趙保磊, 余建星, 劉　源

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072； 2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

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FLNG甲板上部天然氣管線破斷低溫損傷后果研究

趙保磊1, 余建星1, 劉源2

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072； 2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

為了研究浮式液化天然氣(FLNG)生產(chǎn)儲卸裝置甲板上部區(qū)域天然氣產(chǎn)品輸送管線發(fā)生泄漏的低溫損傷后果，建立了甲板上部區(qū)域的泄漏擴散模型，將泄漏分為了低溫氣態(tài)天然氣泄漏和液態(tài)LNG泄漏兩大類，運用計算流體力學(xué)(CFD)軟件和API相關(guān)規(guī)范確定了其泄漏擴散范圍和低溫區(qū)域。結(jié)果表明：當(dāng)發(fā)生低溫氣態(tài)天然氣泄漏時不會造成設(shè)備的低溫損傷，但是對甲板人員有低溫損傷風(fēng)險；當(dāng)發(fā)生液態(tài)LNG泄漏時，造成設(shè)備損壞和人員受傷。

浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置；計算流體力學(xué)；天然氣泄漏；低溫損傷

0　引言

FLNG(Floating Liquefied Natural Gas)全稱為浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置，相當(dāng)于將岸上的天然氣處理設(shè)施安裝在甲板上，處理天然氣的主要模塊有預(yù)處理模塊、導(dǎo)熱油燃料氣壓縮模塊、液化制冷模塊等。由于甲板空間有限，因而各天然氣處理模塊和設(shè)備排布密集，天然氣開采之后需要進行預(yù)冷、液化、過冷加壓和降壓等處理過程，在處理過程中天然氣通過管線到達各個設(shè)備，直到完成處理并送入儲罐內(nèi)，因此天然氣在甲板上部的設(shè)施中一直處于動態(tài)的處理過程，通過管線到達各個設(shè)備中。天然氣管線由于施工不當(dāng)、受到撞擊等原因在比較脆弱的連接口處會發(fā)生破斷，這時某些模塊位置中的低溫天然氣會發(fā)生大規(guī)模的泄漏，即使反應(yīng)處置時間充足，由于管線內(nèi)流量和壓力較大，也會造成大量的低溫液體或氣體泄出，會對泄漏口附近的設(shè)備造成較大的危險，同時對附近人員造成低溫灼傷。目前針對LNG泄漏的研究主要考慮其點燃爆炸的風(fēng)險，該文主要分析其泄漏影響范圍和低溫損傷后果，填補此類研究的空白。

考慮到在研究的過程中，需要模擬低溫氣體在空氣中的擴散傳播，屬于多相流的模擬，模型要求較低，同時要檢查泄漏天然氣的濃度和溫度情況，因此利用計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)軟件來進行模擬。同時對于低溫LNG液體的范圍，由于其邊擴散邊蒸發(fā)的性質(zhì)很難利用CFD軟件進行模擬，因而參照API規(guī)范進行估算，同時數(shù)據(jù)采用某一工程實例，使研究有實際效用。

1　CFD計算模型的建立與泄漏模塊的選取

1.1建立CFD計算模型

在CFD中主要模擬泄漏氣體的流動，所需模型是FLNG上除去甲板上部設(shè)備的區(qū)域。因此，需要在擬擴散區(qū)域內(nèi)減去甲板上部各個模塊，由于模型精度要求不高，模塊內(nèi)設(shè)備密集，因此直接將各模塊簡化為立方體，F(xiàn)LNG甲板上部區(qū)域模型如圖1所示。

圖1　FLNG甲板上部區(qū)域模型

模型建立完成后，需要對其中的各表面進行命名。根據(jù)FLNG的實際情況，構(gòu)造模型中的各表面，并分別進行命名以便區(qū)分，模型各表面命名情況見表1。

表1　模型各表面命名

1.2泄漏模塊和泄漏模式

天然氣液化基本要經(jīng)歷前處理、預(yù)冷、液化和過冷四個階段，其中前處理溫度變化不大，預(yù)冷結(jié)束后天然氣達到-33℃，液化階段后溫度降至-83℃，過冷階段結(jié)束后降至-162℃成為液態(tài)LNG。天然氣輸送管線當(dāng)中可能出現(xiàn)的低溫產(chǎn)品為-83℃的氣態(tài)天然氣和-162℃的液態(tài)LNG，因而泄漏會造成低溫損傷的模塊集中在液化制冷模塊，液化段管線泄漏為低溫天然氣氣體泄漏、過冷段管線泄漏為低溫LNG液體泄漏，為兩種不同的泄漏模式。

整個天然氣處理系統(tǒng)由于各設(shè)備內(nèi)部壓力不同，各處管道壓力也不同，因此選擇設(shè)備出口處的管線假設(shè)其斷裂就可以通過設(shè)備參數(shù)確定泄漏壓力、流量等，從而確定其泄漏速率。根據(jù)某工程實例，液化段冷箱出口處天然氣溫度為-83℃、流量為37.2 kg/s、壓力為7 MPa；過冷段冷箱出口處天然氣溫度為-162℃、流量為37.2 kg/s、壓力為7 MPa。這兩個位置分別是低溫氣態(tài)天然氣泄漏和低溫液態(tài)LNG泄漏的兩個典型位置，因而假設(shè)這兩段管線發(fā)生斷裂分別進行分析。

2　液化段低溫氣態(tài)天然氣泄漏后果分析

2.1計算理論

氣態(tài)天然氣泄漏擴散過程屬于三維過程，并且其流態(tài)為湍流，因而需用三維湍流模型進行模擬。CFX中提供的湍流模型主要有Realizable k-ε模型、Shear Stress Transport(SST)模型和Reynolds Stress模型，其中，Realizable k-ε模型較為可靠、易于收斂，可以很好地在近壁網(wǎng)格中進行模擬，因而是標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)湍流模型，最為常用，該模型中各參數(shù)的關(guān)系為。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2模擬結(jié)果分析

進行泄漏瞬態(tài)模擬前需要提供穩(wěn)態(tài)空氣場的初始條件，因此模擬分成泄漏前空氣場穩(wěn)態(tài)模擬和泄漏后的瞬態(tài)模擬。

2.2.1穩(wěn)態(tài)模擬

(1) 分析類型：穩(wěn)態(tài)

(2) 域內(nèi)設(shè)定

域內(nèi)流體：15℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣，自定義天然氣氣體；

熱量傳輸模型：Thermal模型，空氣溫度為15℃，天然氣溫度為-83℃。

(3) 初始值：無

(4) 求解終止條件：最大迭代步數(shù)為200，截止殘差為10-4。

(5) 邊界條件見表2。

表2　穩(wěn)態(tài)模擬的邊界條件

2.2.2天然氣泄漏瞬態(tài)模擬

泄漏點設(shè)置在液化制冷模塊，泄漏形式應(yīng)用CFX提供的點源模式，泄漏點設(shè)定在(128.2,89,5)的位置處。根據(jù)流量為37.2 kg/s，管徑為470 mm的基本條件求得泄漏速率為295.22 m/s。一般冷箱出口位置會有壓力監(jiān)控器，當(dāng)發(fā)生大泄漏和斷裂時會立即報警關(guān)閉閥門，因此預(yù)估反應(yīng)時間為30 s。

(1) 分析類型：瞬態(tài)

(2) 邊界條件見表3。

表3　瞬態(tài)模擬邊界條件

(3) 求解終止條件：求解總時間為30 s，求解時間間隔為5s，求解截止殘差為10-4。氣態(tài)泄漏天然氣氣體體積分數(shù)俯視圖如圖2所示，氣態(tài)泄漏天然氣氣體體積分數(shù)主視圖如圖3所示。

圖2　氣態(tài)泄漏天然氣氣體體積分數(shù)俯視圖

圖3　氣態(tài)泄漏天然氣氣體體積分數(shù)主視圖

隨后關(guān)注氣體的溫度，各做一個橫切泄漏口和船中的XZ剖面，隨后在剖面上建立溫度云圖，氣態(tài)泄漏泄漏口剖面溫度云圖如圖4所示,氣態(tài)泄漏船中剖面溫度云圖如圖5所示。

圖4　氣態(tài)泄漏泄漏口剖面溫度云圖

圖5　氣態(tài)泄漏船中剖面溫度云圖

氣體在泄漏口附近溫度較低，達到-30℃左右，但是溫度很快升高接近室溫，-30℃的溫度很難對鋼制的設(shè)備和儀器造成低溫損傷，但是對人員較為危險，一般來說溫度低于-10℃的氣溫都有可能對人造成低溫傷害，體現(xiàn)在噴出低溫氣體造成凍傷、吸入低溫空氣使肺部不適等。氣體擴散到船中位置時最低溫度也在-10℃左右，不會有低溫風(fēng)險。

2.2.3天然氣泄漏后擴散瞬態(tài)模擬

(1) 分析類型：瞬態(tài)

(2) 邊界條件見表4，這里取消了泄漏口僅保留空氣入口來模擬泄漏后擴散的情況。

表4　擴散瞬態(tài)模擬的邊界條件

(3) 求解終止條件：求解總時間為1 min，求解時間間隔為5 s，求解截止殘差為10-4。氣態(tài)泄漏擴散天然氣體積分數(shù)俯視圖如圖6所示，氣態(tài)泄漏擴散天然氣濃度主視圖如圖7所示。

圖6　氣態(tài)泄漏擴散天然氣體積分數(shù)俯視圖

圖7　氣態(tài)泄漏擴散天然氣濃度主視圖

圖8　氣態(tài)泄漏擴散泄漏口剖面溫度云圖

由于天然氣密度小于空氣，因此天然氣隨風(fēng)向船尾飄去并且向上飄散。隨后再次關(guān)注氣體溫度，仍做橫剖泄漏口的XZ剖面，建立溫度云圖，氣態(tài)泄漏擴散泄漏口剖面溫度云圖如圖8所示。

由圖8可知，經(jīng)過一分鐘的擴散，場內(nèi)氣體溫度已經(jīng)全部在10℃以上，而且在泄漏口周圍形成一個小負壓區(qū)，溫度略有升高。由此可見，液化段天然氣管線斷裂導(dǎo)致的氣態(tài)泄漏在泄漏初始可能對人員造成低溫傷害，對設(shè)備不會造成低溫損傷。

3　過冷段低溫液態(tài)LNG泄漏后果分析

天然氣經(jīng)過過冷段冷箱處理之后溫度降至-162℃，變?yōu)橐簯B(tài)LNG。當(dāng)過冷段冷箱后管線發(fā)生斷裂液態(tài)LNG噴出，在LNG噴出后首先會有一部分發(fā)生閃蒸，隨后LNG在甲板上進行擴散，同時大量蒸發(fā)；閃蒸和蒸發(fā)出來的氣體均為比空氣密度大的重氣氣團，經(jīng)過一段時間后轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏刃∮诳諝獾臍鈭F。因此，液態(tài)LNG泄漏的低溫危害后果需要分析液池擴散范圍和低溫蒸汽擴散范圍兩個方面。

3.1低溫液池擴散分析

泄漏情況等同于低溫氣體泄漏情況，流量為37.2 kg/s，管徑為470 mm，泄漏時間為30 s。管線發(fā)生斷裂之后首先會有大量液體閃蒸，閃蒸的體積分數(shù)Fv可以由下式計算：

(5)

式中：Cp為液體的定壓比熱容，J/(kg/K)；T為液體溫度，K；Tc為液體在常壓下的沸點，K；H為液體汽化潛熱，J/kg。

Fv幾乎總是在0～1之間，事實上，泄漏時直接蒸發(fā)的液體將以細小煙霧的形式形成云團，與空氣相混合而吸熱蒸發(fā)。如果空氣傳給液體煙霧的熱量不足以使其蒸發(fā)，由一些液體煙霧將凝結(jié)成液滴降落到地面，形成液池。根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)Fv>0.2時，一般不會形成液池；當(dāng)Fv<0.2時，F(xiàn)v與帶走液體之比有線性關(guān)系，即當(dāng)Fv=0時，沒有液體閃蒸，當(dāng)Fv=0.1時，有50%的液體閃蒸。LNG的定壓比熱為3 466.7 J/(kg/K)，液體溫度為-162℃，常壓下沸點為-162℃，汽化潛熱為510 000 J/kg，計算得出Fv=0.05，由此可知，約有25%的液體發(fā)生閃蒸，每秒產(chǎn)生的低溫氣體為9.8 kg。

未閃蒸的液體落到甲板上之后會向四周進行擴散，同時吸收界面和空氣中的熱量進行蒸發(fā)，泄漏結(jié)束時液池半徑達到最大值。由于其邊擴散邊蒸發(fā)的特性，很難在CFD中進行模擬，所以確定液池半徑需要參照API規(guī)范，規(guī)范中給出了一個根據(jù)泄漏量估算蒸發(fā)量的公式：

(6)

式中：Xsurf為地面介質(zhì)的粗糙度系數(shù)，為無量綱數(shù)；ksurf為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k)；Tg為環(huán)境溫度,K；Tb為泄漏液體溫度,K；C14為單位制轉(zhuǎn)換系數(shù)，國際制單位時為1；H為液體汽化潛熱，J/kg；αsurf為地面介質(zhì)熱擴散系數(shù),m2/s；Vp,n為泄漏未閃蒸的液體體積，m3;tp,n為泄漏時間，s。

Xsurf反應(yīng)的是地面粗糙度，粗糙度高、液體擴散慢導(dǎo)致的蒸發(fā)量也大，該算例中甲板表面為涂油漆的鋼材，同時需要考慮甲板上的設(shè)備會阻礙液體的擴散，因而Xsurf根據(jù)經(jīng)驗取3，鋼材導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/(m·k)，兩個溫度的差為170℃，LNG汽化潛熱為510 000 J/kg，鋼材熱擴散系數(shù)為1.24×10-5m2/s,未閃蒸液體體積是1.91 m3,泄漏時間為30 s,算出蒸發(fā)量為736.86 kg。

隨后利用API給出的公式來計算最終擴散半徑：

(7)

式中:rp,n為形成液池的半徑，m；g為重力加速度；V為泄漏未蒸發(fā)的液體體積，m3； tp,n為泄漏時間，s。

V數(shù)值為85.14 kg，泄漏時間為30 s，假設(shè)其在形成液池過程中沒有人為邊界阻擋，則計算的液池半徑約為15.6 m，液池影響的區(qū)域如圖9所示。

圖9　理想狀況下液池的影響范圍

由于假設(shè)沒有邊界阻擋，真實的影響范圍應(yīng)該略小于圖9，但是仍然影響面積很大，液化制冷的兩個模塊都會受到影響。液態(tài)LNG溫度在-162℃，對于儲罐和管道主體來說一般使用耐低溫的不銹鋼和合金，不會發(fā)生低溫損傷；但是構(gòu)成一般零部件的材料，如軸承的低合金不銹鋼、鋼筋混凝土、絕緣材料均會受到低溫損傷；同時各模塊的框架結(jié)構(gòu)立柱所用碳鋼接觸低溫液態(tài)LNG材料性質(zhì)變脆易發(fā)生斷裂，承載能力降低造成模塊倒塌引發(fā)災(zāi)難；甲板板接觸低溫液體材料使得韌性降低，會影響總縱強度和甲板局部強度。

3.2蒸發(fā)氣體擴散分析

泄漏發(fā)生后，液體閃蒸和擴散過程中的蒸發(fā)氣均是密度高于空氣的重氣云團。每秒閃蒸的低溫氣體為9.8 kg，液池30 s內(nèi)蒸發(fā)總量是736.86 kg，相當(dāng)于每秒產(chǎn)生低溫重氣24 kg，近似假定都產(chǎn)生在泄漏口的位置。在CFX中的分析步驟與氣態(tài)泄漏分析相同：首先模擬泄漏發(fā)生前的空氣場穩(wěn)態(tài)；其次模擬泄漏瞬態(tài)；最后模擬泄漏結(jié)束之后的擴散瞬態(tài)。液態(tài)LNG泄漏蒸發(fā)氣體積分數(shù)俯視圖如圖10所示，液態(tài)LNG泄漏蒸發(fā)氣濃度主視圖如圖11所示。

圖11　液態(tài)LNG泄漏蒸發(fā)氣濃度主視圖

圖12　液態(tài)LNG泄漏泄漏口剖面溫度云圖

建立泄漏口剖面的溫度云圖，如圖12所示。泄漏模塊和相鄰的模塊溫度在-130℃，這個溫度會對附近人員造成極大的低溫損傷，并且泄漏氣體為重氣較之易上升的輕質(zhì)氣體更易對人造成低溫傷害，相鄰的儀表、不耐寒材質(zhì)長時間暴露在這種溫度下會失效，碳鋼結(jié)構(gòu)也會脆化，但是泄漏時間只有30 s，這種時長還不會造成設(shè)備低溫損傷，是否發(fā)生損傷還要看擴散后的溫度結(jié)果。計算泄漏發(fā)生1 min之后的擴散情況，擴散1分鐘LNG氣體體積分數(shù)俯視圖如圖13所示，擴散1分鐘LNG氣體濃度主視圖如圖14所示，擴散1分鐘泄漏口位置剖面溫度云圖如圖15所示，擴散1分鐘船中剖面溫度云圖如圖16所示。

圖13　擴散1分鐘LNG氣體體積分數(shù)俯視圖

圖14　擴散1分鐘LNG氣體濃度主視圖

圖15　擴散1分鐘泄漏口位置剖面溫度云圖

圖16　擴散1分鐘船中剖面溫度云圖

由圖15、圖16可知，擴散1 min后船中附近溫度在-40℃，泄漏口附近溫度已經(jīng)上升到-10℃左右。因而可知低溫氣體在15℃的環(huán)境溫度下與空氣混合后溫度上升很快，不能持續(xù)保持低溫環(huán)境，對儀表設(shè)備等很難造成損傷。

4　結(jié)論

(1) 該文主要利用CFD模擬和API規(guī)范分析了FLNG上部模塊天然氣管線斷裂泄漏的擴散和低溫損傷后果，選用了某一工程結(jié)構(gòu)實例，對工程安全具有指導(dǎo)意義。

(2) FLNG上部模塊天然氣斷裂可能造成低溫損傷的區(qū)域在液化段冷箱和過冷段冷箱附近，液化段冷箱后的管線斷裂造成低溫天然氣氣體泄漏；過冷段冷箱后管線斷裂造成低溫LNG液體泄漏，為兩種不同的泄漏情況，造成的低溫后果也不盡相同，需要分別分析。

(3) 氣態(tài)管線斷裂發(fā)生后，泄漏的低溫氣體不會對模塊內(nèi)設(shè)備和儀表等造成損傷，但是會對人員存在一定低溫風(fēng)險，主要體現(xiàn)在噴出低溫氣體造成凍傷、吸入低溫氣體使肺部不適。

(4) 液態(tài)LNG泄漏發(fā)生后會形成一定范圍的低溫液體液池，對范圍內(nèi)不耐低溫的材料造成低溫損傷(碳鋼、絕緣非金屬材料、鋼筋混凝土)，表現(xiàn)在材料脆性增加，易發(fā)生斷裂，后果較為嚴(yán)重；泄漏擴散工程中的蒸發(fā)低溫重氣，對設(shè)備儀表影響不大，對人員的低溫損傷大于氣態(tài)泄漏。

[1]余建星, 唐建飛, 劉源, 等. 浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置重氣泄漏擴散模擬分析[J]. 天津大學(xué)學(xué)報, 2013,46(5):381-386.

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Research of the Low Temperature Consequences of Natural Gas Pipeline Break on the Deck Area of FLNG

ZHAO Bao-lei1， YU Jian-xing1， LIU Yuan2

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University,Tianjin 300072， China; 2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-sea Exploration, Shanghai 200240, China)

The dispersion model of the upper deck area of the floating liquefied natural gas production storage and offloading unit was established in order to research the low temperature consequences after the leakage of the natural gas pipeline. Dividing the leakage into the low temperature gaseous leakage and the liquid LNG leakage, the diffusion range and low temperature area are identified by using the Computational Fluid Dynamics(CFD)technique and API recommended practice. The result of research shows that equipment will not be damaged due to the low temperature but crews may be when the gaseous leakage occurs. The liquid LNG leakage will cause equipment damage and creas injuries to a certain degree.

floating liquefied natural gas production storage and offloading unit; Computational Fluid Dynamics; natural gas leakage; low temperature injury

2015-08-04

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助(2014CB046804)，國家自然科學(xué)基金資助項目(51239008)，國家自然科學(xué)基金資助項目(51321065)。

趙保磊(1991-)，男，碩士研究生。

1001-4500(2016)04-0037-08

P75

A