王志寰 李成兵 周 寧

1.西南石油大學機電工程學院 2. 常州大學石油工程學院

0 引言

液化天然氣（LNG）具有易泄漏、易揮發(fā)擴散和易燃易爆等危險特性，近年來國內(nèi)外LNG接收站發(fā)生泄漏與爆炸的安全事故超過數(shù)十余起[1-4]。LNG儲存與運輸中的安全問題早已成為業(yè)界最為關(guān)注的重要問題之一[1]。

為填補國內(nèi)LNG接收站安全研究領(lǐng)域的空白，王洪麗等[5]采用兩相流泄漏計算公式預測LNG接收站的泄漏量和泄漏過程中可能發(fā)生的噴射火焰、爆炸、蒸氣云擴散等事故，并預測出了事故安全半徑。柴田[6]以大鵬灣LNG碼頭為例，基于LNG的爆炸特征建立了LNG爆炸VEC傷害模型和火災BLEVE傷害模型，將在生產(chǎn)儲運過程中發(fā)生爆炸火災和毒物泄漏擴散對人體和財產(chǎn)造成的傷害進行了量化，得出了諸如爆炸火災傷害區(qū)域、財產(chǎn)損失、風險等級、受控等級等重要研究結(jié)果。周彥波等[7]結(jié)合國內(nèi)外LNG泄漏與擴散的試驗和模擬，對可能發(fā)生的LNG船舶碰撞危害性、LNG泄漏擴散和火災危險性等方面研究進行了分析，并探討了其中的不確定性問題。曾岳梅[8]基于CFD理論開展LNG接收站內(nèi)液池擴散模擬和蒸氣云爆炸模擬，分別研究了擴散影響因子和蒸氣云爆炸影響因子，實現(xiàn)了可燃氣體泄漏影響區(qū)域和爆炸近場超壓分布的可靠預測。

縱觀國內(nèi)外關(guān)于LNG接收站安全問題的相關(guān)研究，大部分研究都側(cè)重于LNG接收站風險識別與風險評價方面，較少詳細研究和評價接收站可能發(fā)生的LNG泄漏擴散與爆炸等重大災害效應(yīng)。為此，筆者根據(jù)國內(nèi)某大型LNG接收站工程實際現(xiàn)場布局進行整體建模，借助FLACS軟件對LNG泄漏擴散與爆炸事故進行數(shù)值計算，并對其災害效應(yīng)進行預測與分析。

1 數(shù)值計算方法有效性驗證與分析

FLACS軟件是專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。FLACS爆炸仿真采用兩段模擬的方式，即爆炸模擬是在擴散模擬的基礎(chǔ)上不改變其任何環(huán)境參數(shù)，只改變邊界條件、計算步長、持續(xù)時間和點火時刻，調(diào)取擴散結(jié)果進行計算求解的。所以可燃氣體的泄漏擴散模擬的有效性對于整個數(shù)值模擬至關(guān)重要。精確有效的可燃氣體泄漏擴散結(jié)果才能保證后續(xù)爆炸數(shù)值計算結(jié)果的準確性。因此，筆者借助Falcon系列實驗數(shù)據(jù)對LNG泄漏擴散的數(shù)值計算結(jié)果進行有效性驗證。

Falcon系列實驗[9]是1987年美國氣體研究所和運輸部委托美國Lawrence Livermore 國家實驗室（LLNL）在加利福尼亞州進行的LNG泄漏后蒸氣云在復雜障礙物工況下大型擴散實驗。筆者使用Falcon系列1號、3號、4號的實驗結(jié)果作為LNG泄漏蒸氣云在有障礙阻擋環(huán)境下擴散的有效性評價數(shù)據(jù)集。實驗工況參數(shù)如表1所示。

表1 Falcon系列實驗主要參數(shù)表[9]

提取Falcon 1、3、4號實驗在下風向的數(shù)值計算預測值與實驗值進行比較（表2）。為準確分析筆者數(shù)值計算預測值與Falcon實驗值之間的偏差程度，并以此來判定筆者所建立的LNG泄漏擴散數(shù)值計算方法的有效性，引入重氣擴散模擬有效性評價參數(shù)及評價標準[10-12]，主要有幾何平均偏差MG、幾何平均方差VG、相對均方誤差MRSE、相對平均偏差MRB、FAC2和歸一化均方誤差NMSE等。數(shù)值計算預測值與Falcon實驗值之間的各項偏差值如表3所示。可以看出，筆者利用FLACS所建立的LNG泄漏擴散數(shù)值計算方法來模擬Falcon 1、3、4號實驗，其偏差值都在評價參數(shù)允許的范圍之內(nèi)，除Falcon 3號實驗的模擬結(jié)果與實驗值偏差較大之外，其余2個實驗吻合很好，說明基于FLACS的LNG泄漏擴散數(shù)值計算方法及結(jié)果具有一定的可靠性和有效性。

表2 泄漏氣體最大濃度的實驗值與數(shù)值計算預測值對比表

表3 Falcon系列實驗FLACS模擬泄漏氣體最大濃度的偏差統(tǒng)計表

2 數(shù)值計算模型建立與計算參數(shù)設(shè)置

國內(nèi)某大型LNG接收站的平面布局設(shè)計如圖1-a所示，據(jù)此建立的LNG接收站三維計算模型布局如圖1-b所示，設(shè)置計算區(qū)域幾何尺寸為800 m×60 m×110 m。在LNG泄漏擴散中，假定儲罐出液管口位置是泄漏源頭，該處流場的阻塞和變化影響著后續(xù)擴散結(jié)果的精確性。因此，計算網(wǎng)格在泄漏源附近需要加密處理，而在靠近邊界面區(qū)域由于氣體的濃度已經(jīng)下降到極小，且邊界區(qū)域的變化對計算區(qū)域的流場幾乎沒有影響，網(wǎng)格可適當加大。

現(xiàn)役大型LNG接收站儲罐的低溫出液管道直徑通常為150 mm[13]。對于LNG接收站來說，除去罐體破裂外，最嚴重的泄漏事故為：當使用罐底的潛液泵向外輸送LNG時，儲罐的低溫出液管道因超壓、腐蝕或老化等原因瞬間破損并斷落，從而造成LNG快速泄漏出儲罐。假設(shè)泄漏點位于儲罐35 m高的出液管處，并假定泄漏口直徑為150 mm，泄漏時間為300 s（之后被人為處置停止泄漏）。根據(jù)伯努利方程可以計算LNG泄漏速率約為185.72 kg/s。LNG接收站儲罐內(nèi)液化天然氣成分組成為：甲烷含量98.98%，乙烷含量0.61%，氮氣含量0.31%，二氧化碳含量0.10%。該大型LNG接收站所在地的氣象資料顯示，常年風速4.4 m/s、風向45°。LNG接收站內(nèi)相關(guān)設(shè)備及環(huán)境參數(shù)如表4所示。

在LNG泄漏擴散的數(shù)值計算參數(shù)設(shè)置時，由于LNG蒸發(fā)產(chǎn)生的氣云擴散速度較低，故采用低速泄漏（DIFFUSE）類型[12]；泄漏位置為儲罐出液口處，LNG氣云閃蒸后的初始溫度為－161.64 ℃[14]；在邊界條件設(shè)置中，模擬LNG氣云無風自由擴散時需要對每個邊界設(shè)置無反射Plane-Wave[15]邊界條件；當在有風工況當中，為防止蒸氣云在邊界處堆積引起整個擴散過程出現(xiàn)邊界效應(yīng)，將邊界條件中的風設(shè)置在上風向邊界面，同時在其他邊界面設(shè)置為Plane-Wave。

3 數(shù)值計算結(jié)果及分析

LNG泄漏后形成重氣云，其災害效應(yīng)[16-17]主要體現(xiàn)在爆炸和窒息2個方面：當氣云（主要成分為甲烷）在空氣中的濃度處于5%～15%（爆炸極限）時，遇到點火源將瞬間發(fā)生爆炸，形成瞬時超壓和高溫熱輻射作用，對一定范圍的人員和結(jié)構(gòu)物造成傷亡和損傷破壞；當氣云在空氣中的濃度大于25%時，人和動物將發(fā)生窒息現(xiàn)象。因此，為了判定LNG泄漏后的災害效應(yīng)，通常將濃度大于5%（爆炸極限下限）的區(qū)域范圍定義為LNG氣云潛在爆炸災害效應(yīng)區(qū)；當在LNG氣云爆炸危險區(qū)內(nèi)，可燃氣云一旦遇到點火源將發(fā)生爆炸，其爆炸超壓作用區(qū)和熱輻射作用區(qū)分別定義為爆炸災害效應(yīng)區(qū)；濃度大于25%的區(qū)域定義為LNG氣云窒息災害效應(yīng)區(qū)。

表4 LNG接收站內(nèi)相關(guān)設(shè)備及環(huán)境參數(shù)表

3.1 LNG泄漏與擴散基本特征與規(guī)律

假定風速為零（無風）條件下，泄漏點假定在3號罐的出液管處，泄漏后形成的可燃氣云隨時間擴散過程如圖2所示。可以看出，可燃氣云首先呈現(xiàn)出明顯的重氣擴散特征。這是由于可燃氣云的初始溫度極低，密度比空氣大造成的（初始溫度為－161.64℃，密度為2.25 kg/m3，是空氣密度的1.5倍左右）。因重力沉特性降使可燃氣云擴散時首先在地面堆積，并在豎直方向上具有明顯的分層效應(yīng)：越貼近地面，濃度越高，隨著高度增加，濃度又迅速減小。正因為如此，具有爆炸危險的可燃氣云也主要集中在近地面高度。其次，由于罐區(qū)圍堰和罐體的阻擋作用，可燃氣云不會立即沿壁面爬升、飄逸，而是沿障礙物（圍堰和罐體）繞流擴散，隨后可燃氣云會在圍堰處迅速堆積并逐漸開始溢出圍堰。

3.2 泄漏點位置對接收站LNG泄漏與擴散效應(yīng)的影響

該LNG接收站內(nèi)共有5個大型儲液罐，假定LNG泄漏為單一泄漏，且泄漏點均為儲液罐出液管位置（位于儲罐35 m高度處），并假定泄漏300 s后立即停止。接收站風速4.4 m/s，風向45°。不同泄漏點發(fā)生泄漏300 s后，LNG氣化形成濃度大于等于5%的可燃氣云的擴散情況如圖2所示。

圖2 無風條件下泄漏后的可燃氣云（濃度大于等于5%）隨時間擴散情況圖

為了評價LNG泄漏擴散后的災害效應(yīng)嚴重程度，采用溢出罐區(qū)圍堰的最遠距離來表征。計算結(jié)果表明：在風速4.4 m/s和風向45°的氣象條件下，1號儲罐泄漏后形成的可燃氣云擴散面積較廣且在罐區(qū)圍堰處堆積較厚，有部分氣云溢出圍堰，溢出最大距離達21.5 m（圖3-a）。在風的輸運作用下，形成“三翼”，其中一翼擴散出圍堰左上角；一翼擴散在下方，3號儲罐對可燃氣云擴散形成阻擋繞流；另一翼擴散到2號儲罐附近。2號儲罐泄漏形成的可燃氣云全部在圍堰內(nèi)擴散流動，云團分布面積較?。▓D3-b）；3號儲罐泄漏后，在風的輸運作用下，可燃氣云在左側(cè)圍堰處堆積，并大量溢出圍堰向接收站設(shè)備操作區(qū)漫延，可燃氣云溢出左側(cè)圍堰最遠距離為51.5 m，溢出左下角圍堰最遠距離為 13.5 m（圖 3-c）；4號儲罐泄漏后，由于附近3號儲罐的阻擋作用，可燃氣云繞開3號儲罐向左上和左下角擴散，并在左下角圍堰處溢出，距圍堰最遠距離為18.5 m（圖3-d)；5號儲罐泄漏后，由于4號儲罐的阻擋效應(yīng)，在風的輸運作用下，可燃氣云堆積在下側(cè)罐區(qū)圍堰并大量溢出，距圍堰下側(cè)最遠距離達43.5 m（已經(jīng)溢出至接收站圍墻外，圖3-e）。

圖3 泄漏點位置對LNG可燃氣云（濃度大于等于5%）擴散的影響圖

綜合各個儲罐泄漏300 s后可燃氣云的擴散分布情況可以看出：3號儲罐泄漏后，在風的輸運作用下，大量可燃氣云溢出罐區(qū)圍堰進入接收站設(shè)備操作區(qū)，最遠溢出距離達51.5 m，可燃氣云在設(shè)備操作區(qū)一旦被意外點火，將發(fā)生強烈爆炸與燃燒，造成人員傷亡、設(shè)備破壞，甚至導致部分儲罐損毀等嚴重災害后果。因此，在現(xiàn)有LNG接收站布局設(shè)計和氣象條件下，3號儲罐發(fā)生LNG泄漏對整個接收站的潛在危險性（災害效應(yīng)）是最大的。在后續(xù)研究中，LNG泄漏點均設(shè)置在3號儲罐出液管處。

3.3 常風條件下LNG氣云擴散災害效應(yīng)

假定該地常年風速為4.4 m/s、風向為45°，該LNG接收站泄漏后擴散形成的可燃氣云形狀如圖4所示?？扇細庠瞥跗谌猿尸F(xiàn)明顯重氣擴散沉降特征，在圍堰內(nèi)近地面自由擴散，但受風、儲罐和圍堰的阻擋呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，故在其豎直方向上尤其是在圍堰墻腳處分層明顯，越貼近地面，氣體濃度越高，并且濃度高于爆炸下限的氣云集中分布在緊貼地面的高度，前期的可燃氣云在圍堰內(nèi)像水一樣地繞流儲罐，后受45°風向影響一字排開。LNG接收站泄漏后擴散形成的窒息氣云分布如圖5所示，窒息區(qū)域主要呈現(xiàn)在儲罐區(qū)范圍內(nèi)，其窒息區(qū)域?qū)⑺查g形成，而氣云團爬上儲罐時被風很快稀釋，氣云團在豎直方向濃度分層明顯。

圖4 常風條件下LNG氣云擴散災害效應(yīng)區(qū)域分布示意圖

圖5 LNG氣云擴散極限距離坐標系圖

3.4 風和圍堰對LNG泄漏與擴散災害效應(yīng)的敏感性分析

為研究風向、風速和圍堰高度對LNG氣云擴散的影響，選取風向 45°、90°、135°，風速 0.90 m/s、 4.40 m/s、9.35 m/s，并且在實際5 m的基礎(chǔ)圍堰高度上，增設(shè)了4 m、6 m高度進行LNG氣云擴散定量分析，數(shù)值分析結(jié)果如表5、6所示。

定量分析不同因素對可燃氣云最大可燃/窒息距離的影響程度值。采用相對偏差率RDR（Relative Deviation Ratio）來衡量每個影響因素的敏感值。RDR是指被影響指標產(chǎn)生的偏差率與影響因素自身的偏差率的比值，其可以衡量被影響指標因為影響因素的變化而導致數(shù)值發(fā)生變化的程度。定義如下：

表5 300 s時刻不同影響因素下最大可燃距離統(tǒng)計表

表6 300 s時刻不同影響因素下最大窒息距離統(tǒng)計表

式中cl表示氣云在某因素下的可燃距離的最大偏差值； 表示被影響指標的平均值；cp表示影響因素本身數(shù)值的最大偏差；p表示影響因素自身數(shù)值的平均值。RDR的值與0偏差越大，表示該因素產(chǎn)生的影響越大，可燃氣云對其越敏感。

根據(jù)表5和表6數(shù)據(jù)可以借助公式（1）計算得到各因素下的RDR值（表 7、8）?？梢钥闯?，300 s內(nèi)，圍堰高度對可燃氣云的泄漏擴散影響最大，其對可燃氣云的阻擋效應(yīng)明顯；而風速越大，對可燃氣云的輸運作用越明顯，導致可燃氣云擴散范圍降低；而風向只是改變可燃氣云的擴散方向，但對其影響較小。

表7 不同影響因素的可燃氣云擴散范圍相對偏差率統(tǒng)計表

表8 不同影響因素的窒息氣云相對偏差率統(tǒng)計表

風向?qū)NG氣云窒息范圍影響最大，風向能引導窒息氣云擴散的方向，其站內(nèi)建筑物阻擋效應(yīng)越明顯，氣云團在阻擋處堆積，影響最大；同理圍堰高度對窒息氣云范圍的影響較大；而風速對窒息氣云的輸運作用明顯，風速越大導致氣云濃度降低，影響較小。綜合來看，對可燃氣云潛在爆炸災害效應(yīng)影響程度由大到小分別是圍堰高度、風速和風向，而對氣云窒息災害效應(yīng)影響程度由大到小分別是風向、圍堰高度、風速。

3.5 可燃氣云意外點火產(chǎn)生的爆炸災害效應(yīng)分析

接收站泄漏事故發(fā)生后圍堰內(nèi)快速積累大量可燃氣云，一旦發(fā)生意外點火爆炸主要危險在于產(chǎn)生的近地面超壓范圍以及燃燒火球的高溫熱輻射區(qū)域。針對可燃氣云意外點火爆炸進行研究，由上文研究結(jié)果可知，圍堰高度對可燃氣云覆蓋影響最大，故選取LNG接收站圍堰高度為4 m時，基于常風下（風速為4.4 m/s，風向45°）進行爆炸流場的計算。擴散的可燃氣云在風和圍堰的影響下形成濃重的氣云團，在可燃氣云濃度較高位置選取點火位置（350，287，1.5）作為點火源，在300 s時進行點火爆炸。

采用超壓準則[18-19]作為爆炸產(chǎn)生的沖擊波影響范圍的評價標準，這類準則適用于作用時間短，能量較高的爆炸工況中，將離地 1.5 m 處 0.196 bar（1 bar＝0.1 MPa，下同）作為分析指標來評價爆炸產(chǎn)生的超壓范圍，選取超壓范圍的最大峰值來評價可燃氣云爆炸產(chǎn)生沖擊波的后果。模擬結(jié)果表明：意外點火爆炸造成的最大超壓為1.01 bar（圖6），爆炸核心區(qū)域工作人員直接死亡，建筑物倒塌。

圖6 點火爆炸超壓（大于等于0.196 bar）特征圖

基于Baker理論[20-21]，火球熱輻射的范圍取決于空間中燃料的總質(zhì)量，火球直徑D、持續(xù)時間t、火球溫度T與燃料質(zhì)量M之間的關(guān)系式：

式中bG表示常量，2.04×104；M表示火球消耗的燃料質(zhì)量，kg；T表示火球的溫度，K；D表示火球直徑，m；R表示目標到火球中心的距離，m；F表示常量，161.7。

使用Baker模型進行火焰熱輻射評價，建立以泄漏源為原點的火焰熱輻射毀傷坐標系。結(jié)合熱劑量準則[16,22-23]，死亡邊界處取592×103J/m2，三度燒傷取 375×103J/m2，二度燒傷取 250×103J/m2，一度燒傷取125×103J/m2進行火焰熱輻射影響范圍劃分。

基于Baker理論對產(chǎn)生火球燃燒質(zhì)量的驗證，熱輻射主要來源于爆炸產(chǎn)生的火球，計算結(jié)果表明點火后2 s時（點火時刻為泄漏時刻300 s），站內(nèi)的火球發(fā)展到最大，直徑為154 m、高度為1.5 m，火球中心坐標O1（－46，31）。通過Baker理論算出爆炸燃燒流場的燃料質(zhì)量為38 724 kg，根據(jù)FLACS計算的流場空間內(nèi)爆炸消耗的氣云實際質(zhì)量為：M實際＝ 41 000 － 4 530 ＝ 36 470 kg。通過計算可知，與Baker模型理論值偏差為6.18%，基本符合Baker理論，理論與模擬的偏差原因在于火焰的直徑有一定程度的估大，形成的火球狀并不規(guī)則，且貼近地面形狀偏扁。

將火球中心坐標代入式（2）可以得到坐標系內(nèi)某點（x，y）受到的熱輻射Q1為：

計算的得出熱輻射危險區(qū)域的分布情況見圖7，其死亡半徑為170.1 m，三度燒傷半徑213.7 m、二度燒傷半徑261.7 m、一度燒傷半徑370.1 m，可見接收站發(fā)生LNG泄漏事故后，受圍堰影響形成的氣云團濃度、質(zhì)量大，意外點火爆炸時產(chǎn)生的火球直徑大，造成熱輻射效應(yīng)強烈。

4 結(jié)論

圖7 火焰輻射危險區(qū)域圖

1）LNG泄漏形成的氣云擴散呈現(xiàn)明顯的重氣擴散特征，因重力沉特性降使可燃氣云擴散時首先在地面堆積，在豎直方向上具有明顯的分層效應(yīng)，越貼近地面，濃度越高，隨著高度增加，濃度又迅速減?。换谟酗L條件下，比較圍堰內(nèi)泄漏點位置對儲罐泄漏事故災害效應(yīng)的影響，確定并假設(shè)其3號儲罐發(fā)生LNG泄漏，氣云擴散受重力沉降特性，受風、建筑物的影響一字排開；氣云擴散形成的窒息區(qū)域主要在發(fā)生儲罐泄漏事故附近范圍內(nèi)，其窒息災害區(qū)域形成較小。

2）比較圍堰高度、風向和風速對氣云擴散災害效應(yīng)的影響，潛在爆炸災害效應(yīng)的影響程度由大到小分別是圍堰高度、風速和風向；對窒息災害效應(yīng)的影響程度由大到小分別是風向、圍堰高度、風速。因而，為防止發(fā)生泄漏事故災害效應(yīng)進一步加劇，建議設(shè)計接收站時適當加高接收站圍堰高度，上風口增設(shè)鼓風器等裝置，必要時候進行人工吹風，加快空氣流通，降低事故產(chǎn)生的災害效應(yīng)。

3）大型LNG接收站應(yīng)在圍堰近地面杜絕點火源，在泄漏事故發(fā)生五分鐘后圍堰內(nèi)意外點火爆炸，熱輻射死亡最大半徑為170.1m，三度燒傷最大半徑為213.7 m，二度燒傷最大半徑為261.7 m，一度燒傷最大半徑為370.1 m，其氣云團覆蓋的范圍基本是死亡區(qū)，人員重傷死亡。