楊 帥，趙祥迪，鄭 毅，王 正，張廣文

(中石化安全工程研究院有限公司化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266104)

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國對天然氣等優(yōu)質(zhì)能源的需求越來越大，液化天然氣(LNG)行業(yè)是其中一個重要組成部分。隨著我國天然氣消費(fèi)進(jìn)入快速發(fā)展階段，LNG液廠、LNG加氣站也得到了廣泛推廣與應(yīng)用。由于我國LNG的生產(chǎn)和應(yīng)用尚處于起步階段，LNG液廠及加氣站的泄漏、火災(zāi)及爆炸事故的風(fēng)險增大。2017年11月27日，陜西液化天然氣發(fā)展投資有限公司的LNG加注站發(fā)生LNG管道液體泄漏，起火引燃管道外保溫材料。LNG氣化站泄漏事故分為LNG泄漏和氣態(tài)天然氣泄漏。當(dāng)大量LNG發(fā)生泄漏后，會在地面形成流淌液池，起初蒸發(fā)時所產(chǎn)生的氣體溫度接近液體溫度，密度大于空氣，沿地面形成一個流動層。從環(huán)境中吸收熱量后，氣體也開始上升和擴(kuò)散，形成密度小于空氣的蒸氣云團(tuán)，極易引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法為深入研究LNG泄漏擴(kuò)散行為提供了一種新的途徑。司凡結(jié)合濃度場和速度場分析了泄漏孔徑、風(fēng)速大小、泄漏方向、障礙物分布、泄漏源位置5種因素對天然氣泄漏擴(kuò)散的影響。秦雅琦等采用FLUENT軟件對不同障礙物對LNG擴(kuò)散行為的影響進(jìn)行了分析，通過改變圍堰尺寸增強(qiáng)對LNG重氣氣云擴(kuò)散的阻擋能力。范勇等采用CFX軟件對壓縮機(jī)廠房內(nèi)天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，提出了可燃?xì)怏w報警探頭的優(yōu)化布局方法。這些研究都集中在LNG在開敞空間內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律方面，對泄漏初期管道負(fù)壓卷吸氧氣的情況并不清晰，管道內(nèi)氣相混合物是否達(dá)到爆炸極限對于應(yīng)急處置措施的制定非常重要，因此研究泄漏后管道內(nèi)氣相混合物中天然氣濃度變化，評估管道爆炸可能性，為LNG泄漏事故的應(yīng)急處置提供技術(shù)支持。

1 模擬場景

針對液態(tài)LNG和壓縮天然氣CNG兩種相態(tài)的天然氣管道泄漏情況開展研究。管道泄漏后，上游截斷閥及時將物料截斷，對剩余管段內(nèi)物料繼續(xù)泄漏的場景進(jìn)行數(shù)值模擬分析。為簡化泄漏過程，在泄漏初期，在一段封閉管道內(nèi)全部充滿液態(tài)LNG或氣相天然氣，壓力為8 MPa。管道采用直徑200 mm，長1 000 mm的空心圓柱進(jìn)行簡化，外部擴(kuò)散空間為3 200 mm×3 200 mm×5 000 mm的長方體，如圖1所示。管道和外部擴(kuò)散空間分別采用間距為20 mm和100 mm的六面體網(wǎng)格進(jìn)行繪制，管道進(jìn)行加密，共計(jì)54 879個三維網(wǎng)格，如圖2所示。

圖1 液態(tài)烴管道及泄漏擴(kuò)散空間幾何模型

圖2 網(wǎng)格繪制

2 CFD模型

2.1 控制方程

LNG管道泄漏后，部分泄漏的LNG汽化為天然氣，但管道內(nèi)仍有LNG流動，整個運(yùn)動過程屬于氣液兩相流動。呈氣態(tài)的天然氣與殘余的LNG具有清晰的相界面，相間并沒有相互混合，流動過程滿足兩相流動的VOF模型。VOF模型引入了流體體積分?jǐn)?shù)α的概念，各相流體體積分?jǐn)?shù)之和等于1。不同的流動相共用一套動量方程，通過引進(jìn)相體積分?jǐn)?shù)實(shí)現(xiàn)對每個計(jì)算單元相界面的追蹤。其連續(xù)性方程如式(1)所示，動量守恒方程如式(2)所示。

連續(xù)性方程：

(1)

式中：

α

——相體積分?jǐn)?shù)；

v

——真實(shí)速度，m/s；

t

——時間，s；

ρ

——相密度，kg/m；

q

——第

q

相；

S

——質(zhì)量源項(xiàng)，kg/ms。

動量方程：

(2)

式中：

μ

——黏度，Pa·s；

通過求解整個區(qū)域內(nèi)單一的動量方程，得到的速度場是由各相共享的。動量方程取決于通過屬性

ρ

和

μ

的所有相的容積比率。表面張力為表面力，通過CSF模型可以將表面力轉(zhuǎn)化為體積力，如式(3)所示。

(3)

式中：

σ

——表面張力系數(shù)；

κ

——界面曲率。

2.2 相變模型

LNG汽化過程采用廣泛應(yīng)用的Lee相變模型進(jìn)行描述，具體表達(dá)式如式(4)和(5)所示。

蒸發(fā)過程：

(4)

冷凝過程：

(5)

r

——控制相變強(qiáng)度的因子，可取值0.1。

2.3 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

天然氣管道和氣相空間的邊界條件設(shè)置如圖3所示，管道前端封閉，斷裂處設(shè)置為內(nèi)部界面,管道其余部分設(shè)置為壁面。氣相空間進(jìn)風(fēng)口設(shè)定為速度進(jìn)口，其余氣相空間出口設(shè)置為壓力出口。

圖3 邊界條件設(shè)置

3 模擬結(jié)果討論

3.1 LNG管道泄漏

LNG管道斷裂后，上游截斷閥及時將物料截斷，管道內(nèi)初始壓力為8 MPa，管道壓力隨著LNG的泄漏逐漸減小，空氣被卷吸進(jìn)入管道，管道內(nèi)LNG出現(xiàn)清晰的流動界面，如圖4所示。在泄漏初期，由于LNG的輸送溫度為-160 ℃左右，泄漏后與空氣接觸進(jìn)行熱量交換，空氣中的水蒸氣凝結(jié)，與泄漏的LNG汽化后的甲烷氣體在管道下方靠近地面處團(tuán)聚，如圖5所示。LNG管道泄漏后，管道內(nèi)的甲烷氣體濃度并沒有立即達(dá)到爆炸下限。由于LNG在初期即大部分泄漏至管道外，管道外附近的甲烷氣體濃度反而很高，已超過了爆炸上限。在泄漏8.7 s后，LNG管道泄漏口處的甲烷氣體濃度超過了爆炸下限，并且隨時間沿軸向逐步向管道內(nèi)部推進(jìn)，如圖6所示。發(fā)生泄漏8.7 s后，管道內(nèi)的氣相空間逐步達(dá)到甲烷氣體的爆炸極限內(nèi)，存在爆炸可能性。

圖4 液相LNG分布云圖

圖5 氣相甲烷摩爾分?jǐn)?shù)分布云圖

圖6 氣相甲烷摩爾分?jǐn)?shù)隨時間分布云圖

3.2 CNG管道泄漏

CNG管道斷裂后，上游截斷閥及時將物料截斷，管道內(nèi)初始壓力為8 MPa，管道壓力隨著泄漏逐漸減小，空氣被卷吸進(jìn)入管道，甲烷氣體沿管道軸向逐漸向外擴(kuò)散，管道內(nèi)甲烷氣體的濃度隨管道軸向逐漸遞減，如圖7所示。在泄漏的前10 s內(nèi)，管道內(nèi)甲烷氣體濃度一直高于甲烷的爆炸上限，管道內(nèi)氣相無爆炸風(fēng)險。泄漏10 s后，管道斷裂處的甲烷濃度低于爆炸上限，進(jìn)入爆炸極限內(nèi)，且管道內(nèi)甲烷濃度隨泄漏時間逐漸減低，但始終高于爆炸下限，管道氣相存在爆炸可能性，如圖8所示。泄漏51 s后，管道內(nèi)的甲烷濃度開始低于爆炸下限，并隨泄漏時間持續(xù)下降，管道內(nèi)氣相無爆炸可能性。

圖7 甲烷氣體分布云圖

圖8 氣相甲烷摩爾分?jǐn)?shù)隨時間分布云圖

4 結(jié)論

通過計(jì)算流體力學(xué)方法對LNG管道和CNG管道泄漏兩種不同情況的泄漏場景進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到如下結(jié)論。

a) LNG泄漏后，由于輸送溫度很低，空氣中的水蒸氣凝結(jié)，與汽化后的甲烷氣體在管道下方靠近地面處團(tuán)聚。

b) LNG泄漏后，氧氣卷吸進(jìn)入管道內(nèi)，但無爆炸可能性，泄漏8.7 s后，管道內(nèi)的氣相混合物達(dá)到甲烷氣體的爆炸極限，存在爆炸可能性。

c) CNG泄漏后，在泄漏10～51 s時間內(nèi)管道達(dá)到甲烷氣體的爆炸極限，存在爆炸可能性，其余時間內(nèi)管道無爆炸可能性。

d) LNG泄漏后，管道附近長時間存在高濃度甲烷氣體，在管道下風(fēng)向一段距離內(nèi)均存在蒸氣云爆炸可能性。CNG泄漏后，甲烷氣體迅速消散，僅泄漏前20 s內(nèi)管道斷裂附近小范圍內(nèi)存在爆炸可能性，20 s后CNG管道附近均無爆炸可能性。