寧浩淼 葉繼紅

（浙江海洋大學(xué)石油化工與環(huán)境學(xué)院，浙江 舟山 316022）

0 引言

能源是一個(gè)國(guó)家賴以生存的命脈，作為當(dāng)今世界上公認(rèn)的最潔凈能源之一的天然氣，它的使用對(duì)減少環(huán)境污染、提高空氣質(zhì)量有相當(dāng)重要的作用。天然氣產(chǎn)生于油田、煤田和沼澤地帶，是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒且無(wú)腐蝕性的可燃?xì)怏w，主要成分為甲烷，燃燒產(chǎn)物主要為二氧化碳和水。天然氣本身雖然無(wú)毒無(wú)害，但是LNG儲(chǔ)存在-162℃以下的低溫儲(chǔ)罐中，LNG儲(chǔ)罐泄漏會(huì)形成低溫蒸汽，對(duì)人員造成低溫凍傷及缺氧等后果［1］，泄漏的LNG會(huì)對(duì)人體造成窒息傷害，因此發(fā)生LNG泄漏時(shí)應(yīng)立即組織人員緊急疏散。泄漏的LNG如果碰到點(diǎn)火源則會(huì)引發(fā)火災(zāi)爆炸事故，發(fā)生爆炸的情況下沒(méi)有時(shí)間疏散，應(yīng)采取保護(hù)墻等安全措施。本研究探討了LNG泄漏擴(kuò)散和LNG泄漏蒸汽云爆炸的緊急疏散。

1 研究模型和理論模型

目前常用于LNG泄漏擴(kuò)散的模型有：箱及相似模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀FD模型［2-3］等，其中基于N-S方程的CFD模型被視為研究LNG泄漏擴(kuò)散模擬的最好工具，目前常用的CFD模型有FLCAS、CFX、FLUENT。本文選取FLUENT對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬。

1.1 模型建立

某大型石化基地儲(chǔ)罐區(qū)LNG儲(chǔ)罐容積為5 000 m3，儲(chǔ)罐為地面式平底圓筒形雙層金屬單容罐，內(nèi)罐用來(lái)存儲(chǔ)LNG，外罐僅用來(lái)承裝保冷材料和閃蒸氣體，內(nèi)外罐均為平底，圓筒形金屬儲(chǔ)罐。內(nèi)罐公稱直徑為20 m，筒體高度為16 m，外罐公稱直徑為22.3 m，筒體高度為18.3 m，內(nèi)筒璧與外筒璧之間用膨脹珍珠巖填充絕熱。對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行建模時(shí)，由于儲(chǔ)罐拱頂弧度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響作用可以忽略不計(jì)，將儲(chǔ)罐模型簡(jiǎn)化為底面半徑11.2 m，高度18.3 m的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。為了模擬LNG泄漏的不利情況，將泄漏孔直徑定為0.05 m，為觀察LNG擴(kuò)散情況，將泄漏位置定在儲(chǔ)罐背風(fēng)中心距離地面7 m處。

儲(chǔ)罐位于完全開(kāi)放的大氣環(huán)境中，為了便于研究，選取儲(chǔ)罐以及儲(chǔ)罐周圍的風(fēng)場(chǎng)來(lái)設(shè)置計(jì)算流域，而計(jì)算域設(shè)置過(guò)小的話，儲(chǔ)罐作為風(fēng)場(chǎng)中的阻塞物會(huì)對(duì)周圍風(fēng)場(chǎng)的流動(dòng)造成影響，這樣模擬出來(lái)的結(jié)果不夠準(zhǔn)確。阻塞物的阻塞率不大于3%時(shí)，計(jì)算流域的邊界對(duì)阻塞物附近的流動(dòng)狀況的影響可以忽略不計(jì)。阻塞率 定義為：

式中，Ab為阻塞物最大迎風(fēng)面積，m2；Ad為計(jì)算流域橫截面積，m2。

計(jì)算流域尺寸設(shè)置過(guò)大的話，網(wǎng)格數(shù)量會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)，數(shù)量過(guò)多，增加了計(jì)算量，也增長(zhǎng)了計(jì)算時(shí)間。根據(jù)阻塞率原則計(jì)算出最小計(jì)算流域尺寸，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，最終確定的計(jì)算流域尺寸為600 m（L）×250 m（B）×100 m（H）。LNG儲(chǔ)罐的幾何模型和計(jì)算流域設(shè)置如圖1所示。

圖1 LNG儲(chǔ)罐幾何模型及計(jì)算流域

1.2 源強(qiáng)計(jì)算

當(dāng)LNG儲(chǔ)罐泄漏口面積遠(yuǎn)小于LNG液面積時(shí)，泄漏不會(huì)引起LNG液面明顯下降，這時(shí)泄漏源強(qiáng)為連續(xù)源強(qiáng)。泄漏源強(qiáng)計(jì)算公式由伯努利方程［4］推導(dǎo)得到：

式中，Chole為泄漏口的流量系數(shù)；Ahole為泄漏口的流通面積，m2；PT為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐液面上方的壓力，Pa；Patm為大氣壓力，101325Pa；L為L(zhǎng)NG液體密度，kg/m3；H為L(zhǎng)NG液面距離泄漏孔中心距離，m；Q為L(zhǎng)NG液體泄漏率，kg/s。

1.3 流體運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)模型

流體運(yùn)動(dòng)都要遵從三大基本物理守恒定律，基本守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律以及能量守恒定律。

天然氣泄漏過(guò)程復(fù)雜，湍動(dòng)性強(qiáng)，其擴(kuò)散過(guò)程為復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)，采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型對(duì)其進(jìn)行描述。湍流運(yùn)動(dòng)方程為：

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)對(duì)LNG氣云擴(kuò)散的影響

風(fēng)對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散產(chǎn)生的影響較為明顯，一方面LNG氣云在風(fēng)的平流輸送作用下會(huì)向遠(yuǎn)處運(yùn)動(dòng)，另一方面風(fēng)對(duì)LNG氣云起到稀釋作用，有助于高濃度LNG氣云的擴(kuò)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1/2LFL。根據(jù)氣象廳數(shù)據(jù)，將環(huán)境風(fēng)速定為3、5、7 m/s等3種情況。泄漏速率定為10kg/s。

風(fēng)速為3m/s時(shí)，LNG泄漏擴(kuò)散的影響區(qū)域如圖2所示。

圖2 風(fēng)速為3m/s時(shí)LNG擴(kuò)散范圍示意

風(fēng)速為5m/s時(shí)，LNG泄漏擴(kuò)散的影響區(qū)域如圖3所示。

圖3 風(fēng)速為5m/s時(shí)LNG擴(kuò)散范圍示意

風(fēng)速為7m/s時(shí)，LNG泄漏擴(kuò)散的影響區(qū)域如圖4所示。

圖4 風(fēng)速為7m/s時(shí)LNG擴(kuò)散范圍示意

不同風(fēng)速下LNG氣云到達(dá)下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離和側(cè)風(fēng)向最遠(yuǎn)距離如表1所示。

表1 不同環(huán)境風(fēng)速條件下LNG氣云擴(kuò)散距離

LNG的泄漏與擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)，氣云分布不再出現(xiàn)大幅度變化，基本趨于穩(wěn)定，圖2—圖4以及表1顯示，風(fēng)速為3 m/s時(shí)，1/2 LFL氣云濃度能達(dá)到的下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離為387 m；風(fēng)速為5 m/s時(shí)，1/2 LFL氣云濃度能達(dá)到的下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離為289 m；風(fēng)速為7 m/s時(shí)，1/2 LFL氣云濃度能達(dá)到的下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離為221 m。結(jié)果表明1/2 LFL濃度氣云到達(dá)下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離隨風(fēng)速增大而減小。

2.2 泄漏速度對(duì)LNG氣云擴(kuò)散的影響

描述泄漏源狀況的特征量有泄漏率（由泄漏孔徑、液位高度等決定）、泄漏源高度、泄漏形式（瞬時(shí)泄漏或連續(xù)泄漏）等，對(duì)于應(yīng)急防控來(lái)說(shuō)，泄漏率是最關(guān)鍵的，選取泄漏率10、30、50 kg/s等3種情況進(jìn)行仿真。環(huán)境風(fēng)速設(shè)定為3 m/s。

泄漏速率分別為10、30、50 kg/s時(shí)，LNG泄漏的氣云擴(kuò)散分布如圖5—圖7所示。

圖5 泄漏速率為10 kg/s時(shí)LNG擴(kuò)散范圍示意

圖7 泄漏速率為50 kg/s時(shí)LNG擴(kuò)散范圍示意

不同泄漏速率時(shí)LNG氣云到達(dá)下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離和側(cè)風(fēng)向最遠(yuǎn)距離如表2所示。

圖6 泄漏速率為30 kg/s時(shí)LNG擴(kuò)散范圍示意

表2 不同泄漏速率下LNG氣云擴(kuò)散距離

從圖5—圖7以及表2顯示，泄漏速率為10 kg/s時(shí)，1/2 LFL氣云濃度能達(dá)到的下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離為387 m；泄漏速率為30 kg/s時(shí)，1/2 LFL氣云濃度能達(dá)到的下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離為456 m；泄漏速率為50 kg/s時(shí)，1/2 LFL氣云濃度能達(dá)到的下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離為525 m。結(jié)果表明，1/2 LFL氣云濃度能達(dá)到的下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離隨著泄漏速率的增大而增大。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)LNG儲(chǔ)罐泄漏進(jìn)行數(shù)值模擬風(fēng)速和泄漏速率進(jìn)行變量控制，本研究主要得出以下結(jié)論：風(fēng)能有效促進(jìn)氣云的擴(kuò)散，在LNG泄漏及擴(kuò)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)向距離越短。泄漏速率越大，1/2 LFL氣云濃度擴(kuò)散區(qū)域逐漸增大。

在發(fā)生LNG泄漏時(shí)，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)人員應(yīng)立即向空曠且空氣流速快的地方疏散，且向LNG泄漏擴(kuò)散方向的側(cè)風(fēng)向疏散。