李兆慈，張文花，鄭梅，吳鑫

（中國石油大學(xué) （北京）油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室／城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102200）

引 言

LNG的沸點(diǎn)約為－162℃，泄漏后汽化形成的蒸發(fā)氣是一種低溫、易燃、易爆氣體，會(huì)向周圍環(huán)境擴(kuò)散，一旦被點(diǎn)燃或引爆將引起大規(guī)模的燃燒爆炸事故，給生命財(cái)產(chǎn)造成極大損失。自l964年英國開始從阿爾及利亞進(jìn)口液化天然氣，世界范圍內(nèi)的LNG貿(mào)易經(jīng)過了將近50年的發(fā)展，也發(fā)生了多次 LNG 泄漏事故［1－2］。

研究LNG泄漏及擴(kuò)散的手段主要有實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。數(shù)值模擬耗時(shí)短、成本低、可重復(fù)性高，是LNG泄漏擴(kuò)散研究中最廣泛應(yīng)用的方法。數(shù)學(xué)模型是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，得到認(rèn)可并廣泛應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型有：高斯模型、淺層模型、CFD模型、DEGADIS模型等［3－8］。國內(nèi)一些學(xué)者對(duì)LNG儲(chǔ)運(yùn)過程風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析［9－10］，對(duì)LNG船泄漏至水面后的蒸發(fā)與擴(kuò)散特性進(jìn)行了研究［11－12］，對(duì)LNG管道在隧道泄漏過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究［13］。少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了LNG泄漏過程的模擬試驗(yàn)研究，但研究的工況較簡單［14］。目前對(duì)LNG泄漏過程的研究，多局限于對(duì)燃燒爆炸范圍，即可燃?xì)怏w濃度擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算［15－21］，而在 LNG 泄漏時(shí)，還需要考慮溫度分布過程，一定范圍內(nèi)的低溫會(huì)對(duì)人員和設(shè)備造成破壞。

凍傷的產(chǎn)生與人在低溫環(huán)境中的暴露時(shí)間相關(guān)，環(huán)境溫度越低時(shí)，形成凍傷所需要的暴露時(shí)間會(huì)越短。溫度為－73℃時(shí)，人體暴露12s就會(huì)出現(xiàn)凍傷。在－20℃以下的環(huán)境中，人體皮膚與金屬接觸時(shí)，會(huì)與金屬粘貼，是一種特殊的凍傷。本文將－20℃作為發(fā)生凍傷傷害的界限，當(dāng)區(qū)域內(nèi)溫度低于－20℃時(shí)認(rèn)為可能會(huì)發(fā)生凍傷傷害，區(qū)域不安全。

1 計(jì)算假設(shè)

假設(shè)LNG輸送管道泄漏孔徑為φ10、φ30、φ50和φ100mm時(shí)，泄漏為連續(xù)泄漏。連續(xù)泄漏時(shí)，管道向外噴射LNG的持續(xù)時(shí)間較長，泄漏的LNG會(huì)迅速汽化，變成天然氣進(jìn)入空氣中。

當(dāng)泄漏孔垂直向下時(shí)LNG的跡線最短，泄漏的LNG初始時(shí)刻在地面的富集最多，形成的蒸氣云團(tuán)在地面附近擴(kuò)散時(shí)的危險(xiǎn)性最大，所以主要對(duì)LNG管線垂直向下泄漏的擴(kuò)散過程進(jìn)行研究。以壓力0.5MPa、孔徑50mm、風(fēng)速4.4m·s－1工況下的泄漏為研究對(duì)象，分析連續(xù)泄漏的計(jì)算方法。

2 模型建立

圖1 計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic of calculation area

利用FLUENT軟件，選取圖1所示的楔形空間作為模擬區(qū)域。點(diǎn)O為模擬空間坐標(biāo)原點(diǎn)，泄漏孔圓心位于坐標(biāo)點(diǎn)P（0，0，10）位置，體ABCGHIJN是80m×100m×20m的長方體，A點(diǎn)坐標(biāo)為－（－50，0，0），體GDEFNKLM是長720m、上底面寬200m、下底面寬400m、上底面高20m、下底面高40m的棱錐體，F(xiàn)點(diǎn)坐標(biāo)為（750，0，0）。模擬時(shí)假設(shè)LNG從泄漏孔泄漏后垂直流向地面，并在接觸到地面時(shí)剛好汽化完全，汽化的天然氣從以泄漏跡線為軸線、直徑0.2m、高10m的圓柱面和頂面向周圍環(huán)境擴(kuò)散。

根據(jù)離泄漏點(diǎn)的距離，對(duì)模擬空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，距泄漏點(diǎn)近的網(wǎng)格較密，距泄漏點(diǎn)遠(yuǎn)的網(wǎng)格較稀疏，如圖2所示。長方體ABCGHIJN進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主要?jiǎng)澐譃樗拿骟w網(wǎng)格單元，在適當(dāng)?shù)奈恢每梢园骟w、錐體或楔形單元；棱錐體GDEFNKLM采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.2 Calculation area meshing

初始速度根據(jù)天然氣泄漏速度進(jìn)行設(shè)置，詳見表1（根據(jù)不同管壓、不同泄漏孔徑下的LNG泄漏質(zhì)量流量換算的112K、常壓下天然氣的氣化速度），典型孔徑50mm、典型壓力0.5MPa時(shí)，天然氣汽化速度為13.2m·s－1，甲烷氣體的初始溫度設(shè)為112K。

表1 不同壓力和漏孔下天然氣泄漏速率Table 1 NG release rate under various pressure and leaking hole／m·s－1

3 連續(xù)泄漏影響因素分析

LNG蒸氣云有低溫、易燃、易爆等固有特性，擴(kuò)散過程中會(huì)造成燃燒爆炸和低溫凍傷等危害，而且受到泄漏條件和環(huán)境因素的影響。因此，有必要考慮不同條件下LNG泄漏擴(kuò)散的濃度分布、溫度分布、燃燒爆炸危害和凍傷危害范圍。

3.1 泄漏壓力影響

假設(shè)風(fēng)速為4.4m·s－1，泄漏孔徑為50mm，當(dāng)泄漏壓力分別為0.10、0.25、0.45和0.60MPa時(shí)，可以計(jì)算得到甲烷濃度分布和溫度分布。

由圖3看出，隨著管內(nèi)壓力的增大，燃燒爆炸范圍增加，其中燃燒爆炸下限 （CH4體積濃度5%）的范圍增加明顯，長度由240m增加到400m，寬度從60m增加到110m，而燃燒爆炸上限（CH4體積濃度15%）的范圍增加不明顯，長度由50m增加到100m，寬度由20m增加到55m。從可燃?xì)怏w濃度分布圖可以看出，CH4氣體的范圍擴(kuò)大非常明顯，濃度大于2%的范圍的長度從510m增大到整個(gè)計(jì)算區(qū)域，寬度增加不明顯，從90m增加到125m。

圖4是凍傷范圍和溫度分布圖。隨管內(nèi)壓力增大，凍傷范圍增加不顯著，長度從60m增加到100m，寬度由20m增加到50m。但溫度分布中較高溫度的影響范圍增加明顯，其中290K的影響范圍從385m×85m增加到580m×125m。

圖3 不同壓力下的可燃范圍和CH4濃度分布Fig.3 Flammable range and CH4density distribution

圖4 不同壓力下凍傷范圍和溫度分布Fig.4 Frostbite range and temperature distribution

圖5顯示了不同管道壓力下天然氣燃燒爆炸下限范圍的立體圖，隨著壓力增大，燃燒爆炸下限范圍擴(kuò)展明顯，影響高度也變高，同時(shí)表面也變得越來越不平滑。

圖6顯示了不同管道壓力下凍傷范圍的立體圖，隨著壓力增大，凍傷范圍也明顯擴(kuò)展。

從以上管內(nèi)壓力對(duì)泄漏擴(kuò)散結(jié)果的影響可以看出，管道壓力增大時(shí)，天然氣的氣化速度增大，其他條件一定時(shí)，低溫天然氣的量增加，顯然會(huì)導(dǎo)致燃燒爆炸范圍和凍傷范圍的增加。

3.2 泄漏孔徑影響

假設(shè)環(huán)境風(fēng)速為4.4m·s－1，管內(nèi)壓力為0.45MPa，當(dāng)泄漏孔徑為φ10、φ30、φ50和φ100 mm 時(shí) 泄 漏 速 率 分 別 為 0.529、4.76、13.2 和52.9m·s－1，可以計(jì)算得到甲烷濃度分布和溫度分布。

圖5 不同壓力下可燃范圍立體圖Fig.5 Three－dimensional flammable range under different pressure

圖7 不同泄漏孔徑可燃范圍立體圖Fig.7 Three－dimensional flammable range under different leaking hole

圖7是泄漏孔徑不同時(shí)天然氣燃燒爆炸下限范圍的立體圖，隨泄漏孔徑增大，燃燒爆炸范圍的擴(kuò)展非常顯著，而且隨著擴(kuò)散進(jìn)行，燃燒爆炸下限范圍的影響高度也顯著增加，同時(shí)表面也變得越來越突起。

圖8是泄漏孔徑不同時(shí)凍傷范圍的立體圖，隨泄漏孔徑增大，凍傷范圍的擴(kuò)展也非常顯著，整個(gè)范圍的長度、寬度、高度都有顯著增加。

從以上泄漏孔徑對(duì)泄漏擴(kuò)散結(jié)果的影響可以看出，泄漏孔徑增大時(shí)，同樣引起天然氣汽化速度的增大，環(huán)境條件一定時(shí)，低溫氣體量的增加就會(huì)顯著增加計(jì)算區(qū)域的燃燒爆炸范圍和凍傷范圍。

3.3 風(fēng)速影響

假設(shè)管內(nèi)壓力為0.45MPa，泄漏孔徑為50 mm，由表4.2知，天然氣汽化速度為13.2m·s－1，研究不同的環(huán)境風(fēng)速對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散的影響，不同風(fēng)速分別為0、2.5、4.4、6.7、9.4和12.3m·s－1。

圖8 不同泄漏孔徑時(shí)凍傷范圍立體圖Fig.8 Three－dimensional frostbite range under different leaking hole

圖9是不同風(fēng)速條件下天然氣燃燒爆炸下限范圍的立體圖，隨風(fēng)速增大，燃燒爆炸下限范圍明顯縮小。風(fēng)速為0時(shí)，燃燒爆炸下限范圍最大，高度也最高，表面起伏較大。隨風(fēng)速增大，空氣的湍流擾動(dòng)作用越明顯，擴(kuò)散過程中蒸氣云團(tuán)卷吸空氣的速度增加，使得天然氣的濃度快速降低，燃燒爆炸范圍也迅速減小。

圖10是不同風(fēng)速條件下凍傷范圍的立體圖，與燃燒爆炸下限范圍的變化類似，隨風(fēng)速增大，凍傷范圍會(huì)縮小。風(fēng)速為0時(shí)，凍傷范圍最大。隨風(fēng)速增大，LNG云團(tuán)與空氣的換熱速率增加，云團(tuán)溫度上升變快，則凍傷范圍就會(huì)減小。

從以上環(huán)境風(fēng)速對(duì)泄漏擴(kuò)散結(jié)果的影響可以看出，環(huán)境風(fēng)速增大時(shí)，天然氣汽化速度一定，其他環(huán)境條件也一定的情況下，LNG云團(tuán)卷吸空氣的速度增加，云團(tuán)與空氣的換熱速率也增加，從而使計(jì)算區(qū)域的燃燒爆炸范圍和凍傷范圍都不斷減小。

圖10 不同風(fēng)速下凍傷范圍立體圖Fig.10 Three－dimensional frostbite range under different wind speed

4 結(jié) 論

利用FLUENT軟件對(duì)設(shè)定工況下LNG泄漏到計(jì)算區(qū)域后的擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬，得到泄漏擴(kuò)散過程達(dá)到穩(wěn)定以后計(jì)算區(qū)域內(nèi)天然氣濃度分布、燃燒爆炸范圍、溫度分布和凍傷范圍。

研究了不同管道壓力、泄漏孔徑、環(huán)境風(fēng)速條件下的LNG泄漏擴(kuò)散特性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管道壓力或泄漏孔徑增大時(shí)，都會(huì)引起天然氣氣化速度的增大，其他條件一定時(shí)，低溫天然氣的量增加，導(dǎo)致計(jì)算區(qū)域內(nèi)燃燒爆炸范圍和凍傷范圍的增加；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速增大時(shí)，空氣湍流的擾動(dòng)作用加強(qiáng)，此時(shí)低溫天然氣的量相同，其他條件一定時(shí)，LNG蒸氣云卷吸空氣的速度增加，而且云團(tuán)與空氣的換熱速率也增加，導(dǎo)致計(jì)算區(qū)域內(nèi)燃燒爆炸范圍和凍傷范圍都不斷減小。

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