徐大用，蔣會(huì)春，沈贛蘇，習(xí)樹峰，張禮敬，潘旭海

(1.南京工業(yè)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211800；2.深圳市城市公共安全技術(shù)研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

近年來(lái)，液化天然氣(LNG)作為1種高效安全、環(huán)境友好型清潔能源，在改善全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的過程中起到關(guān)鍵性作用[1-3]。隨著全球LNG產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)的LNG資源需求日益增長(zhǎng)，提升國(guó)內(nèi)天然氣調(diào)峰儲(chǔ)備能力變得至關(guān)重要，LNG接收站和LNG船舶的數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，LNG海上運(yùn)輸?shù)念l次隨之增加[4-6]。但是，LNG全球化、規(guī)?；耐瑫r(shí)，帶來(lái)了不可忽視的安全風(fēng)險(xiǎn)，尤其是LNG船舶靠離泊、裝卸貨作業(yè)過程中的碰撞、泄漏、火災(zāi)、爆炸等事故風(fēng)險(xiǎn)，多元風(fēng)險(xiǎn)交織，潛在事故發(fā)生可能性較高[7-8]。

針對(duì)LNG船舶靠離泊、裝卸貨作業(yè)過程中的復(fù)雜安全風(fēng)險(xiǎn)問題，于文杰[9]基于模糊故障樹分析法分析LNG船舶裝卸貨風(fēng)險(xiǎn)；王海東等[10]基于情景構(gòu)建理論分析LNG船舶碰撞發(fā)生LNG泄漏、火災(zāi)、爆炸的危險(xiǎn)性；鄭曉云等[11]采用PHAST軟件定量計(jì)算浮式LNG平臺(tái)串靠卸載時(shí)的LNG泄漏事故后果；鄭慶功等[12]采用Fluidyn軟件數(shù)值模擬內(nèi)河LNG動(dòng)力船機(jī)艙LNG泄漏過程和爆炸過程，并評(píng)估事故造成的人員損傷后果。但是，目前的研究鮮有考慮環(huán)境氣象、地形建筑等因素對(duì)事故演變過程的影響，尤其是在環(huán)境復(fù)雜、障礙物多的大型港口區(qū)域，需借助專業(yè)數(shù)值仿真軟件和建模工具。劉自亮等[13]采用計(jì)算流體力學(xué)FLACS軟件模擬研究泄漏孔徑、泄漏時(shí)長(zhǎng)、輸氫壓力和環(huán)境風(fēng)速對(duì)埋地輸氫管道泄漏爆炸后果的影響規(guī)律；周沈楠等[14]利用FLACS軟件模擬研究風(fēng)場(chǎng)、建筑物對(duì)化工園區(qū)公共管廊內(nèi)丙烯和氫氣管道泄漏爆炸后果的影響。

本文構(gòu)建某LNG接收站的實(shí)景化三維場(chǎng)景模型，選用FLACS軟件數(shù)值模擬LNG船舶卸貨作業(yè)過程中發(fā)生泄漏爆炸事故，可視化事故演化過程，量化評(píng)估事故后果，為提升LNG船舶卸貨作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)防控和事故應(yīng)對(duì)能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 情景設(shè)計(jì)

模擬選取LNG船舶卸貨作業(yè)過程中發(fā)生泄漏爆炸事故作為研究對(duì)象，并作如下情景假定：1艘滿載90 000 m3LNG船舶正在進(jìn)行卸貨作業(yè)，同時(shí)1艘滿載50 000 t液化石油氣(LPG)船舶正在靠泊作業(yè)，突然卸料臂與LNG船對(duì)接法蘭面完全拉斷發(fā)生LNG泄漏。由于船上的ESD系統(tǒng)因不明原因失效，LNG在對(duì)接法蘭面以7 500 m3/h速率持續(xù)泄漏；岸上ESD系統(tǒng)迅速關(guān)斷，卸料臂內(nèi)LNG泄漏量忽略不計(jì)；5 min后船上人為停泵關(guān)閥，泄漏中止。

1.2 模型構(gòu)建

場(chǎng)景模型包括90 000 m3LNG和50 000 t LPG船舶各1艘、接收站(含碼頭)4座、鄰近社區(qū)2個(gè)、高速公路高架橋1座、周邊山體及海洋，區(qū)域面積20.5 km2、凈高0.5 km，模型如圖1所示。其中，地形導(dǎo)入模型1個(gè)、構(gòu)筑物模型203 932個(gè)，其他模型(樹木群)408 808個(gè)，共計(jì)612 740個(gè)模型。

圖1 場(chǎng)景模型

1.3 數(shù)學(xué)模型

天然氣的擴(kuò)散過程遵守質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、組分傳輸模型、源項(xiàng)模型、JET射流模型、壁面方程、狀態(tài)方程、可壓求解方程、湍流模型等。預(yù)混可燃?xì)庠票稽c(diǎn)燃后可能會(huì)升級(jí)為爆炸，在升級(jí)為爆炸之前，燃料與空氣以相對(duì)穩(wěn)定的非湍流預(yù)混，層流燃燒速率如式(1)所示:

(1)

爆炸過程中，火焰會(huì)加速為湍流，湍流燃燒速率遠(yuǎn)低于層流。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，與網(wǎng)格尺寸相比，預(yù)混火焰的反應(yīng)區(qū)域更薄，因此需要對(duì)火焰進(jìn)行模型化處理，在FLACS中，通過給擴(kuò)散系數(shù)增加β和反應(yīng)速率系數(shù)減小1/β來(lái)加厚火焰區(qū)域，因此FLACS中的火焰模型也稱之為β模型[15]。

模型中燃料擴(kuò)散系數(shù)D如式(2)所示:

(2)

式中：D為燃料擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；μeff為有效黏度，Pa·s；σeff為燃料的應(yīng)力張量，N/m2。

β模型進(jìn)一步定義了無(wú)量綱燃燒速率W，并且對(duì)W和擴(kuò)散系數(shù)D進(jìn)行了校正。模型中燃料的反應(yīng)速率Rfuel如式(3)所示:

Rfuel=-W*ρmin(δH(χ-χq),χ,9-9χ)

(3)

式中：Rfuel為燃料的反應(yīng)速率，kg/(m3·s)；W*為β模型中修正的無(wú)量綱燃燒速率；ρmin為最小密度，kg/m3；δH為單位階躍函數(shù)；χ為燃料燃燒的過程變量；χq為χ的淬熄極限。

當(dāng)χq=0.05時(shí)，W與D之間關(guān)系如式(4)所示：

WD=1.37Su2=W*D*

(4)

式中：W為無(wú)量綱燃燒速率；D為燃料擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Su為燃燒速率，m/s；W*為β模型中修正的無(wú)量綱燃燒速率；D*為β模型中修正的擴(kuò)散系數(shù)，m/s2。

層流燃燒速率由燃料類型、燃料與空氣混合情況和壓強(qiáng)決定，與壓強(qiáng)P相關(guān)的層流燃燒速率SL關(guān)系表達(dá)式如式(5)所示:

(5)

式中：SL為層流燃燒速率，m/s；P為表壓，Pa；P0為空氣壓強(qiáng)，Pa；γP為燃料的固有參數(shù)。

準(zhǔn)層流燃燒階段的湍流燃燒速率SQL如式(6)所示:

(6)

式中：SQL為湍流燃燒速率，m/s；SL為層流燃燒速率，m/s；R為火焰半徑，m；χmin為χ的最小值。

湍流階段的湍流燃燒速率ST表達(dá)式如式(7)所示:

(7)

式中：ST為湍流燃燒速率，m/s；SL為層流燃燒速率，m/s；u′為速度均方根，m/s；K為伸展因子，計(jì)算表達(dá)式如式(8)所示：

(8)

式中：RT為湍流雷諾數(shù)；u′為速度均方根，m/s；SL為層流燃燒速率，m/s。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)黏度v為常數(shù)時(shí)，F(xiàn)LACS根據(jù)式(9)的原則來(lái)選擇燃燒速率：

Su=max(SQL,ST)

(9)

1.4 網(wǎng)格劃分

在完成區(qū)域場(chǎng)景模型構(gòu)建之后，需根據(jù)模擬計(jì)算的要求劃分網(wǎng)格。FLACS軟件在結(jié)構(gòu)笛卡爾網(wǎng)格上求解，為最大程度地提高計(jì)算精度，同時(shí)兼顧計(jì)算效率，以LNG泄漏點(diǎn)為中心劃分內(nèi)核心區(qū)、外核心區(qū)、非核心區(qū)和其他區(qū)域等4種尺寸網(wǎng)格，各計(jì)算區(qū)之間用1.2倍系數(shù)作平滑過渡。其中，內(nèi)核心區(qū)的網(wǎng)格精度最高，尺寸設(shè)置為1.0 m×1.0 m×0.5 m；外核心區(qū)的網(wǎng)格精度次之，尺寸設(shè)置為5.0 m×5.0 m×1.0 m；非核心區(qū)和其他區(qū)域的網(wǎng)格精度較低，網(wǎng)格尺寸分別設(shè)置為10.0 m×10.0 m×5.0 m和20.0 m×20.0 m×10.0 m。網(wǎng)格總數(shù)為26 786 968個(gè)。

1.5 參數(shù)設(shè)置

泄漏物質(zhì)為L(zhǎng)NG，是以甲烷為主要組份的烴類混合物。在模擬中，組份設(shè)置為97.032 mol%甲烷、2.014 mol%乙烷、0.346 mol%丙烷、0.07 mol%異丁烷、0.078 mol%正丁烷、0.002 mol%異戊烷、0.002 mol%正戊烷、0.451 mol%氮及0.000 35 mol%硫化氫。環(huán)境參數(shù)設(shè)置為：大氣溫度15.4 ℃，海水溫度16.3 ℃，東南風(fēng)向1 m/s，大氣穩(wěn)定度F，太陽(yáng)輻射739 W/m2，初始湍流強(qiáng)度0.1，湍流長(zhǎng)度尺度0.01，地面粗糙度0.01 m。

1.6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

針對(duì)關(guān)鍵防護(hù)目標(biāo)，設(shè)置3類爆炸超壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。1類監(jiān)測(cè)點(diǎn)為高速公路高架橋(3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn))，2類監(jiān)測(cè)點(diǎn)為接收站(4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn))，3類監(jiān)測(cè)點(diǎn)為周邊建筑物(3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn))。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 擴(kuò)散過程模擬分析

模擬中，選用FLACS軟件的“Pool Model 3”模型模擬LNG泄漏擴(kuò)展和蒸發(fā)擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)過程。

2.1.1 液池?cái)U(kuò)展過程

LNG液池?cái)U(kuò)展過程模擬結(jié)果如圖3所示，當(dāng)LNG從法蘭面泄漏后，首先在70 m3積液池內(nèi)形成小型液池。LNG在滿輸壓力下向前噴射，一部分LNG在噴射過程中發(fā)生汽化，另一部分LNG仍以液態(tài)形式噴射至卸貨平臺(tái)及海面上，并形成液池向四周流淌擴(kuò)展。液池?cái)U(kuò)展過程中，由于LNG與海水熱交換，LNG大量汽化，使得液池面積呈先擴(kuò)大、后縮小的變化趨勢(shì)，且擴(kuò)展過程中液池厚度逐漸變薄。模擬621 s時(shí)，海面上的LNG液池面積達(dá)到最大17 047 m2；至1 200 s時(shí)，海面上的LNG液池已不可見，即泄漏出來(lái)的LNG完全汽化。

圖3 液池?cái)U(kuò)展過程

2.1.2 蒸氣擴(kuò)散過程

當(dāng)LNG從卸料臂與船對(duì)接法蘭面泄漏到環(huán)境中，LNG在海面及海面上空大量汽化，蒸氣與空氣劇烈混合形成可燃?xì)庠啤？扇颊魵庠谒椒较蛏系臄U(kuò)散過程模擬結(jié)果如圖4所示，可燃蒸氣在垂直方向上的擴(kuò)散過程模擬結(jié)果如圖5所示。為便于區(qū)分，將蒸氣濃度劃分為10個(gè)區(qū)間。

圖4 氣云水平擴(kuò)散過程

圖5 模擬1 200 s時(shí)氣云垂直分布

LNG蒸發(fā)過程中，總體汽化速率呈先增后降的變化趨勢(shì)，在410 s時(shí)達(dá)到最大汽化速率350 kg/m3。由圖4可知，由于LNG/LPG船舶及棧橋碼頭等障礙物影響，可燃?xì)庠评@障礙物擴(kuò)散現(xiàn)象明顯[15]，使得可燃?xì)庠圃谒椒较蛏系臄U(kuò)散區(qū)域總體呈啞鈴狀，隨著時(shí)間推移在LPG棧橋與成品油棧橋中間海域發(fā)生氣云重疊現(xiàn)象。模擬900 s時(shí)，可燃?xì)庠葡虮钡竭_(dá)海岸線，并在海岸及高架橋下方區(qū)域不斷積聚；至1 200 s時(shí)，可燃?xì)庠仆耆采wLNG/LPG船舶、LNG/LPG/成品油棧橋。LNG在超低溫(-162 ℃)條件下泄漏，在空氣中快速相變，汽化產(chǎn)生的氣體密度約為空氣密度的1.5倍，低溫的重氣云團(tuán)將會(huì)發(fā)生重力沉降。同時(shí)，由于大氣湍流將空氣卷吸進(jìn)入云團(tuán)內(nèi)部，低溫重氣云團(tuán)會(huì)被加熱，向正浮性氣體擴(kuò)散轉(zhuǎn)變。圖5為模擬1 200 s時(shí)不同高度的可燃?xì)庠破拭鎴D，可以發(fā)現(xiàn)可燃?xì)庠浦饕性诤Ｃ嫔戏?.5 m高度處，但大部分區(qū)域的氣云濃度低于爆炸下限。當(dāng)提升剖面高度，可燃?xì)庠品植紖^(qū)域大幅減?。恢疗拭娓叨?.0 m時(shí)，可燃?xì)庠茙缀醪豢梢姟?/p>

2.1.3 氣云溫度分布

LNG蒸發(fā)擴(kuò)散過程中的溫度變化情況如圖6所示，將LNG沸點(diǎn)(-162 ℃)～海水溫度(16.3 ℃)范圍內(nèi)的溫度劃分為10個(gè)區(qū)間，并以不同顏色區(qū)分。由圖6可知，LNG蒸氣與空氣混合形成可燃?xì)庠?，氣云溫度由?nèi)向外呈溫度升高趨勢(shì)，氣云中心區(qū)域溫度最低，接近泄漏溫度(-162 ℃)，該區(qū)域氣云濃度最高，局部形成超低溫環(huán)境；隨著LNG蒸氣與空氣邊擴(kuò)散邊混合，氣云溫度逐漸變高，直至邊緣溫度等于大氣溫度。

圖6 氣云溫度分布

2.2 爆炸過程模擬分析

選用FLACS軟件的“Gas explosion(DDT)”模型模擬LNG蒸氣云爆炸的動(dòng)態(tài)過程。假設(shè)可燃?xì)庠圃贚NG卸貨平臺(tái)處因不明火源被點(diǎn)爆，發(fā)生氣云爆炸，整個(gè)爆炸過程持續(xù)12 s，如圖7所示。至模擬結(jié)束，爆炸形成火球高度約340 m。

圖7 氣云爆炸三維過程

LNG蒸氣云爆炸火焰陣面壓力隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。爆炸壓力呈梯度式增長(zhǎng)，最高壓力約為250 kPa。首先是LNG蒸氣云一次爆炸階段，壓力曲線呈鋒形，壓力在0.38 s內(nèi)迅速攀升至68 kPa，隨后降至約3 kPa。隨后發(fā)生二次爆炸，壓力在1.5 s內(nèi)升至約100 kPa。二次爆炸之后，在極短時(shí)間內(nèi)(約1 s)發(fā)生了三次爆炸，壓力值驟升至約250 kPa，并維持該壓力至模擬結(jié)束(12 s)。

圖8 不同時(shí)刻火焰陣面壓力變化曲線

2.3 爆炸后果分析

2.3.1 人員傷害后果

依據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(AQ/T 3046—2013)中爆炸超壓對(duì)人員傷害的閾值范圍，劃分輕傷區(qū)(2 kPa≤超壓<10 kPa)、重傷區(qū)(10 kPa≤超壓<30 kPa)和死亡區(qū)(超壓≥30 kPa)，如圖9所示。爆炸形成半徑380 m輕傷區(qū)，該范圍內(nèi)棧橋及海上救援人員將受到輕傷；爆炸形成半徑150 m重傷區(qū)，該范圍內(nèi)LPG船及卸貨平臺(tái)、LNG船及LNG碼頭緊急疏散集合點(diǎn)、相鄰棧橋等區(qū)域的人員將受到重傷；爆炸形成半徑60 m死亡區(qū)，該范圍內(nèi)LNG卸貨平臺(tái)、LPG碼頭緊急疏散集合點(diǎn)等區(qū)域的人員死亡概率100%。

圖9 爆炸超壓對(duì)人員傷害分布

2.3.2 建構(gòu)筑物損壞后果

依據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(AQ/T 3046—2013)中爆炸超壓結(jié)構(gòu)破壞閾值劃分建構(gòu)筑物損傷范圍，如圖10所示。爆炸造成半徑90 m范圍內(nèi)的LNG船及卸貨平臺(tái)、LPG船及卸貨平臺(tái)、相鄰棧橋管線的結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，可能導(dǎo)致LPG船甲板懸掛敷設(shè)的輸送管線、正在卸貨作業(yè)的LPG卸料臂及輸送管線破裂發(fā)生物料泄漏，擴(kuò)大事故后果。爆炸造成半徑550 m范圍內(nèi)棧橋、泊位等建構(gòu)筑物不同程度的結(jié)構(gòu)損壞，幾乎不會(huì)對(duì)接收站的儲(chǔ)罐、充裝區(qū)、辦公樓等關(guān)鍵防護(hù)目標(biāo)造成超壓破壞。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化情況如圖11所示，瞬時(shí)壓力隨爆炸進(jìn)行而逐漸降低，最高壓力(約1.8 kPa)出現(xiàn)在鄰近的成品油碼頭監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其次是高速公路高架橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)。除鄰近的成品油碼頭監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力均低于1 kPa，即LNG蒸氣云爆炸幾乎不會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)造成損壞。

圖10 爆炸超壓對(duì)建構(gòu)筑物傷害分布

圖11 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線

3 結(jié)論

1)LNG卸料臂以滿輸速率持續(xù)泄漏5 min情景下，形成的最大液池面積17 047 m2，最大汽化速率350 kg/m3。

2)LNG蒸氣云爆炸產(chǎn)生最大超壓0.25 MPa，形成半徑380 m輕傷區(qū)、150 m重傷區(qū)和60 m死亡區(qū)，該預(yù)測(cè)結(jié)果可以指導(dǎo)LNG事故現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域劃分和人員應(yīng)急疏散規(guī)劃。

3)LNG蒸氣云爆炸產(chǎn)生超壓可能造成半徑90 m范圍內(nèi)輸送管線結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞導(dǎo)致物料泄漏，引發(fā)二次爆炸擴(kuò)大事故后果。