賴建波， 楊 帆， 王衛(wèi)曉

(1.北京市燃氣集團研究院，北京100011；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司第十設(shè)計研究院，天津300074；3.北京燃氣集團(天津)液化天然氣有限公司，天津300163)

1 概述

LNG儲罐一旦發(fā)生泄漏將對周邊的人員生命財產(chǎn)及大氣環(huán)境造成極大危害。對LNG儲罐潛在的泄漏擴散危害后果進行研究，對于LNG廠站選址、應(yīng)急預(yù)案制定、緊急疏散區(qū)域劃定以及事故危害后果評估等具有重要意義。

從 20 世紀70年代至今，國內(nèi)外學(xué)者主要采用現(xiàn)場實驗、風(fēng)洞實驗及數(shù)值模擬對 LNG 泄漏擴散規(guī)律展開系統(tǒng)研究[1]。由于數(shù)值模擬方法成本低、精度高、可操作性強，在氣體泄漏擴散研究方面被廣泛應(yīng)用。本文采用數(shù)值模擬方法對LNG 儲罐泄漏擴散危險范圍進行研究。

2 LNG儲罐泄漏擴散過程

LNG儲罐發(fā)生泄漏，其泄漏過程較為復(fù)雜。儲罐內(nèi)LNG的泄漏擴散主要包括液池擴展和氣云擴散兩個過程[2-4]。

① 液池擴展

LNG泄漏到地面，在重力作用下會擴展。如果LNG垂直泄漏于地面，將在地面上形成圓形的液池，液池半徑隨時間持續(xù)而擴大；如果LNG非垂直泄漏于地面，即LNG具有一定的水平初速度，則在地面上形成的液池就不是圓形，液池在水平初速度方向擴展的距離要大于其他方向。當液池周圍存在圍堰時，液池擴展會受到限制，進而影響液池擴展的面積和厚度。

② 氣云擴散

LNG泄漏到地面形成的液池與地面直接進行熱量傳遞，以及與周圍空氣進行對流換熱，并吸收太陽熱輻射，從而部分開始蒸發(fā)形成低溫氣體，即氣云。氣云量與液池面積有直接關(guān)系，液池面積越大，LNG吸收熱量越多，形成的氣云就越多。LNG蒸發(fā)為無色氣體，由于它的溫度很低，使得周圍被卷吸入氣云的水蒸氣發(fā)生冷凝，從而形成可見蒸氣云。

3 泄漏擴散模型有效性驗證

針對氣體泄漏擴散數(shù)值模擬研究，目前已開發(fā)出多種商業(yè)計算流體力學(xué)CFD軟件，例如FLUENT、PHOENICS、FLACS等[5]。FLACS是專門用于可燃氣體泄漏擴散和蒸氣云爆炸的專業(yè)數(shù)值計算軟件，越來越得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[6-8]。FLACS模擬氣體泄漏擴散的基本控制方程包括：質(zhì)量方程、動量方程、能量方程、組分方程、湍動能方程和湍動能耗散率方程[9]。

為了研究LNG泄漏擴散特性及其影響因素，并為建立的計算模型提供驗證數(shù)據(jù)，從20世紀60年代開始，國外開展了一系列大型LNG現(xiàn)場實驗，其中著名的實驗有Esso實驗、Shell系列實驗、Burro系列實驗、Coyote系列實驗、MaplinFSands實驗以及Falcon實驗[10-12]。這些大型現(xiàn)場實驗取得了大量基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)，包括氣象條件參數(shù)，如風(fēng)速、溫度、湍流強度、濕度、太陽輻射量，以及蒸氣云、液池燃燒的相關(guān)數(shù)據(jù)，具有極大利用價值[13-17]。

Burro系列實驗是由美國國家重點實驗室勞倫斯利物莫實驗室(LLNL)在1980年進行的大型現(xiàn)場實驗，該實驗得到了美國能源部和美國天然氣研究協(xié)會的支持。Burro系列實驗是在一個直徑58 m、水深1 m的水池中進行的，泄漏源位置處于水池中心上表面。在下風(fēng)向以泄漏源為圓心，半徑為57、140、400、800 m的圓弧上布置氣體濃度測量樁25個，并在每個樁上距離地面高度為1、3、8 m處分別布置氣體濃度傳感器3個。

Burro系列實驗包含8個，其中Burro3、Burro5、Burro7實驗所獲得的測量數(shù)據(jù)較好，常被國內(nèi)外研究人員用于驗證數(shù)值計算模型的可靠性[18]，上述3個實驗的實驗條件見表1。

表1 Burro實驗的實驗條件

基于Burro3、Burro5、Burro7實驗，采用FLACS軟件進行模擬計算，模擬計算數(shù)據(jù)與實驗測量數(shù)據(jù)比較見表2。得到二者相對誤差范圍為-53.9%～33.8%，相對誤差絕對值的平均值為16.4%，因此，F(xiàn)LACS軟件泄漏擴散模型能有效模擬LNG泄漏擴散過程。

表2 模擬計算數(shù)據(jù)與實驗測量數(shù)據(jù)比較

4 工程應(yīng)用

4.1 建立三維模型

某市LNG應(yīng)急氣源站布置有生產(chǎn)區(qū)和生產(chǎn)輔助區(qū)。生產(chǎn)區(qū)位于站西側(cè)，生產(chǎn)輔助區(qū)位于站東側(cè)。生產(chǎn)區(qū)自西向東依次分布LNG儲存區(qū)、工藝裝置區(qū)、汽車裝卸區(qū)、地磅、門衛(wèi)室等，其中LNG儲存區(qū)設(shè)置有1臺4 500 m3LNG儲罐、3臺150 m3LNG立式真空粉末絕熱儲罐及相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)施，LNG儲存區(qū)地面標高與站區(qū)其他部分標高相同。集液池位于LNG儲存區(qū)北側(cè)，緊貼北側(cè)圍堰。集液池長5 m，寬4 m，深0.6 m?；贔LACS軟件，建立LNG儲存區(qū)三維模型，見圖1。圖1、2中方向為上北下南。

圖1 LNG儲存區(qū)三維模型

4.2 模擬計算輸入?yún)?shù)

① LNG氣源參數(shù)

模擬過程將LNG視為純甲烷。

② 環(huán)境參數(shù)

根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料，計算中設(shè)置大氣溫度為年平均溫度16.5 ℃，大氣壓力為100 kPa，大氣穩(wěn)定度等級為F級，北風(fēng)風(fēng)向(南側(cè)有居民區(qū)，北風(fēng)風(fēng)向為最不利情況)、風(fēng)速1 m/s作為LNG泄漏擴散的環(huán)境參數(shù)。風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度等級依據(jù)相關(guān)標準設(shè)定。

③ 初始和邊界條件

LNG儲罐工作壓力為10 kPa，工作溫度為-162 ℃。根據(jù)GB/T 20368—2012《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運》，LNG儲罐設(shè)計溢出計算應(yīng)按第5.2.3.4款表1，設(shè)計溢出流量為儲罐排料泵在滿負荷下通過一根管道的最大流量，溢出持續(xù)時間為10 min。根據(jù)GB/T 20368—2012，本工程LNG常壓儲罐的設(shè)計溢出質(zhì)量流量為8.0 kg/s，溢出源在LNG儲罐頂部。設(shè)定從LNG儲罐頂部溢出的液化天然氣全部流入集液池。初始條件為：集液池內(nèi)LNG質(zhì)量為4.8 t，溫度為-162 ℃。LNG儲罐外壁與圓形圍堰之間的距離為15.40 m。圓形圍堰與南側(cè)、西側(cè)、北側(cè)圍墻的最近距離分別為30.49、33.64、30.93 m。LNG儲罐溢出源、圍堰、圍墻位置見圖2。LNG儲存區(qū)南側(cè)有居民區(qū)，居民區(qū)與南側(cè)圍墻之間有綠化帶。為減少計算量，只對局部區(qū)域進行了網(wǎng)格劃分。

圖2 LNG儲罐溢出源、圍堰、圍墻位置

根據(jù)GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》第10.3.5條，本研究蒸氣云擴散范圍邊界的確定條件為空氣中甲烷體積分數(shù)為2.5%。

4.3 模擬結(jié)果及分析

為評估不同圍堰和圍墻高度對LNG儲罐發(fā)生泄漏擴散的影響，采用FLACS軟件的液體溢出(POOL Version)模塊進行數(shù)值計算，計算時間間隔為1 s。對蒸氣云擴散范圍進行模擬，結(jié)果見圖3～5(圖例中色階圖數(shù)值為甲烷體積分數(shù))。

圖3 圍堰和圍墻高度均為3.5 m，擴散時間為830 s蒸氣云擴散范圍模擬結(jié)果(軟件截圖)

圖4 圍堰高度6.0 m、圍墻高度4.0 m，擴散時間為830 s蒸氣云擴散范圍模擬結(jié)果(軟件截圖)

圖5 圍堰高度6.0 m、圍墻高度4.0 m，擴散時間為1 350 s蒸氣云擴散范圍模擬結(jié)果(軟件截圖)

根據(jù)圖3，LNG儲存區(qū)圍堰和圍墻的高度均為3.5 m時，擴散時間830 s，蒸氣云擴散范圍將有50%越過儲存區(qū)南側(cè)的圍墻。根據(jù)圖4，LNG儲存區(qū)的圍堰增高至6.0 m、圍墻增高至4.0 m時，在同樣擴散時間內(nèi)，蒸氣云擴散范圍能夠被有效控制在圍墻內(nèi)，并且蒸氣云量也大大降低。根據(jù)圖5，LNG儲存區(qū)圍堰高度為6.0 m、圍墻高度為4.0 m，當擴散時間延長至1 350 s時，蒸氣云擴散范圍少部分越過儲存區(qū)南側(cè)的圍墻，但距居民區(qū)仍有一定距離。

按照GB 50183—2004第10.3.5條，蒸氣云擴散范圍不得覆蓋居民區(qū)。該條對蒸氣云擴散范圍的邊界作出了明確規(guī)定，但是未規(guī)定擴散時間。

GB/T 20368—2012規(guī)定LNG儲罐發(fā)生泄漏允許的最大時間為10 min，意味著10 min內(nèi)觸發(fā)應(yīng)急處理預(yù)案，進行處置。本文借鑒此規(guī)定并適當留有余量，確定滿足生產(chǎn)安全要求的判斷條件為：擴散時間830 s時，蒸氣云擴散范圍不得覆蓋居民區(qū)。

根據(jù)圖4，圍堰高度6.0 m、圍墻高度4.0 m條件下，擴散時間830 s時，蒸氣云擴散范圍被有效控制在圍墻內(nèi)，未覆蓋居民區(qū)。因此，本研究圍堰高度設(shè)計為6.0 m、圍墻高度設(shè)計為4.0 m，能夠滿足LNG儲存區(qū)的生產(chǎn)安全要求。

5 結(jié)論

為評估不同圍堰和圍墻高度對LNG儲罐泄漏擴散的影響，以某LNG應(yīng)急氣源站為例，LNG儲罐工作壓力為10 kPa，工作溫度為-162 ℃，溢出持續(xù)時間為10 min，設(shè)計溢出質(zhì)量流量為8.0 kg/s，溢出源在儲罐頂部，儲罐外壁與圓形圍堰之間的距離為15.40 m，圓形圍堰與南側(cè)、西側(cè)、北側(cè)圍墻的最近距離分別為30.49、33.64、30.93 m。采用FLACS軟件的液體溢出模塊進行數(shù)值計算，計算結(jié)果表明：

① LNG儲存區(qū)圍堰和圍墻的高度均為3.5 m、擴散時間為830 s時，蒸氣云擴散范圍將有50%越過儲存區(qū)南側(cè)的圍墻。

② LNG儲存區(qū)的圍堰增高至6.0 m、圍墻增高至4.0 m，擴散時間為830 s時，蒸氣云擴散范圍被有效控制在圍墻內(nèi)，并且蒸氣云量也大大降低。

③ LNG儲存區(qū)圍堰高度為6.0 m、圍墻高度為4.0 m，擴散時間延長至1 350 s時，蒸氣云擴散范圍少部分越過儲存區(qū)南側(cè)的圍墻。

④ 該站圍堰高度設(shè)計為6.0 m、圍墻高度設(shè)計為4.0 m，能夠滿足LNG儲存區(qū)的生產(chǎn)安全要求。