于湘　俞志東

摘要：為了研究液化天然氣（LNG）泄漏擴(kuò)散規(guī)律，用PHAST軟件對(duì)某150m。LNG儲(chǔ)罐的泄漏擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了模擬，分析了LNG儲(chǔ)罐泄漏口徑、環(huán)境風(fēng)速及環(huán)境溫度對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散過(guò)程產(chǎn)生的影響。模擬結(jié)果表明，50mm泄漏口徑、100mm³泄漏口徑和災(zāi)難性破裂時(shí)天然氣的擴(kuò)散距離分別為160、296、365m，泄漏口徑越大，氣云擴(kuò)散范圍越廣；環(huán)境風(fēng)速在1.5、5和8m/s情況下，天然氣擴(kuò)散距離達(dá)到245、162、146m，環(huán)境風(fēng)速越大，氣云擴(kuò)散距離越小；環(huán)境溫度在283和298K的情況下，天然氣云擴(kuò)散距離為222和245m，環(huán)境溫度越高，氣云擴(kuò)散距離越大。

關(guān)鍵詞：LNG；泄漏擴(kuò)散；PHAST

中圖分類(lèi)號(hào)：X937，TE 821 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-0460（2017）01-0068-04

近年來(lái)我國(guó)的天然氣行業(yè)迅速的興起并持續(xù)快速的發(fā)展，LNG與我們生活息息相關(guān)，其潛在的危險(xiǎn)性不容小覷，所以國(guó)內(nèi)學(xué)者們開(kāi)始關(guān)注LNG的儲(chǔ)存、加工、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的安全性。由于LNG在生產(chǎn)中不免含有一定量CO₂和H₂S腐蝕性氣體，這些氣體在露點(diǎn)溫度下形成濕腐蝕環(huán)境，對(duì)罐體產(chǎn)生腐蝕作用，使儲(chǔ)罐具有很大危險(xiǎn)性。

LNG發(fā)生泄漏事故時(shí)，造成威脅的主要是大量過(guò)冷液體發(fā)生的一系列物化反應(yīng)，如：LNG氣化后濃度稀釋?zhuān)?dāng)其濃度下降到5%～15%遇到明火即可發(fā)生爆炸；低溫液體氣化吸收大量熱量，會(huì)導(dǎo)致泄漏源附近人畜的凍傷；天然氣中主要的烴類(lèi)物質(zhì)雖然本身不具毒性，但其泄漏時(shí)產(chǎn)生的大量可燃?xì)庠聘采w在地面上，導(dǎo)致氧濃度下降，而低氧環(huán)境容易使人窒息。研究分析LNG的泄漏擴(kuò)散，了解其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有助于我們判斷LNG產(chǎn)生的危害后果。

1 LNG儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散數(shù)值分析

使用挪威船級(jí)社PHAST軟件中UDM（unifiedDispersion Model）模型模擬分析LNG氣云的擴(kuò)散過(guò)程。UDM分析模型是由woodward于20世紀(jì)90年代初首先開(kāi)發(fā)，建立在P-G、BM等模型基礎(chǔ)上。由于儲(chǔ)罐等設(shè)備在正常工作時(shí)本身已具有一定壓力，在與環(huán)境的壓力差作用下，LNG將以一定初速度從泄漏口流出。由于LNG儲(chǔ)罐本身與外界的環(huán)境之間存在著較大的溫度差和壓力差，泄漏出來(lái)的低溫液體將迅速蒸發(fā)，形成低溫氣云。且隨著低溫氣云的不斷從周?chē)h(huán)境中吸熱，其與地面、空氣等的溫差逐漸減小，蒸發(fā)過(guò)程趨于穩(wěn)定。LNG的泄漏擴(kuò)散過(guò)程主要包括液池的擴(kuò)展和氣云的擴(kuò)散兩個(gè)過(guò)程。

1.1 液相泄漏

LNG儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏時(shí)液體流出速度除與罐內(nèi)外壓力差有關(guān)外，還有影響因素：泄漏口徑大小和液面與泄漏點(diǎn)的高度差，根據(jù)伯努利方程，液相泄漏速度計(jì)算方程：

（1）式中：Q-液體的泄漏速度。kg/s；

C₀-液體的泄漏系數(shù)，指實(shí)際流量與理論流量的比，一般取0.65；

A-泄漏口的面積，m²；

ρ-泄漏液體的密度，kg/m³；

P-容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；

P₀-環(huán)境的壓力，Pa；

g-重力加速度，取9.8m/s²；

h-泄漏口與液面高度差，m。

1.2 液池?cái)U(kuò)展

LNG泄漏到地面之上，在重力、初始速度的作用下進(jìn)行擴(kuò)展。如果LNG垂直泄漏于地面之上，將形成圓形的液池，液池半徑隨時(shí)間變化而變化。Britter通過(guò)建立重力、浮力、阻力、慣性力的平衡方程，求解淺水方程，得出垂直泄漏于地面上的重力流，形成的液池?cái)U(kuò)展半徑與時(shí)間的關(guān)系式為：

（2）式中：V₀-是LNG液體的體積流量，m³/s；

t-泄漏發(fā)生的時(shí)間，s；

g-當(dāng)量重力加速度（與泄漏液體密度、周?chē)h(huán)境流體的密度以及

當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣扔嘘P(guān)），m/s²。

適用于條件是泄漏源持續(xù)不變且泄漏擴(kuò)散沒(méi)有障礙物的阻礙。這是由于當(dāng)泄漏源不垂直的泄漏到地面上，泄漏出來(lái)的流體則具有水平方向上的初速度，在地面上形成的液池將不再是圓形，而且液池在具有初速度的水平方向的擴(kuò)展距離相較其它方向要更加大；當(dāng)周?chē)h(huán)境存在障礙物時(shí)，液池?zé)o法自由擴(kuò)展，液池的面積與厚度將改變。

1.3 氣云擴(kuò)散

LNG蒸發(fā)過(guò)程中，由于甲烷的沸點(diǎn)最低，所以最先氣化，隨著溫度的上升，LNG中的重質(zhì)組分乙烷、丙烷等相繼蒸發(fā)。一般情況下其擴(kuò)散過(guò)程分為四個(gè)階段，即：重力沉降階段、空氣卷吸階段、向非重氣擴(kuò)散轉(zhuǎn)變階段和被動(dòng)擴(kuò)散階段（圖1）。重力沉降階段：LNG蒸汽的密度大于周?chē)h(huán)境中空氣密度，在重力作用下下沉，導(dǎo)致氣云半徑增大，高度降低。在該階段，以重力影響起主導(dǎo)作用。

空氣卷吸階段：由于泄漏擴(kuò)散的初始階段，低溫重氣云下沉，從而導(dǎo)致氣云的內(nèi)部產(chǎn)生瑞流，進(jìn)而氣云的周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)渦旋，進(jìn)而將空氣卷吸入氣云。卷吸現(xiàn)象主要發(fā)生在氣云的上部和側(cè)面，在該過(guò)程中隨著空氣的進(jìn)入，氣云不斷被稀釋?zhuān)瑵舛冉档汀?/p>

向非重氣擴(kuò)散轉(zhuǎn)變階段：由于空氣卷吸作用，氣云被稀釋?zhuān)瑫r(shí)低溫氣云不斷從周?chē)h(huán)境中吸收熱量。隨著氣云溫度的逐漸升高，氣云密度減小，R數(shù)隨之逐漸減小，R直到小于臨界值時(shí)（一般情況下取值為10），重氣沉降作用已經(jīng)完全消失，重氣擴(kuò)散過(guò)過(guò)渡到非重氣擴(kuò)散。R_i數(shù)為判斷氣云是否為重氣的依據(jù)，其計(jì)算公式為：

（3）式中：ρ、ρ_a-分別為擴(kuò)散氣云、周?chē)h(huán)境空氣的密度，kg/m³；

g-當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，m/s²；

v-環(huán)境空氣對(duì)氣云的剪切作用所產(chǎn)生的摩擦速度，m/s；

h-氣云的高度，m。

被動(dòng)擴(kuò)散階段：在該階段，氣云密度接近或者小于周?chē)諝饷芏龋瑲庠剖艿礁×ψ饔妹黠@，在浮力作用下，向著高處擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。大氣湍流在擴(kuò)散過(guò)程中作用明顯。

2 LNG泄漏擴(kuò)散模擬分析

2.1 模擬分析相關(guān)參數(shù)

以某市的LNG氣化-加氣加液站為模擬分析對(duì)象，該站長(zhǎng)度約為200m，寬度約為100m。150m³LNG儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散分析是在工作條件下為背景，儲(chǔ)罐壓力為0.3Mp（表壓），儲(chǔ)罐天然氣溫度為111K，泄漏位置在罐體地面高1m處，外界環(huán)境為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。在上述條件下，研究?jī)?chǔ)罐泄漏口徑、環(huán)境風(fēng)速及環(huán)境溫度對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散過(guò)程的影響：

（1）儲(chǔ)罐泄漏口徑的影響，保持泄漏位置（距離地面1m）不變，風(fēng)速為5m/s，大氣穩(wěn)定度為D。選取災(zāi)難性破裂、100mm破裂口徑、50mm破裂口徑三種泄漏量參數(shù)分別進(jìn)行模擬。

（2）風(fēng)速的影響，保持泄漏位置不變，50mm破裂口徑泄漏，選取風(fēng)速及大氣穩(wěn)定度為1.5/D、5/D、8/D三種參數(shù)分別進(jìn)行模擬。

（3）50mm破裂口徑泄漏不變，風(fēng)速及大氣穩(wěn)定度為5，D，泄漏口位置不變，對(duì)外界環(huán)境溫度分別為283、298K進(jìn)行模擬。

2.2 泄漏口徑對(duì)氣云擴(kuò)散的影響

在風(fēng)速5m/s及大氣穩(wěn)定度為D情況下，災(zāi)難性破裂、100mm破裂口徑、50mm破裂口徑最大濃度云團(tuán)和順風(fēng)距離關(guān)系如圖2所示，氣云外邊界層的濃度為22001.2ppm。

由圖2可以看到，50mm泄漏口徑時(shí)液化天然氣的擴(kuò)散距離只有160m，當(dāng)泄漏口徑為100mm時(shí)，擴(kuò)散距離已可達(dá)到296m遠(yuǎn)，而當(dāng)泄漏為災(zāi)難性泄漏時(shí)，擴(kuò)散距離已經(jīng)將要超越365m。由此可知，泄漏口徑因素對(duì)泄漏過(guò)程的影響很大，泄漏口徑越大，泄漏擴(kuò)散范圍越廣，造成的危害后果也更加嚴(yán)重。

通過(guò)對(duì)比可以知道，泄漏的天然氣沿著泄漏口方向上向前擴(kuò)散，這是由于LNG儲(chǔ)罐內(nèi)部壓強(qiáng)較大（0.3MPa），由式（1）可知，在假定的這幾種泄漏速率下，泄漏口口徑較小，泄漏的LNG從泄漏口射流而出，迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，并且擁有向前擴(kuò)散的初速度。隨著泄漏源口徑增大，泄漏的天然氣向兩側(cè)擴(kuò)散趨勢(shì)加大。同時(shí)由于低溫氣體不斷的從空氣吸熱，氣云的密度逐漸降低，氣云上浮，即氣云變厚。

2.3 環(huán)境風(fēng)速對(duì)氣云擴(kuò)散的影響

環(huán)境風(fēng)速對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散過(guò)程的影響主要體現(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。研究通過(guò)改變風(fēng)速大小，進(jìn)而研究風(fēng)速對(duì)氣云運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的影響。模擬了三種不同風(fēng)速情況下氣云的運(yùn)動(dòng)，分別為1.5、5、10m/s大氣穩(wěn)定度均為D，泄漏口徑為50mm，風(fēng)流從左側(cè)進(jìn)入，氣云最外層邊界濃度22001.2ppm。

由圖3、圖4可知，環(huán)境風(fēng)速對(duì)液化天然氣蒸氣云有明顯的作用。風(fēng)速在1.5m/s情況下，氣云的寬度接近160m，順風(fēng)擴(kuò)散距離達(dá)到245m，而風(fēng)速在5m/s情況下，氣云的寬度只有將近40m，順風(fēng)擴(kuò)散距離為162m，在風(fēng)速為8m/s時(shí)，氣云的寬度只有將近36m，順風(fēng)擴(kuò)散距離為146m。這是由于在有風(fēng)情況下，風(fēng)對(duì)氣云有剪切和卷吸作用，在風(fēng)的作用下，氣云順風(fēng)傳播，且不斷被稀釋。風(fēng)速越大，作用效果越明顯，大風(fēng)有利于液化天然氣云的擴(kuò)散，使其不容易聚集成易爆氣團(tuán)。

2.4 外界環(huán)境溫度對(duì)氣云擴(kuò)散的影響

環(huán)境溫度對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散過(guò)程的影響主要體現(xiàn)在對(duì)氣云的熱傳遞過(guò)程。外界環(huán)境的溫度時(shí)刻在變化，本文假定在泄漏過(guò)程中外界環(huán)境溫度恒定，溫度為283K（10℃）、298K（25℃），不同風(fēng)速條件下液化天然氣云濃度分布如圖4、圖5所示。

由圖5、圖6可看出，溫度在283K的情況下，風(fēng)速為1.5m/s大氣穩(wěn)定度為D時(shí)，液化天然氣云擴(kuò)散距離為222m、高度為2.8m、寬度為142m；由圖7、圖8可看出，溫度在298K的情況下，風(fēng)速為1.5m/s大氣穩(wěn)定度為D時(shí)，液化天然氣云擴(kuò)散距離為245m、高度為3.1m、寬度為125m。從氣云的擴(kuò)散變化可知，外界環(huán)境溫度越高，汽云擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，氣云上升趨勢(shì)越明顯，但是汽云寬度變窄。

由此可得出結(jié)論：外界環(huán)境溫度越高，低溫氣云吸熱越快，由重氣轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵貧獾乃俣雀涌?，氣云向上空及順風(fēng)擴(kuò)散距離越大。低溫環(huán)境不利于低溫氣云吸熱，重氣云容易在地面聚集，氣體密度較重不利于汽云擴(kuò)散，導(dǎo)致在地面上氣云橫向擴(kuò)散距離較大。

3 結(jié)論

本文通過(guò)PHAST軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LNG儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏后氣云擴(kuò)散的模擬，進(jìn)而對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散過(guò)程中對(duì)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響的一些主要因素進(jìn)行了模擬研究和分析。LNG儲(chǔ)罐泄漏口徑、環(huán)境風(fēng)速、及環(huán)境溫度對(duì)液化天然氣云擴(kuò)散的影響如下：

泄漏口徑對(duì)擴(kuò)散泄漏造成的危害后果起決定性作用，泄漏口徑越大，擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，高濃度存在的區(qū)域更大，形成的氣云越難擴(kuò)散，可燃?xì)鈭F(tuán)順風(fēng)移動(dòng)，可能會(huì)在遠(yuǎn)離LNG儲(chǔ)罐的下風(fēng)位置發(fā)生爆炸。

環(huán)境風(fēng)速對(duì)LNG氣云擴(kuò)散過(guò)程的主要作用是稀釋?zhuān)绎L(fēng)速越大稀釋作用越明顯。主要是因?yàn)樵陲L(fēng)力作用下，在氣云邊緣，風(fēng)對(duì)氣云起剪切作用，這在一定程度抑制氣云擴(kuò)展，所以體現(xiàn)出風(fēng)速越大，氣云擴(kuò)散距離反而越小。

環(huán)境溫度對(duì)氣云擴(kuò)散的影響體現(xiàn)在隨著外界環(huán)境溫度的升高，低溫氣云與周?chē)h(huán)境之間的傳熱量增加，此外大氣湍流程度也有增強(qiáng)。外界環(huán)境溫度越高，低溫氣云吸熱越快，由重氣轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵貧獾乃俣雀涌?，氣云擴(kuò)散速度也更加迅速。低溫環(huán)境不利于氣云向上擴(kuò)散，氣云容易在地面聚集，氣體密度較重不利于汽云擴(kuò)散，導(dǎo)致在地面上氣云橫向擴(kuò)散距離較大。