散的阻擋作用非常大,罐區(qū)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離周圍建筑,內(nèi)部安裝高敏感性報警器,以便能夠快速采取安全防護措施,在堵漏的同時利用水幕稀釋高濃度氣云。

a)40 s

b)60 s

a)單罐a)Single tank

b)罐區(qū)b)Tank farm

3 結(jié)論

1)風(fēng)能有效促進氣云的擴散,且對高濃度氣云產(chǎn)生的混合稀釋作用較強,而對低濃度氣云產(chǎn)生的平流輸送作用較強,在LNG泄漏及擴散達(dá)到穩(wěn)定之前,風(fēng)速越大,UFL氣云到達(dá)下風(fēng)向距離越短,1/2 LFL氣云到達(dá)下風(fēng)向距離越遠(yuǎn)。在3 m/s低風(fēng)速下,1/2 LFL氣云在泄漏580 s時能夠到達(dá)下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離554 m。

2)儲罐本身對氣云擴散起阻擋作用,泄漏80 s時的1/2 LFL氣云體積從順風(fēng)24 229.9 m3,側(cè)風(fēng)22 680.9 m3,直至逆風(fēng)21 905.4 m3,阻礙作用逐漸加強,氣云擴散速度逐步減慢。因此,逆風(fēng)泄漏最不利于氣云擴散,穩(wěn)定后形成的危險區(qū)域最大。

3)障礙物阻擋重氣云擴散,使得高濃度氣云短期聚積,增大火災(zāi)爆炸危險性;LNG重氣云繞過障礙物存在攀爬和分流兩種形式,氣云短時間內(nèi)會呈現(xiàn)“鉗”狀。

4)LNG泄漏后初始?xì)庠泼芏却笥诳諝?呈重氣擴散特征,同時風(fēng)場分布影響氣云擴散,建筑分布越復(fù)雜,出現(xiàn)漩渦和回流的情況越多,高濃度氣云停滯時間越長,氣云擴散減慢,因此,同一時刻單罐泄漏形成的危險區(qū)域遠(yuǎn)小于罐區(qū)儲罐泄漏形成的危險區(qū)域。