周軍 李傳錢 蒲鶴 梁光川

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院 2.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院

LNG主要成分為甲烷，儲存運輸?shù)臏囟葹?162 ℃，空氣中的爆炸濃度極限約為5%～15%，具有低溫、易燃易爆等特性。槽車運輸為LNG主要的陸地運輸方式，在槽車LNG裝卸作業(yè)過程中，通過裝車棧臺的鶴管與槽車通過快速接頭進行鏈接，快速接頭的安全和穩(wěn)定性極大程度地影響了整個LNG裝卸作業(yè)的安全和效率。由于長時間低溫高壓下工作，接頭的密封圈極易損壞，導(dǎo)致LNG泄漏，LNG裝卸作業(yè)時，相關(guān)人員距離危險源近，一旦發(fā)生LNG泄漏，后果將不堪設(shè)想。在LNG儲存運輸環(huán)節(jié)中，王志寰等[1]對LNG接收站大型儲罐低溫出液管(150 mm)泄漏爆炸進行模擬，采用相對偏差率對不同環(huán)境下LNG泄漏擴散進行分析和研究，預(yù)測了災(zāi)害效應(yīng)。而凌曉東[2]對接收站中槽車裝卸作業(yè)時管線(80 mm)斷裂造成的LNG泄漏的事故場景進行模擬，分析了不同環(huán)境條件下可燃氣云的影響范圍，計算爆炸產(chǎn)生的超壓最大值。國外學者研究LNG船LNG泄漏事故較多，F(xiàn)ilippo Gavelli等[3]對裝卸碼頭LNG船在LNG裝卸作業(yè)過程中發(fā)生LNG泄漏爆炸事故進行研究，分析部分受限和部分擁擠的障礙物中蒸氣云爆炸情形，對事故潛在后果進行了評價。Sydney D Ryan等[4]模擬了LNG船的LNG泄漏(孔徑12 mm)擴散情形，對比分析LNG蒸氣云在有無實體障礙物的環(huán)境下的危險區(qū)域范圍，并指出障礙物的存在，降低了可燃范圍。

國內(nèi)外關(guān)于LNG接收站LNG泄漏的研究，多數(shù)都是LNG快速接頭脫落或者管道斷裂等大型LNG泄漏事故的研究和風險評價[5-10]，少有對小孔徑或少量LNG泄漏事故進行研究和評價。為此，研究采用CFD技術(shù)，以LNG裝卸作業(yè)快速接頭密封圈損壞或失效為泄漏工況，通過FLACS軟件模擬該泄漏工況下，LNG迅速泄漏和汽化向周圍擴散的過程，深入分析LNG泄漏擴散規(guī)律以及燃燒爆炸風險，為現(xiàn)場LNG裝卸作業(yè)LNG泄漏事故應(yīng)急預(yù)案編制提供理論依據(jù)，對裝車區(qū)域LNG泄漏風險安全監(jiān)控和應(yīng)急響應(yīng)管理具有實際意義。

1 氣體擴散數(shù)學模型

LNG泄漏到大氣時，會迅速汽化形成氣云，向四周擴散。對于氣體擴散，F(xiàn)LACS數(shù)值模擬采用有限體積法在三維笛卡爾坐標系下，求解可壓縮流體流動的質(zhì)量、動量、能量和輸運方程組成的守恒方程，見式(1)[11]。

(1)

式中：t為泄漏時間，s；ρ為氣體密度，kg/m3；xi為在i方向的坐標，m；ui為i方向上的速度矢量，m/s；φ為通用求解變量，單位為對應(yīng)求解變量的國際制單位；Гφ為擴散系數(shù)，m2/s；Sφ為定義的相應(yīng)求解變量φ源項。

相對于穩(wěn)定的層流，LNG泄漏形成的氣云擴散流動是一種復(fù)雜的不定常隨機流動[12]，湍流模型更加適用于該情形下的流動。湍流模型使用目前廣泛應(yīng)用的標準k-ε模型，使得守恒方程組封閉可解，方程如式(2)和式(3)所示。

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(2)

式中：k為湍動能，m2/s2；ε為湍動能耗散率，m2/s3；μ為動力黏度，Pa·s；μt為動力湍流黏度，Pa·s；σk為湍動能k對應(yīng)的普朗特數(shù)，取1.0；σε為湍動能耗散率ε對應(yīng)的普朗特數(shù)，取1.3；Gk為平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項，kg/(m·s3)；Gb為浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項，kg/(m·s3)；C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，分別取1.44、1.92和0.80；Sk為定義的湍動能源項，kg/(m·s3)；Sε為定義的湍動能耗散率源項，kg/(m·s4)；YM為可壓湍流中脈動擴張，kg/(m·s3)。

2 LNG泄漏擴散CFD模型建立與驗證

2.1 Falcon系列實驗簡述

Falcon系列實驗是美國國家重點實驗室-勞倫斯利物莫實驗室(LLNL)，以研究障礙物對LNG泄漏擴散的阻擋及LNG泄漏氣云在復(fù)雜障礙物下的擴散行為為目的所進行的系列現(xiàn)場大型實驗。該系列實驗總共進行5次LNG泄漏試驗，LNG通過1個多出口溢出的“蜘蛛”式溢流管線，溢出到矩形水池(60 m×40 m×0.76 m)中?！爸┲搿笔揭缌鞴芫€由4只臂組成，每只臂與相鄰的臂相距90°，單臂長11.6 m，出口直徑為0.114 m和0.038 m(僅4號實驗)，LNG在水面上方直接向下釋放(見圖1)。水池中的水循環(huán)系統(tǒng)保持水溫穩(wěn)定，使LNG蒸發(fā)率近似等于溢出率。該試驗區(qū)域為一個圍欄封閉區(qū)域，圍欄長88 m、寬44 m、高8.7 m，圍欄中高13.3 m、寬17.1 m的屏障位于水池的上風。該現(xiàn)場實驗中部署多個氣體含量傳感器，傳感器分別位于圍欄下風50 m、150 m和250 m處，高度分別為1 m、5 m、11 m和17 m。Falcon系列實驗的LNG溢流速率為8.7～30.3 m3/min，溢出量為20.6～66.4 m3，溢流時間為78～301 s?，F(xiàn)場在2 m高度測得的風速范圍為1.7～5.2 m/s，大氣條件為中性至穩(wěn)定。

2.2 LNG泄漏擴散模型

通過FLACS-CASD，以Falcon系列實驗現(xiàn)場布置為參考，1∶1建立如圖2所示障礙物下的LNG泄漏擴散模型。阻礙LNG擴散的障礙物為圍欄和屏障，4個LNG泄漏孔分別位于水池中央的4段溢流管線的末端，視LNG泄漏速率與汽化速率相同，6個含量監(jiān)測點布置如圖3所示。

因Falcon系列實驗中2號和5號實驗存在不同程度的數(shù)據(jù)缺失，所以本次驗證選取實驗報告中Falcon系列1號、3號和4號實驗相關(guān)數(shù)據(jù)[14]，對有障礙物的情況下LNG泄漏擴散模型進行定性和定量評價驗證，相關(guān)現(xiàn)場實驗參數(shù)見表1。本次建立的LNG泄漏擴散模型，所有泄漏及環(huán)境參數(shù)均參照表1設(shè)置。

表1 Falcon系列1、3、4號實驗參數(shù)表實驗編號單孔泄漏直徑/mm管線壓力/MPa單孔泄漏體積流量/(m3·min-1)總泄漏體積流量/(m3·min-1)總泄漏質(zhì)量流量/(kg·s-1)泄漏時間/s平均風速/(m·s-1)環(huán)境溫度/℃大氣穩(wěn)定度風向泄漏孔坐標1號114.30.4487.17528.72101311.732.8G(6.9, -2.4)3號114.30.2764.72518.91381544.134.9D(9.0, 0.7)4號38.10.8622.1758.7643015.231.1D/E(9.2, -1.3)(-37.5, -7.5, 0.5)(-22.5, -7.5, 0.5)(-22.5, 7.5, 0.5)(-37.5, 7.5, 0.5)

2.3 擴散模型有效性定性評價

經(jīng)過模擬，得到3組數(shù)值模擬結(jié)果，因篇幅原因，僅取3組實驗的不同點位的模擬預(yù)測值和Falcon實驗值進行有效性定性評價，分別取Falcon 1號實驗的M3和M4點、Falcon 3號實驗的M5和M6點，以及Falcon 4號實驗的M2和M3點的時間-含量數(shù)據(jù)[13]，繪制數(shù)值模擬預(yù)測值與Falcon實驗值曲線進行對比，結(jié)果分別如圖4～圖6所示。分析時間-含量曲線可以看出，在有障礙物的情況下，1號和3號實驗LNG擴散時間-含量曲線的模擬值與現(xiàn)場實驗吻合，4號實驗泄漏量較小，泄漏時間最長，LNG擴散趨勢和含量也完全和現(xiàn)場實驗結(jié)果相吻合，定性說明了建立的模型的有效性。

2.4 擴散模型有效性定量評價

一般定量評價需對各監(jiān)測點的每個時間點的含量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計偏差分析，但由于現(xiàn)場實驗與數(shù)值模擬無法精確統(tǒng)計兩者間在各個相同時間點的含量值，此方法可行性低。為了定量評價該氣體擴散模型的有效性，本研究采用LNG泄漏擴散模型偏差評價標準進行評價[14]。該標準是通過對相對平均偏差(MRB)、幾何平均偏差(MG)、幾何方差(VG)、相對均方誤差(MRSE)、歸一化均方誤差(NMSE)和FAC2參數(shù)進行計算和判斷，達到評價目的。評價中分別統(tǒng)計各監(jiān)測點的最大濃度值，然后計算3組實驗的數(shù)值模擬值和Falcon實驗值的各個偏差[13]，得到偏差統(tǒng)計評價結(jié)果，如表2所列。結(jié)果表明，F(xiàn)alcon系列實驗與模擬預(yù)測值的各項評價偏差值均在合理有效的范圍之內(nèi)，因此可認為建立的模型是有效的。經(jīng)過定性和定量評價，證明建立的氣體擴散模型的有效性。

表2 模擬預(yù)測值與Falcon系列實驗實測偏差值統(tǒng)計結(jié)果評價參數(shù)NMSEMRBMGVGMRSEFAC2評價標準<4.00-0.40～0.400.67～1.50<3.30<2.300.50～2.00理想值001101Falcon 10.080.271.321.080.080.76Falcon 30.040.171.181.030.030.85Falcon 40.01-0.110.901.010.011.11有效性合理合理合理合理合理合理

3 裝卸作業(yè)LNG泄漏擴散數(shù)值模擬與分析

3.1 裝車區(qū)三維模型

以現(xiàn)場實際情況為參考，使用FLACS-CASD建立裝車區(qū)三維模型，如圖7所示。裝車區(qū)由5輛槽車、裝車罩棚等組成，罩棚長40 m、寬22 m、高8 m。裝卸作業(yè)時，鶴管與槽車連接的部位位于車后，當LNG快速接頭發(fā)生密封圈失效時，泄漏點位于槽車后方，泄漏點坐標為(0, 0, 0.8)，如圖7所示。為監(jiān)測LNG泄漏后不同位置的可燃氣體的含量變化規(guī)律，在離地面高度0.65 m，沿槽車左右和車后依次共設(shè)置15個氣體含量監(jiān)測點，M1-M5位于泄漏點上風向，M6-M10位于泄漏點下風向，M11-M15位于槽車后方(見圖7)，坐標具體參數(shù)如表3所列。

表3 監(jiān)測點坐標參數(shù)m監(jiān)測點坐標監(jiān)測點坐標監(jiān)測點坐標M1(0, -1.5, 0.65)M6(0, 1.5, 0.65)M11(1.5, 0, 0.65)M2(0, -3, 0.65)M7(0, 3, 0.65)M12(3, 0, 0.65)M3(0, -4.5, 0.65)M8(0, 4.5, 0.65)M13(4.5, 0, 0.65)M4(0, -6, 0.65)M9(0, 6, 0.65)M14(6, 0, 0.65)M5(0, -7.5, 0.65)M10(0, 7.5, 0.65)M15(7.5, 0, 0.65)

3.2 泄漏參數(shù)

LNG裝卸作業(yè)時，LNG接頭密封圈失效形式有密封圈缺失、密封圈斷裂、密封圈磨損等[15]。在本次LNG泄漏數(shù)值模擬中，考慮最嚴重的泄漏情況為密封圈完全缺失，其次為密封圈部分缺失。

LNG裝卸作業(yè)過程中，介質(zhì)溫度為-162 ℃，鶴管接頭處管內(nèi)流壓為0.7 MPa，管徑為DN50，泄漏時間為120 s，對于不同密封圈失效工況，分析計算得出相應(yīng)的泄漏速度，取不同的環(huán)境參數(shù)，得到不同工況下泄漏基礎(chǔ)參數(shù)(見表4)。

表4 裝卸作業(yè)LNG泄漏參數(shù)項目泄漏工況等效泄漏孔徑/mm風速/(m·s-1)泄漏質(zhì)量流量/(kg·s-1)離地高度/m大氣穩(wěn)定度TEST 1密封圈部分缺失4.73無風0.200.8FTEST 2密封圈完全缺失6.69無風0.40 0.8FTEST 3密封圈部分缺失4.732 0.20 0.8FTEST 4密封圈完全缺失6.692 0.400.8F

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.3.1監(jiān)測點含量

通過模擬，得到4組15個點位不同泄漏工況下可燃氣體含量隨時間變化曲線，分別如圖8～圖11所示。在無風環(huán)境下，LNG泄漏擴散最初20 s，因空氣阻礙，擴散前緣形成LNG氣云堆積，含量高。隨著LNG持續(xù)泄漏，氣云持續(xù)向周圍擴散，泄漏后30 s，監(jiān)測點含量達到穩(wěn)定。120 s泄漏停止，在大氣作用下，氣體繼續(xù)擴散，含量迅速下降。在有風環(huán)境下，氣體擴散的不定常性和隨機性明顯，含量波動性大。受到風場影響，上風向可燃氣體含量極低，下風向可燃氣體含量很高。

相同位置處可燃氣體含量與密封圈缺失程度和所處風場位置有關(guān)，密封圈缺失程度越嚴重，位于下風向，距離泄漏點越近，可燃氣體含量越高。

在LNG裝卸作業(yè)時，發(fā)生快速接頭密封圈缺失造成泄漏，以5%(體積分數(shù)，下同)為爆炸下限(LEL)，在0.65 m的高度上，各個不同泄漏工況下造成的危險氣體LEL擴散最遠距離也不同。分析時間-含量曲線，得到如圖12所示的0.65 m高度不同泄漏工況下氣體擴散最遠距離。泄漏量越大，環(huán)境風速越大，氣體LEL擴散距離越遠。

3.3.2擴散含量分布

分別取4組數(shù)值模擬泄漏擴散過程中的40 s、80 s、120 s和140 s時刻，地面高度為0.5 m時可燃氣體體積分數(shù)為5%～15%的分布圖，進行密封圈失效工況下LNG泄漏擴散含量分布規(guī)律分析。

無風環(huán)境下，密封圈部分缺失和完全缺失LNG泄漏擴散的規(guī)律相同，所以僅對最危險的泄漏工況，即密封圈完全缺失情形下LNG泄漏模擬結(jié)果進行分析，可燃氣體含量隨時間變化結(jié)果如圖13所示。由圖13可以看出，在無風條件下，泄漏過程前40 s，LNG泄漏后，氣云向四周以環(huán)狀均勻擴散。80 s后，由于槽車和罩棚區(qū)等障礙物的存在，LNG泄漏后形成的重氣云沿著槽車底部擴散時，氣云運移方向受到限制，導(dǎo)致槽車底部、車頭和車尾可燃氣體集中，含量高，危險程度高。

有風環(huán)境下，密封圈部分缺失和完全缺失LNG泄漏擴散的規(guī)律相同，所以僅對密封圈完全缺失數(shù)值模擬結(jié)果進行分析，數(shù)值模擬結(jié)果如圖14所示。因為存在風場，40 s時，泄漏點左邊裝卸車區(qū)域，可燃氣體擴散受到阻礙，擴散速度慢，右邊無障礙，擴散速度快，危險區(qū)域范圍右邊大于左邊。80 s后，在泄漏點左邊槽車和裝卸車區(qū)域，由于障礙物的存在，使得風速減緩，大氣湍流復(fù)雜，裝車區(qū)域可燃氣體被稀釋速度小于右邊無障礙區(qū)，使得裝車區(qū)的危險區(qū)域比右邊范圍更廣。

對比分析不同環(huán)境因素下的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在有風條件下，大氣對氣云的稀釋非常明顯，有效降低了整體危險區(qū)域范圍。風在通過障礙物時，其稀釋和運移氣云的能力降低，使得裝車區(qū)局部可燃氣體含量較高，危險程度高。

通過模擬結(jié)果可以看出，在0.5 m的高度上，不同泄漏工況下的危險含量氣體擴散范圍不同。總結(jié)擴散規(guī)律分布，得到不同泄漏工況下氣體LEL擴散最大范圍，如圖15所示。在密封圈完全缺失，無風條件下，可燃氣體擴散的范圍最廣，LNG泄漏后擴散形成一個直徑約為58.0 m可燃氣體危險燃燒爆炸區(qū)域。

3.3.3可燃氣體云團及TNT當量

通過數(shù)值模擬，得到4種不同工況下的等量化學式可燃氣體云團體積變化規(guī)律和最大值。從圖16可以看出，在無風環(huán)境下，從泄漏開始可燃氣體云團量直線增長，約127 s后停止增長，迅速下降。在有風環(huán)境下，氣云的增加速度較慢，約125 s后開始下降。

在4種不同泄漏工況下，于120 s泄漏停止后，可燃氣體云團量均在繼續(xù)增長，形成最大可燃氣體云團量的時間均在120 s以后的一段時間內(nèi)。原因在于，120 s后擴散仍在持續(xù)，大氣稀釋的速度小于云團自身擴散的增加速度，氣云量繼續(xù)增加，一段時間后，可燃氣體云團量增加速度開始小于大氣稀釋速度，氣云量開始下降。

LNG裝卸作業(yè)時，因密封圈損壞導(dǎo)致LNG泄漏，形成的可燃氣體云團量會受到環(huán)境風速和密封圈損壞狀態(tài)的影響。環(huán)境越穩(wěn)定，密封圈損失越嚴重，形成的可燃氣體云團量越大。其中，在無風環(huán)境下，密封圈缺失工況形成的可燃氣體云團量最大，為278.7 m3。按照常用的TNT當量法計算[16]，計算得到不同泄漏工況下的可燃氣體云團TNT當量(見表5)，最大可燃氣體云團(甲烷體積分數(shù)為5%～15%)TNT當量為7.99～23.98 kg。

表5 可燃氣體云團體積和TNT爆炸當量項目LNG泄漏總量/kg可燃氣體云團總量/m3TNT爆炸當量/kgTEST 124 93.52.68～8.05TEST 248278.77.99～23.98TEST 324 21.60.62～1.86TEST 448 64.6 1.85～5.56

4 結(jié)論

(1) 通過Falcon現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的定性及定量評價，驗證了建立的LNG泄漏擴散模型的有效性。

(2) LNG裝卸作業(yè)時，接頭處密封圈缺失導(dǎo)致LNG發(fā)生泄漏后，相同位置處可燃氣體含量與密封圈缺失程度和環(huán)境因素有關(guān)，密封圈缺失越嚴重，泄漏點同側(cè)距離泄漏點越近，可燃氣體含量越高。在0.65 m高度上，有風環(huán)境下，密封圈完全缺失，氣體LEL擴散距離最遠，其距離超過8 m。

(3) 受到泄漏量和環(huán)境因素影響，密封圈缺失越嚴重，大氣條件越穩(wěn)定，氣體擴散范圍越廣。0.5 m高度上，密封圈完全缺失，無風環(huán)境下，氣體LEL擴散范圍最大，區(qū)域直徑約為58 m。

(4) 形成的可燃氣體云團體積受到密封圈缺失程度和環(huán)境因素影響，無風環(huán)境下，密封圈完全缺失，形成的可燃氣體云團體積最大，體積約為178.7 m3，TNT爆炸當量最大約為24 kg。

(5) LNG泄漏擴散，具有重氣擴散特征。高度越低，擴散范圍越廣；在有風條件下，氣體擴散濃度波動加強，擴散方向不定常性和隨機性越明顯，有效降低了危險區(qū)域范圍。裝車區(qū)障礙物較多，空間狹窄流動性差，氣體聚集，燃燒爆炸的危險程度最高。