，，

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 南京 210036)

液化天然氣(LNG)由于其能量密度高和燃燒產(chǎn)物清潔無污染的優(yōu)勢，近年來的使用越來越廣泛，全國各地的LNG儲罐數(shù)量也越來越多。LNG主要成分為甲烷，甲烷在空氣中的爆炸極限為5%～15%，天然氣的熱值高，爆炸威力大，因此一旦因設(shè)備損壞或者操作失誤等導(dǎo)致泄漏，很容易造成嚴重事故和后果。同時，由于其儲存溫度低，泄漏后遇空氣易氣化形成蒸氣云團積聚在地面附近，具有很高的危險性[1-3]。工業(yè)應(yīng)用和研究已經(jīng)證明，水幕可以用于可燃氣體在意外泄漏后的稀釋，可以防止泄漏的可燃性氣體處于爆炸極限，降低可燃氣體泄漏的燃燒爆炸風(fēng)險[4-9]。

樂濤濤等[10]設(shè)計實驗研究了在受限空間下水幕對重氣擴散的稀釋阻擋效果，并分析了水幕對重氣擴散的稀釋阻擋機制。潘旭海等[11]使用DEGADIS模型模擬了環(huán)境條件對LNG泄漏擴散的影響，得出LNG泄漏后果嚴重度隨大氣穩(wěn)定度等級增加而增加的結(jié)論。Rana等[6-7]設(shè)計實驗研究了錐形水幕和扇形水幕在向上噴射時不同水幕參數(shù)對LNG 蒸氣泄漏擴散稀釋阻隔效果的影響，得出并提出2種水幕對LNG 蒸氣泄漏擴散稀釋的機制。Kim等[12]使用ANSYS Fluent 12.1建立了向上噴射全錐面水幕強迫LNG蒸氣云擴散的歐拉-拉格朗日模型，提出水幕在稀釋阻隔LNG 蒸氣云時各種因素所起的作用，并設(shè)計實驗對模型的推測結(jié)果進行了驗證。由于LNG泄漏狀況受多種條件影響，且水幕防護LNG泄漏受到多種環(huán)境變量影響，難以得出通用的水幕防護參數(shù)[13-15]。

目前水幕阻隔LNG重氣云擴散研究以向上噴射的水幕的防護效果為主，有關(guān)向下噴射水幕對LNG泄漏防護的研究較少，缺少可供參考的向下噴射水幕在防護LNG泄漏情況下的水幕參數(shù),文中對此展開試驗研究。

1 LNG泄漏擴散及水幕抑制試驗

1.1 試驗介質(zhì)

LNG泄漏產(chǎn)生的蒸氣云團易燃、易爆，直接使用LNG進行泄漏擴散試驗危險性非常大。氮氣無色、無味、無腐蝕性且不燃，微溶于水，與天然氣分子量相近，液氮泄漏時形成的重氣云沿著地面擴散形式與LNG泄漏時形成的重氣云沿地面擴散形式非常相似，是較為理想的LNG試驗替代物。文中以液氮為試驗介質(zhì)，近似模擬LNG的試驗效果。

1.2 試驗裝置

1.2.1試驗平臺系統(tǒng)組成[16]

水幕防護LNG泄漏試驗平臺構(gòu)成見圖1。此試驗平臺包括4個組成部分，分別是模擬儲罐泄漏系統(tǒng)、水幕系統(tǒng)、影像采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖中1、2、3、4、5為x方向上等間距(0.1 m)放置的5個檢測儀。

圖1 水幕防護LNG泄漏試驗平臺示圖

1.2.2模擬儲罐泄漏系統(tǒng)

模擬儲罐泄漏系統(tǒng)的主體裝置為液氮罐。液氮罐體積30 L，型號為YDZ-30，外接輸送管。輸送管采用金屬軟管制作，軟管內(nèi)徑5.2 mm，外部有橡塑材料保溫覆層。整個試驗過程中，保持泄漏量和泄漏口高度不變，泄漏量為0.5 L/min,泄漏口距離地面高度為0.2 m。

1.2.3水幕系統(tǒng)裝置設(shè)計

水幕系統(tǒng)裝置實物圖見圖2。圖2中，水幕系統(tǒng)管路呈正方形，由8個噴嘴圍成。噴嘴共有2種類型，分別為扇形噴嘴和實心錐形噴嘴。扇形噴嘴的噴射角度為110°，噴孔直徑為0.66 mm,接口內(nèi)徑為8 mm；實心錐形噴嘴的噴射角度為60°，噴孔直徑為1.0 mm,接口內(nèi)徑為8 mm。水幕系統(tǒng)裝置管路接入高壓水源，自上向下噴淋，水流量控制為8 L/min。

圖2 水幕系統(tǒng)裝置

試驗中，水幕噴淋高度可調(diào)，水幕與泄漏源的間距可調(diào)。水幕噴淋高度選項設(shè)置為0.5 m、0.6 m、0.7 m，水幕與泄漏源的間距選項設(shè)置為0.25 m、0.30 m、0.35 m、0.40 m。通過控制水幕高度這一單一變量試驗驗證最佳水幕高度，通過控制水幕距離這一單一變量試驗驗證最佳水幕距離。

1.2.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在泄漏源到水幕的距離方向上設(shè)置5個氧氣體積分數(shù)監(jiān)測點，在距離泄漏源0.1～0.5 m處按順序放置1號～5號檢測儀，相鄰檢測儀間距0.1 m，測量高度均為0.2 m。

將采集到的環(huán)境氧氣體積分數(shù)數(shù)據(jù)輸入計算機，計算機將5個監(jiān)測點的環(huán)境氧氣體積分數(shù)換算成環(huán)境氮氣體積分數(shù)，并且計算出環(huán)境氮氣體積分數(shù)的變化量。

1.3 試驗方案

設(shè)置5組試驗用于探究水幕架設(shè)高度、水幕與泄漏源距離、水幕形狀以及環(huán)境風(fēng)速等變量對水幕抑制LNG擴散防護效果的影響，試驗方案設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 水幕防護LNG泄漏試驗方案設(shè)計參數(shù) mm

2 LNG泄漏擴散及水幕抑制試驗結(jié)果及分析

2.1 無水幕空白試驗

2.1.1試驗現(xiàn)象分析

不設(shè)水幕，同時保持無環(huán)境風(fēng)進行空白試驗，現(xiàn)場效果見圖3。從圖3可以觀察到，液氮泄漏后會沿著管內(nèi)液體流動方向繼續(xù)向前擴散，同時向下擴散，形成的蒸氣云擴散得越遠就越靠近地面，接觸到地面后會沿著地面向更遠處繼續(xù)蔓延擴散，這與文獻[13]所述的LNG蒸氣云重氣擴散階段相似。

圖3 無水幕空白試驗現(xiàn)場效果圖

2.1.2試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)無水幕空白試驗得到的泄漏氣體體積分數(shù)分布見圖4。

圖4 無水幕空白試驗泄漏氣體體積分數(shù)分布

從圖4可看出，氮氣體積分數(shù)隨著蒸氣云到氮氣泄漏口距離的增大而減小。位置越靠近泄漏口，氮氣的體積分數(shù)就越大；隨著擴散距離的增大，遠處的氮氣由于重氣效應(yīng)下沉，同時氣體向四周擴散，同一高度同一水平線上檢測點的氮氣體積分數(shù)隨距離增大而減小。

2.2 水幕架設(shè)高度影響試驗

2.2.1試驗現(xiàn)象分析

改變水幕架設(shè)高度進行試驗，現(xiàn)場效果見圖5。試驗中無環(huán)境風(fēng)，泄漏源距離地面高度為0.2 m，水幕距離泄漏源0.25 m。

圖5 水幕架設(shè)高度影響試驗試現(xiàn)場效果圖

由圖5a可以觀察到，扁平扇形水幕直接與蒸氣云接觸，水幕構(gòu)成的屏障與蒸氣云接觸形成了一道清晰可見的分隔界面。分析認為，氮氣是難溶于水的氣體，因此水幕無法將其吸收，更多的是依靠自身形成的屏障阻止蒸氣云向外擴散，無法向外擴散的蒸氣云只能沿著垂直地面的水幕向上或向下擴散。水幕高度有限，下落至地面時二者接觸產(chǎn)生的動量較小，同時水幕與泄漏源較近，無法將周圍空氣向上卷起在水幕內(nèi)部形成湍流，因此無法形成改變蒸氣云擴散方向的效果。

由圖5b可以觀察到的現(xiàn)象與圖5a觀察到的現(xiàn)象類似，扇形水幕成的緊密屏障阻隔了液氮泄漏產(chǎn)生的不溶性蒸氣云，抑制了蒸氣云繼續(xù)向前擴散，其在地面附近形成的空氣湍流仍然不足以使得重氣云團形成固定的擴散路徑。通過綜合分析認為，構(gòu)想通過水幕與地面接觸形成向上的氣流將蒸氣云抬起從而改變其擴散方向，還需進一步提高水幕架設(shè)高度才能夠?qū)崿F(xiàn)。

從圖5c中可以觀察到，液氮泄漏形成的蒸氣云不是直線擴散到并且直接與水幕相撞，而是在擴散了一小段距離后才被水幕內(nèi)部的空氣湍流擾亂并稀釋，向上的空氣氣流將蒸氣云抬升，使其擴散方向發(fā)生改變。這說明0.7 m高的水幕下落后有足夠的動量使其在與地面接觸后將周圍空氣卷起，形成向上的空氣湍流，帶動蒸氣云改變擴散方向，抑制蒸氣云沿地面的重氣擴散，加速空氣與蒸氣云混合，稀釋水幕內(nèi)部的氣體云團。

2.2.2試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)水幕架設(shè)高度試驗數(shù)據(jù)得到的泄漏氣體體積分數(shù)分布見圖6。

圖6 水幕架設(shè)高度影響試驗泄漏氣體體積分數(shù)分布

從圖6可以看出，3種架設(shè)高度的水幕對泄漏氣體的擴散都具有一定的抑制效果，0.6 m和0.7 m架設(shè)高度的水幕作用效果比0.5 m架設(shè)高度的水幕更明顯。水幕架設(shè)高度為0.7 m時，氮氣體積分數(shù)下降最快，距離泄漏口越遠氮氣體積分數(shù)降低的趨勢越平緩，這種效果得益于水幕內(nèi)部產(chǎn)生的空氣湍流改變了氮氣蒸氣云的擴散路線，使其從直線擴散改變?yōu)榍€向上擴散，減少了蒸氣云與水幕的直接接觸。當(dāng)水幕架設(shè)高度為0.5 m時，5個檢測點的氮氣體積分數(shù)都比較高，說明0.5 m架設(shè)高度的水幕抑制效果并不理想。當(dāng)水幕架設(shè)高度為0.6 m時，5個檢測點的數(shù)據(jù)表明其抑制效果沒有0.7 m架設(shè)高度水幕的好，試驗中也沒有觀察到重氣形成明顯的上升湍流，說明0.6 m架設(shè)高度的水幕也能產(chǎn)生空氣流動，但效果不明顯。

2.2.3試驗綜合分析

結(jié)合圖5和圖6，綜合分析水幕架設(shè)高度與泄漏氣體擴散抑制效果之間的關(guān)系，形成的研究結(jié)論為，采用向下噴射水幕抑制泄漏氣體的擴散，水幕的架設(shè)高度宜不小于泄漏源距離地面高度的3倍。

2.3 水幕與泄漏源距離影響試驗[17]

2.3.1試驗現(xiàn)象分析

改變水幕到氮氣泄漏源的距離進行試驗，現(xiàn)場效果見圖7。試驗中無環(huán)境風(fēng)，水幕架設(shè)高度為0.5 m。

圖7 水幕與泄漏源距離影響試驗現(xiàn)場效果圖

由圖7a可以觀察到，泄漏生成的蒸氣云團直接與水幕相撞，一部分云團穿過水幕向外擴散，還可以觀察到垂直水幕阻隔蒸氣云向外擴散形成的分界線，在分界線處被阻隔的蒸氣云無法直接通過改向上或向下擴散，分界線外的蒸氣云沿地面擴散。

由圖7b和圖7c都可以觀察到，自上向下的水幕與地面接觸時產(chǎn)生的機械效應(yīng)將空氣卷起，產(chǎn)生向上流動的氣流在水幕內(nèi)部擾亂氮氣蒸氣云的擴散，在水幕內(nèi)部將泄漏氣體向上抬升，改變泄漏蒸氣擴散方向，更好地稀釋泄漏氣體，避免了云團積聚而濃度過高。

對比由圖7a、圖7b和圖7c觀察到的現(xiàn)象可知，水幕距離泄漏源0.3 m時，蒸氣云抬升的傾角小于距離泄漏源0.35 m的水幕，但相對于距離泄漏源0.25 m水幕的稀釋效果有明顯提升。

2.3.2試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)水幕與泄漏源距離影響試驗得到的泄漏氣體體積分數(shù)分布見圖8。

圖8 水幕與泄漏源距離影響試驗泄漏氣體體積分數(shù)分布

由圖8可以知道，水幕距離泄漏源0.25 m時，氮氣體積分數(shù)明顯高于水幕距離泄漏源0.3 m和0.35 m時的數(shù)據(jù)，這是因為水幕距離泄漏源較近時，地面附近空氣流動較小，不利于稀釋擴散泄漏產(chǎn)生的蒸氣云。水幕與泄漏源距離0.3 m和0.35 m時，抑制效果基本相當(dāng)，泄漏氣體體積分數(shù)都處于一個較小的數(shù)值區(qū)間。

研究圖8中水幕距離泄漏源0.35 m數(shù)據(jù)曲線發(fā)現(xiàn)，從距離泄漏源0.5 m位置讀取的對應(yīng)泄漏氣體體積分數(shù)基本與環(huán)境空氣的氣體組成相當(dāng)，這種結(jié)果可以解釋為水幕架設(shè)在與泄漏源距離0.35 m的位置時對氮氣的稀釋效果最好，同時這種解釋并不排除水幕架設(shè)高度改變氮氣蒸氣云團擴散方向，使之呈現(xiàn)出向上擴散趨勢所起到的有益作用。

2.3.3綜合分析

結(jié)合圖7和圖8，綜合分析水幕與泄漏源距離與泄漏氣體擴散抑制效果之間的關(guān)系，形成的研究結(jié)論為，要使水幕對LNG蒸氣云產(chǎn)生良好的稀釋效果，則水幕與泄漏源的距離不可太近。本試驗中水幕距離泄漏源0.35 m時的稀釋效果就十分明顯，可以作為水幕防護系統(tǒng)設(shè)計的參考。

2.4 水幕形狀影響試驗

2.4.1試驗現(xiàn)象分析

改變水幕形狀進行試驗，現(xiàn)場效果見圖9。試驗中無環(huán)境風(fēng)，水幕與泄漏源的距離設(shè)為0.25 m，水幕高度為0.5 m，扇形噴嘴的噴淋水幕形狀是110°的扁平扇形，實心錐形的噴淋水幕形狀是60°的倒錐形。

圖9 水幕形狀影響試驗現(xiàn)場效果圖

觀察并對比圖9a和圖9b可知，在相同的噴嘴間隔條件下，錐形水幕的噴淋角度較小(只有60°)，上方的水幕之間的空隙較大，蒸氣云易從中穿過，這個缺點使錐形水幕的防護效果大打折扣。但錐形水幕在距離泄漏源較近時產(chǎn)生的圓錐形水霧直接與蒸氣云接觸，可以提高低溫蒸氣云的熱交換速度，云團溫度上升可以減少處于重氣擴散的階段，減小地面氣體的體積分數(shù)。當(dāng)錐形水幕與泄漏源的距離較遠無法直接接觸泄漏擴散的蒸氣云時，其效果則沒有在水幕內(nèi)部產(chǎn)生空氣湍流的扇形水幕好。

水幕形狀影響試驗還發(fā)現(xiàn)，使用相同數(shù)量的噴嘴時，扇形水幕比錐形水幕的覆蓋面積大，噴淋角度較小的錐形水幕之間的間隔較大，不利于蒸氣云的阻隔。從相同高度向下噴淋時，由于錐形水幕是擴散型的水滴，靠近地面處的水幕強度并不大，因而當(dāng)水流量不足時，錐形水幕的密度不夠大，易被蒸氣云團穿透。同時錐形水幕與地面接觸時無法產(chǎn)生如扇形水幕那樣的向上氣流，因此在自上向下噴淋時錐形水幕比扇形水幕的效果差。

2.4.2試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)水幕形狀影響試驗得到的泄漏氣體體積分數(shù)分布見圖10。

圖10 水幕形狀影響試驗泄漏氣體體積分數(shù)分布

圖10表明，氮氣在扇形水幕內(nèi)外的體積分數(shù)均低于錐型水幕的。結(jié)合圖9的試驗現(xiàn)象分析可知，扇形水幕和實心錐形水幕在距離泄漏源0.25 m時，扇形水幕覆蓋面積大，產(chǎn)生的空氣湍流可以改變蒸氣云的擴散方向，稀釋地面重氣云濃度，效果好于錐形水幕。

2.5 環(huán)境風(fēng)速影響試驗[18]

2.5.1試驗現(xiàn)象分析

改變環(huán)境風(fēng)速進行試驗，現(xiàn)場效果見圖11～圖13。試驗中，水幕與泄漏源的距離設(shè)置為0.25 m，水幕架設(shè)高度為0.5 m，水體積流量8 L/min，水幕形狀為扇形。

圖11 無環(huán)境風(fēng)影響水幕試驗現(xiàn)場效果圖

圖12 風(fēng)速0.5 m/s水幕試驗現(xiàn)場效果圖

從圖12可看到，0.5 m/s的風(fēng)速影響有限，僅對泄漏口處的蒸氣云擴散有一定的影響。

從圖13可以看到，風(fēng)速達到1 m/s時，環(huán)境風(fēng)透過水幕，與水幕的機械效應(yīng)產(chǎn)生的微小氣流混合在水幕內(nèi)部形成空氣湍流，加快泄漏口形成的蒸氣云擴散，向外擴散的蒸氣云被氣流擾亂稀釋，密度減小的蒸氣云在空氣湍流作用下向上漂浮擴散，阻止了重氣云沿地面擴散的趨勢，且空氣湍流使得蒸氣云與周圍空氣的熱交換加劇，從而使得蒸氣云溫度上升，密度下降，濃度降低[19]。

2.5.2試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)環(huán)境風(fēng)速影響試驗得到的泄漏氣體體積分數(shù)分布見圖14。

圖14 環(huán)境風(fēng)速影響試驗泄漏氣體體積分數(shù)分布

對比圖14中各條曲線上距離泄漏口0.1 m位置的體積分數(shù)可知，風(fēng)速越大，泄漏口處的蒸氣云氣體體積分數(shù)越小。對比圖14中各條曲線上距離泄漏口0.4 m位置對應(yīng)的泄漏氣體體積分數(shù)可知，1 m/s的風(fēng)速在水幕內(nèi)部產(chǎn)生空氣湍流，改變了蒸氣云的擴散方向，降低穿過水幕的氣體量，可以起到很好的稀釋作用。

3 結(jié)語

采用液氮替代LNG進行模擬試驗，研究水幕對LNG泄漏擴散的抑制效果。在文中試驗條件下，形成如下研究認識。

(1)自上向下噴淋時，扇形水幕與地面接觸帶來的機械效應(yīng)在方形水幕內(nèi)部會產(chǎn)生向上的氣流，可以改變蒸氣云團擴散的軌跡，從水平擴散變?yōu)橄蛏蠑U散，可以更好地稀釋儲罐周圍積聚的蒸氣云團。

(2)架設(shè)高度為0.7 m的水幕帶來的機械效應(yīng)可以更好地稀釋液氮泄漏產(chǎn)生的重氣云團，避免因水幕阻隔而大量積聚在儲罐周圍。水幕架設(shè)高度為泄漏源高度的3倍以上時，效果更佳。

(3)水幕與泄漏源的距離不宜太近，0.35 m的距離可以獲得明顯的擴散蒸氣稀釋效果。

(4)對大面積蒸氣云團的沿地面擴散，扇形水幕的抑制效果較實心錐形水幕的好。

(5)環(huán)境風(fēng)速小于1 m/s時對水幕抑制重氣云擴散的效果影響不大。而風(fēng)速達到1 m/s時，環(huán)境風(fēng)透過水幕在水幕內(nèi)部形成空氣湍流，加快泄漏口處形成的蒸氣云擴散，向外擴散的蒸氣云被氣流擾亂稀釋，阻礙了重氣云沿地面擴散的趨勢。