昃 彬 中海油石化工程有限公司 濟(jì)南 250101
近年來(lái),國(guó)家非常重視LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,在沿海地區(qū)相繼規(guī)劃和建設(shè)了多個(gè)LNG接收站。LNG接收站的主要功能包括:LNG的接收、儲(chǔ)存和增壓氣化。LNG是以甲烷為主要組分的烴類混合物,另外還有少量的乙烷、丙烷、氮等組分,具有火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)性,另外,還可能引起人員凍傷、窒息。
因此,分析研究LNG的泄漏擴(kuò)散問(wèn)題,了解其運(yùn)動(dòng)規(guī)律,有助于為L(zhǎng)NG接收站的布置、LNG泄漏后應(yīng)急處置措施的確定及警戒范圍的劃定等提供依據(jù)。LNG泄漏擴(kuò)散過(guò)程較復(fù)雜,涉及氣液相變、多組分輸送、湍流流動(dòng)、熱量傳遞等動(dòng)態(tài)過(guò)程。目前對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散的研究主要集中在泄漏源大小、環(huán)境條件(如風(fēng)速、溫度、濕度、大氣穩(wěn)定度)等對(duì)泄漏擴(kuò)散的作用效果上,但針對(duì)LNG接收站在不同壓力狀態(tài)下的LNG泄漏、是否能到達(dá)地面形成液池,以及集液池收集對(duì)擴(kuò)散的影響研究較少。
由DNV開發(fā)的工藝危險(xiǎn)源分析軟件工具(Process Hazard Analysis Software Tool,簡(jiǎn)稱PHAST軟件),是基于自有UDM(Universal Dispersion Model)以及內(nèi)嵌經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式組成擴(kuò)散計(jì)算模型的二維模擬軟件[1]。本文運(yùn)用PHAST 8.0版本,以某LNG接收站為模擬分析對(duì)象,選取在不同壓力狀態(tài)下的LNG泄漏單元,對(duì)泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬研究,較全面地分析在連續(xù)泄漏、瞬時(shí)泄漏工況下,泄漏擴(kuò)散的影響因素。
本文主要研究的是液化天然氣(LNG)以液相流出。泄漏流出的驅(qū)動(dòng)力是與環(huán)境之間的壓差,并與儲(chǔ)存物質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)有關(guān)。因LNG的儲(chǔ)存溫度高于正常沸點(diǎn),因此,泄漏的LNG會(huì)發(fā)生閃蒸,泄漏后最終溫度是其正常沸點(diǎn)溫度(-161℃左右,還與其組分有關(guān))。
LNG蒸發(fā)的氣體為無(wú)色,但因?yàn)闇囟群艿?,使得卷吸進(jìn)入氣云的水蒸氣發(fā)生冷凝,形成可見氣云。蒸氣云從周圍環(huán)境卷吸空氣,不斷沿著地面擴(kuò)散并向著下風(fēng)方向運(yùn)動(dòng)。一般認(rèn)為擴(kuò)散過(guò)程分為四個(gè)階段:重力沉降階段、空氣卷吸階段、重氣擴(kuò)散向非重氣擴(kuò)散轉(zhuǎn)變階段和被動(dòng)擴(kuò)散階段[2]。
LNG泄漏工況通常分為瞬時(shí)泄漏和連續(xù)泄漏兩種[3]。瞬時(shí)泄漏是指容器或管道由于人為或者自然災(zāi)害的破壞瞬間完全失效;連續(xù)性泄漏是指泄漏口面積遠(yuǎn)小于容器或管道的橫截面積,與LNG存量相比是相對(duì)較小的流出率(泄漏速率),可認(rèn)為是準(zhǔn)平穩(wěn)的連續(xù)泄漏[4]。
不論是瞬時(shí)泄漏還是連續(xù)泄漏,應(yīng)判斷是否能到達(dá)地面形成液池。若形成液池,LNG會(huì)吸收地面熱量,繼續(xù)蒸發(fā),返回到氣云中。液池的蒸發(fā)率受平均液池溫度、液池表面積和傳熱系數(shù)等因素控制。泄漏到地面的液池會(huì)以泄漏源為圓心向四周擴(kuò)展。若泄漏源周圍不存在障礙物,液池表面積會(huì)不斷增大,此時(shí)液池表面積是泄漏時(shí)間的函數(shù)[5]。
目前大型LNG儲(chǔ)罐均采用全容式混凝土儲(chǔ)罐,即使內(nèi)罐發(fā)生泄漏,外罐也能夠容納泄漏的物料,可以起到物理隔離的作用,因此,不考慮LNG儲(chǔ)罐本身的事故破裂。泄漏單元的劃分,需考慮工藝單元的介質(zhì)相態(tài)、操作參數(shù)、設(shè)備布置、緊急切斷閥的布置等因素。
本文以某接收站為模擬分析對(duì)象,選取在三個(gè)不同壓力狀態(tài)下的LNG泄漏單元,各泄漏單元操作條件見表1。
表1 各泄漏單元的操作條件
模擬所用的LNG摩爾組成為甲烷:86.35%、乙烷:8.25%;丙烷:3.05%;丁烷:2.25%、氮?dú)?0.1%。大氣環(huán)境溫度為21.6℃,太陽(yáng)熱輻射強(qiáng)度為0.2kw/m2,相對(duì)濕度為80%。
2.2.1 不同泄漏孔尺寸的影響
為研究不同泄漏孔尺寸的影響,本節(jié)根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》(GB/T 37243-2019)6.4.4節(jié)對(duì)各泄漏孔徑的取值范圍劃分,分別選擇小孔泄漏(5mm)、中孔泄漏(50mm)、大孔泄漏(100mm)進(jìn)行模擬,結(jié)果對(duì)比見表2。
表2 各泄漏單元不同泄漏孔尺寸下的泄漏結(jié)果(泄漏高度1m)
結(jié)果表明,對(duì)同一泄漏單元,泄漏孔尺寸越大,泄漏速率越大。在相同泄漏孔尺寸下,泄漏前系統(tǒng)壓力越高,泄漏速率越大。
泄漏后最終溫度是其正常沸點(diǎn)溫度,另外泄漏結(jié)果還包括閃蒸后的液體質(zhì)量百分比、平均液滴尺寸等。由表2可知,同一泄漏單元不同泄漏孔尺寸的液體質(zhì)量百分比、液滴平均尺寸均相同,說(shuō)明閃蒸后的液體質(zhì)量百分比、平均液滴尺寸與泄漏孔尺寸無(wú)關(guān);液體質(zhì)量百分比、液滴平均尺寸與泄漏前后介質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)有關(guān),泄漏前系統(tǒng)壓力越高,形成的液滴尺寸越小。
2.2.2 不同泄漏單元、不同風(fēng)速對(duì)液池形成的影響
在相同泄漏高度下,本節(jié)模擬了不同風(fēng)速(2、5、10m/s),各泄漏單元小孔泄漏(5mm)、中孔泄漏(50mm)、大孔泄漏(100mm)是否可形成液池,結(jié)果對(duì)比見表3。
LNG閃蒸后會(huì)形成具有一定速度的兩相噴射流。隨后在環(huán)境中可不斷卷吸、夾帶空氣。PHAST軟件可計(jì)算泄漏后液滴的平均尺寸,并跟蹤其軌跡,以確定是否能到達(dá)地面形成液池。
對(duì)比結(jié)果表明,泄漏單元3形成的平均液滴尺寸足夠小(95.20μm),可在空氣中形成氣溶膠,直接在空氣中蒸發(fā),不會(huì)在地面形成液池。泄漏單元1、2的小孔泄漏(5mm),雖然形成的液滴尺寸較大(341.59μm、261.53μm),但因泄漏速率小,液滴在到達(dá)地面前可完全蒸發(fā)。泄漏單元2的中孔泄漏(50mm),當(dāng)風(fēng)速到達(dá)10m/s時(shí),無(wú)液池形成,說(shuō)明風(fēng)速越大,可加大與空氣對(duì)流,有利于液滴在到達(dá)地面前完全蒸發(fā)。
表3 不同泄漏單元、不同風(fēng)速對(duì)形成液池的影響(泄漏高度1m)
2.2.3 不同泄漏高度對(duì)液池形成的影響
本節(jié)選取泄漏單元2的中孔泄漏(50mm)模型,模擬了不同泄漏高度對(duì)液池形成的影響,分別選取了60m、5m、1m的泄漏高度。模擬結(jié)果見表4。
表4 不同泄漏高度對(duì)形成液池的影響(風(fēng)速2m/s)
結(jié)果表明,若泄漏高度足夠高,液滴可在降落過(guò)程中可完全蒸發(fā)。因此,對(duì)于連續(xù)泄漏工況,能否形成液池受平均液滴尺寸大小、泄漏高度、泄漏速率、環(huán)境風(fēng)速等因素的影響。若液滴足夠小或在到達(dá)地面前完全蒸發(fā),則無(wú)法形成液池。
各泄漏單元若發(fā)生瞬時(shí)泄漏(完全破裂),泄漏模擬結(jié)果見表5。
表5 不同泄漏單元瞬時(shí)泄漏結(jié)果(泄漏高度1m,風(fēng)速2m/s)
根據(jù)TNO黃皮書《Methods for the calculation of physical effects》,發(fā)生瞬時(shí)泄漏時(shí),能否形成液池取決于瞬時(shí)閃蒸率。帶到空氣中的液體量等于2倍的閃蒸量,若閃蒸率大于0.5,則液體全部帶走,地面無(wú)液池形成[6]。
由表5結(jié)果可知,若發(fā)生瞬時(shí)泄漏(完全破裂),泄漏量大,各泄漏單元以液體為主,均在地面形成液池。
對(duì)于連續(xù)泄漏工況,本節(jié)首先模擬了不同泄漏孔尺寸對(duì)氣云擴(kuò)散的影響,選取泄漏單元1,小孔泄漏(5mm)、中孔泄漏(50mm)、大孔泄漏(100mm)的氣云擴(kuò)散情況見表6。
表6 連續(xù)泄漏工況不同泄漏孔尺寸對(duì)氣云擴(kuò)散的影響(風(fēng)速2m/s,泄漏高度1m)
由表6可知,連續(xù)泄漏工況下,泄漏孔尺寸越大,泄漏速率(單位時(shí)間泄漏量)越大,氣云擴(kuò)散的影響距離越遠(yuǎn)。
對(duì)于瞬時(shí)泄漏工況,各泄漏單元?dú)庠茢U(kuò)散情況見表7。
表7 瞬時(shí)泄漏工況氣云擴(kuò)散影響距離(風(fēng)速2m/s,泄漏高度1m)
由表7可知,瞬時(shí)泄漏工況下,泄漏量(系統(tǒng)存量)越大,氣云擴(kuò)散的影響距離越遠(yuǎn)。
LNG接收站設(shè)置了泄漏收集系統(tǒng),將泄漏到地面上的液體收集到集液池中,此時(shí)泄漏液體的擴(kuò)展受到限制。本節(jié)選取泄漏單元1的中孔泄漏(50mm)模型,模擬了無(wú)集液池、不同集液池尺寸情況下的氣云擴(kuò)散情況,見表8。
表8 集液池收集作用對(duì)氣云擴(kuò)散的影響(風(fēng)速2m/s,泄漏高度1m)
由于集液池的存在,可通過(guò)限制液池的表面積來(lái)降低蒸發(fā)率,并且提供了泄漏液體與地面之間更長(zhǎng)的接觸時(shí)間。結(jié)果表明,無(wú)集液池收集情況下,氣云到達(dá)爆炸下限的擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離為130.4m,設(shè)置長(zhǎng)寬深分別為6.5×6.5×4.3m的集液池后,影響距離可降至50.1m,集液池的收集作用可明顯減低氣云擴(kuò)散的影響距離。另外,在集液池容積相同(180m3)的情況下,集液池表面積越小,氣云擴(kuò)散的影響距離越小。
本節(jié)選取泄漏單元3的中孔泄漏(50mm)模型,模擬了三種不同風(fēng)速情況下的氣云擴(kuò)散情況,分別為2、5、10m/s,詳見圖1。
圖1 環(huán)境風(fēng)速對(duì)氣云擴(kuò)散的影響
由圖1可知,環(huán)境風(fēng)速對(duì)氣云擴(kuò)散有明顯的作用。風(fēng)速在2m/s情況下,氣云的寬度接近120m,氣云順風(fēng)到達(dá)50%爆炸下限的擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離為392.3m;風(fēng)速在5m/s情況下,氣云的寬度只有將近48.2m,氣云順風(fēng)到達(dá)50%爆炸下限的擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離降至276.8m。因此,環(huán)境風(fēng)速對(duì)氣云擴(kuò)散的影響主要體現(xiàn)在對(duì)氣云的輸送作用以及對(duì)加大與氣云的對(duì)流,起稀釋作用[7]。風(fēng)速越大,越有利于氣云擴(kuò)散,使其不容易聚集成易爆氣云團(tuán)。
本文運(yùn)用PHAST軟件,以某LNG接收站為模擬分析對(duì)象,選取了在不同壓力狀態(tài)下的LNG泄漏單元,分析了連續(xù)泄漏、瞬時(shí)泄漏工況下泄漏擴(kuò)散的影響因素,得出以下結(jié)論:
(1)連續(xù)泄漏工況下,對(duì)同一泄漏單元,泄漏孔尺寸越大,泄漏速率越大。在相同泄漏孔尺寸下,泄漏前系統(tǒng)壓力越高,泄漏速率越大。閃蒸后的液體質(zhì)量百分比、平均液滴尺寸與泄漏孔尺寸無(wú)關(guān),與泄漏前后介質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)有關(guān),泄漏前系統(tǒng)壓力越高,形成的液滴尺寸越小。
(2)在連續(xù)泄漏工況下,能否形成液池受平均液滴尺寸大小、泄漏高度、泄漏速率、環(huán)境風(fēng)速等因素的影響。若液滴足夠小或在到達(dá)地面前完全蒸發(fā),則無(wú)法形成液池。
(3)在瞬時(shí)泄漏工況下,泄漏量大,能否形成液池取決于瞬時(shí)閃蒸率。
(4)在連續(xù)泄漏工況下,泄漏孔尺寸越大,泄漏速率(單位時(shí)間泄漏量)越大,氣云擴(kuò)散的影響距離越遠(yuǎn)。瞬時(shí)泄漏工況下,泄漏量(系統(tǒng)存量)越大,氣云擴(kuò)散的影響距離越遠(yuǎn)。
(5)集液池的收集作用可明顯減低氣云擴(kuò)散的影響距離。在集液池容積相同的情況下,集液池表面積越小,氣云擴(kuò)散的影響距離越小。
(6)環(huán)境風(fēng)速對(duì)氣云擴(kuò)散的影響主要體現(xiàn)在對(duì)氣云的輸送作用以及加大與氣云的對(duì)流。風(fēng)速越大,越有利于液化天然氣云的擴(kuò)散。