張欣雨 康建宏 蔡蓮 鄔錦華 朱繼鵬

(中國礦業(yè)大學江蘇省城市地下空間火災防護高校重點實驗室 江蘇徐州 221116)

0 引言

近幾年由于人民生活水平提高和環(huán)保意識的增強，對天然氣的需求量持續(xù)增加且呈現(xiàn)以工業(yè)帶動民用的趨勢，大型天然氣供應企業(yè)數(shù)量持續(xù)增長[1]，但天然氣作為一種易燃易爆氣體，在儲運過程中極易發(fā)生燃燒和爆炸，其中由天然氣儲罐泄漏而造成的燃燒爆炸事故居多。

近幾年國內相關問題逐漸受到重視，葉年年等[2]研究了高壓天然氣管道泄漏孔口特征，得出孔口越分散擴散進行過程越慢，孔口面積越大則擴散速率越快。黃琴等[3]運用風洞實驗驗證了Fluent模擬天然氣泄漏結果的精確性，且由模擬結果得到近地面處CH4濃度分布。以往的模擬研究中多以風速、泄漏孔口大小為研究對象，獲得泄漏過程云圖，但很少分析大范圍內泄漏氣體的精確濃度值及變化規(guī)律，據(jù)此，本文分析了不同風速及泄漏高度條件下，泄露口下風向直線距離上氣體濃度變化規(guī)律；考慮擴散過程中換熱對氣體擴散運動的影響，結合溫度截面分析擴散速度矢量的動態(tài)變化；并利用CFD-post后處理技術將泄漏變化情況可視化，該模擬結果可為天然氣儲罐泄漏風險防控提供參考。

1 物理模型及工況

1.1 物理模型

依據(jù)實地考察某大型港華燃氣企業(yè)，工廠內部立式儲罐根據(jù)容量分類有50、100、150、200 m34種類型。其中以100 m3儲量為主要儲罐類型，由此確定儲罐模型尺寸：外徑3.2 m，內徑3 m，高為17 m(加底部立架)，內部壓力為0.8 MPa，溫度-161.5 ℃。儲罐周圍100 m內無大型建筑物和住宅，因此在建立模型時將立式儲罐放置在長為100 m，寬為50 m，高為20 m，網(wǎng)格數(shù)為1.99×105的計算區(qū)域中，如圖1所示。

圖1 物理模型

1.2 工況設置

液化天然氣存儲溫度為-162 ℃，儲罐中為液態(tài)，其甲烷含量達到93 %以上，液相密度為422.6 kg/m3，蒸發(fā)潛熱為509 332 J/kg，質量擴散系數(shù)為3.491×10-6，被動擴散溫度為25 ℃，其氣相粘度v=12.597×10-6。由于計算能力有限，本文中只分析在大范圍內氣體擴散情況而未對復雜閃蒸相變進行研究。

考慮到人體站立時接觸有害氣體最危險高度以及立式儲罐底部支架焊接位置(容易因焊接位置老化產(chǎn)生泄漏)，泄漏點高度分別設置為Z=1.5 m和Z=3 m。根據(jù)高壓管道對孔徑的定義，容器直徑用D表示，泄漏孔徑為d，若d/D<0.2為小孔泄漏，若d/D≥0.2則定義為大孔泄漏，方能得到準確的結果。參照DNV專家對LPG事故統(tǒng)計結果，類比得出200 mm孔徑LNG泄漏事故頻率為8×10-6次/a，發(fā)生可能性最大[4]，因此本文將孔徑設置為200 mm。

其次，設置風速變化范圍，依據(jù)當?shù)仄骄L速5 m/s上下浮動，設置3個風速變量：輕風2 m/s，微風5 m/s，勁風10 m/s。

最后，確定泄漏量，當LNG儲罐泄漏口徑較大，泄漏將導致LNG儲罐內液位明顯下降，這時液位高度對泄漏強度有一定的影響，根據(jù)原油在不同壓力條件下的瞬時泄漏速率計算公式[5]，結合伯努利方程推導得到下式(1)，這種隨時間變化的源強模型更接近實際泄漏行為：

(1)

式中，Chole為泄漏口的流量系數(shù)；Ahole為泄漏口的流通面積，m2；PT為LNG儲罐液面上方壓力，Pa；Patm為大氣壓力；ρL為LNG液體密度，kg/m3；H為LNG液面離泄漏孔中心距離，m；Q為LNG液體泄漏率，kg/s。依據(jù)上式，結合模擬參數(shù)的設定，得出泄漏量為1.4 kg/s。依據(jù)以上工況對立式天然氣儲罐泄漏擴散情況進行模擬研究。

天然氣泄漏路徑在近地面處擴散范圍較大，地面粗糙度對風速有較強的影響，因此需要依據(jù)地面粗糙度的影響對風速進行修正，空氣入口風速分布為指數(shù)形式[6]，見下式(2)。

(2)

本文通過在Fluent中嵌入UDF編譯程序修正空氣入口邊界，以風速為2 m/s為例，經(jīng)修正的入口面速度分布隨高度變化情況與文獻[6]大致相同，如下圖2所示。

圖2 入口邊界速度修正圖

2 數(shù)學模型

2.1 湍流模型

天然氣泄漏過程復雜，湍動性強，Realizablek-ε湍流模型具有保持雷諾應力與真實湍流一致的優(yōu)點，更精確模擬平面和圓形射流的擴散速度以及帶方向壓強梯度的邊界層的計算，雙方程模型如下式所示[7]：

(3)

(4)

式中，Ss、Sk分別是用戶對該模型自定義的源項(結合流場具體工況，對湍流耗散率進行細化)，ρ為流體密度；xi、xj為各坐標分量；σk、σε為湍動能k和耗散率ε的湍流普朗特數(shù)；Gb為浮力影響產(chǎn)生的湍動能；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能；YM為可壓縮湍動脈動膨脹對總的耗散率的影響；μ為分子粘性系數(shù)；μi為湍流粘性系數(shù)項。

2.2 組分運輸模型

無反應多組分輸運模型[8]：

(5)

Ji=-ρDi,m▽Yi

(6)

其中Ri表示第i種物質的化學反應凈源項，Si表示離散相和用戶自定義源項的產(chǎn)生率；Di,m表示輸運流體第i種物質的擴散系數(shù)；Yi表示預估物質的質量分數(shù)。

(7)

其中Sct為湍流施密特數(shù)，該數(shù)決定了流場中層流擴散最終會被湍流擴散影響從而改變流動狀態(tài)。

3 結果及分析

3.1 泄漏氣體擴散情況

蒸汽云團擴散是一個非常復雜的問題，具體范圍取決于現(xiàn)場條件和泄漏位置。觀察微風下不同泄漏高度產(chǎn)生的泄漏情況，如下圖。

圖3顯示了泄漏口高度位于1.5 m處泄漏氣體擴散情況，泄漏發(fā)生2s后，路線呈拋物線狀，即泄漏初始時即發(fā)生近地面沉降，形狀呈傘狀擴散，在近地面處會形成面積較大的氣云薄層，并出現(xiàn)葉狀分叉。從圖3(d)至(f)可見氣云橫向范圍逐漸增加，氣體內部具有擴散傳播的渦旋促使氣體向兩邊堆積，中間部分氣云變得稀薄。泄漏時間達到22 s時沿地面蔓延的氣體已經(jīng)超過100 m，在100 m處氣云的厚度較均勻，意味著此時橫向擴散的動力較小，幾乎達到最大擴散橫向距離，在50 m之內。

圖3 泄漏高度為1.5 m時氣體擴散示意 (單位：m)

由圖4可見，泄漏高度在3 m處，泄漏發(fā)生2 s后擴散距離到達10 m左右，4 s以后接近地面處氣體濃度較大，由下往上氣體濃度呈現(xiàn)由低到高的規(guī)律。與圖3相比發(fā)現(xiàn)，氣體橫向蔓延距離較短，氣體在中心聚集并產(chǎn)生一定高度的云團，隨著時間增加，擴散區(qū)域主要呈縱向增大的趨勢，當擴散到14 s時擴散縱向距離已經(jīng)到達100 m。

圖4 泄漏高度為3 m時氣體擴散示意(單位：m)

3.2 溫度變化情況及對擴散速度的影響

以風速為2 m/s，泄漏口高度為1.5 m工況為例，觀察溫度與速度矢量變化。由溫度截面圖5(a)得到，靠近泄漏口處氣體溫度在-44.3 ℃至-33.4 ℃范圍之內，表明低溫天然氣一經(jīng)泄漏溫度就會急劇上升。由圖知泄漏初期5～10 m處氣體開始沉降在近地面，為負浮力堆積階段，此時溫度在0 ℃左右；10～20 m內氣體基本平穩(wěn)向前擴散，20 m以外泄漏氣體溫度已接近大氣溫度，意味著此時泄漏氣體密度已經(jīng)達到與空氣密度一致，并經(jīng)過正浮力階段形成被動擴散。對比圖5(b)速度矢量圖可見，10 m之內泄漏氣體具有較大的x正向初速度，隨后產(chǎn)生沿y軸負向的速度偏移分量，逐漸向地面運動，而在x軸向距離為15 m之外，y軸負方向分速度逐漸消失，氣體向上擴散。

(a)溫度截面

(b)速度矢量

3.3 泄漏下風口直線路徑上最高CH4濃度

為明確下風向直線路徑上泄漏氣體的精確濃度值及變化規(guī)律，在泄漏中心y=0，高度為人體站立時接觸有害氣體最危險高度z=1.5 m處，分別設置x=10、20、30、40、50、60、80、100 m共8個濃度測點，觀察不同泄漏口高度條件下，100 m范圍內氣體濃度變化規(guī)律。

3.3.1泄漏高度為1.5 m各處最高CH4濃度變化

圖6為輕風時泄漏氣體濃度隨時間呈現(xiàn)先增加后減小再穩(wěn)定的變化趨勢。便攜式可燃氣體檢測儀一般報警點濃度為1/4 LEL(LEL為可燃氣體的爆炸下限)，即達到報警點的甲烷氣體體積分數(shù)為1.25 %。由圖中看出10 m范圍內能達到1.0 %～1.25 %之間的穩(wěn)定CH4濃度，接近1/4 LEL；20～50 m內產(chǎn)生的最大CH4體積分數(shù)值范圍在0～0.5%之間；而60～100 m范圍內，CH4體積分數(shù)低至0，說明低風速條件下，危險性較小。

微風時， 氣體濃度呈先增加后穩(wěn)定的趨勢，由圖7可見x=10 m處CH4體積分數(shù)高達7.5 %，超過1/4 LEL，并處于爆炸極限濃度范圍內。20～100 m范圍內的最高CH4體積分數(shù)均在0.7%～1%之間，未達到1/4 LEL。泄漏氣體在16 s后以最高體積分數(shù)1 %擴散到半徑為100 m的范圍之外，相較于上文輕風條件下，風速增大則擴散半徑增大，擴散路徑上的最高CH4體積分數(shù)增大，危險性增大。

圖6 泄漏高度為1.5 m 風速為2 m/s時各點最高CH4體積分數(shù)

圖7 泄漏高度為1.5 m 風速為5 m/s時各點最高CH4體積分數(shù)

由圖8可見勁風時各點的濃度值大幅下降，最高僅達到0.000 06 %。其次，見圖中10～40 m各點監(jiān)測濃度，風速過大時近泄漏處的CH4濃度幾乎為0，而在50～100 m各點濃度值呈現(xiàn)隨著距離的增大而增大的現(xiàn)象。但100 m范圍內最高體積分數(shù)值仍低于0.000 06 %，相較于微風條件，高風速的稀釋作用明顯，大幅降低了下風口擴散氣體濃度值。

圖8 泄漏高度為1.5 m 風速為10 m/s時各點最高CH4體積分數(shù)

3.3.2泄漏高度為3 m各處CH4最高濃度變化

圖9至圖11為泄漏高度在3 m處的各點氣體濃度變化，當泄漏高度增加一倍時，通過上文得出近地面處氣云的形成受到阻礙，對泄漏氣體擴散的高度產(chǎn)生一定的影響。

圖9 泄漏高度為3 m 風速為2 m/s時各點最高CH4體積分數(shù)

圖10 泄漏高度為3 m 風速為5 m/s時各點最高CH4體積分數(shù)

圖11 泄漏高度為3 m 風速為10 m/s時各點最高CH4體積分數(shù)

如圖9所示，輕風條件下，x=10 m時最高體積分數(shù)可達11 %，而后大幅下降，20～30 m范圍內可達到的最高CH4體積分數(shù)在2%～4%之間，達到1/4 LEL。而60 m以外CH4濃度值為0，這與圖6泄漏孔口在罐身1.5 m處同樣風速下泄漏變化規(guī)律相似。如圖10所示，風速增大到5 m/s ，10 m與40 m處范圍內最高CH4體積分數(shù)均處于25%LEL之上，且20 m之內有燃爆危險。與圖9中20 m前后距離上最大濃度值比較，20 m之內CH4濃度值有所下降， 20 m之后各點的濃度皆有所上升，得出風速增加時可降低近泄漏處氣體濃度最高值，但會使20 m以外的泄漏氣體濃度增加；勁風時各點的最大CH4濃度如圖11所示，與上圖8變化趨勢相似，都呈現(xiàn)距離越遠CH4濃度越高的變化情況，但泄漏口高度增加使整體CH4濃度增大，x=10 m附近的氣體濃度增幅最大，擴散速度加快。

4 結論

(1)本文基于Fluent軟件研究不同泄漏高度、風速下立式天然氣儲罐發(fā)生小孔泄漏時氣體擴散情況，總結擴散規(guī)律。天然氣儲罐發(fā)生小孔泄漏時，泄漏氣體形成云團橫向和縱向推進擴散，當泄漏處距地面較近時，氣體成傘狀向前擴散并且形成較厚的氣云，擴散橫向距離增大。

(2)分析得到一定范圍內擴散升溫與速度方向的動態(tài)變化，受溫度的影響，天然氣擴散分為負浮力堆積階段、中性浮力逐漸擴散階段、正浮力擴散力度加大階段。

(3)研究泄漏下風向沿直線氣體濃度變化趨勢，得出不同距離內的危險程度與擴散規(guī)律。同一風速泄漏路徑上的最高CH4濃度具有相同的變化趨勢；微風時，無論泄漏點高度的高低，均會使10 m以外泄漏路徑上CH4濃度大幅增高，風速過高或過低都會相應減小泄漏路徑上的CH4濃度；勁風時，擴散路徑上最高CH4濃度與擴散距離呈現(xiàn)負相關規(guī)律。