針對(duì)浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置不同形狀儲(chǔ)罐的重氣泄漏擴(kuò)散研究

余建星，張 龍，劉 源，周清基

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

目前在海洋工程領(lǐng)域，有超過10 000座固定的、浮體的和水深達(dá)1 000 m的移動(dòng)式海洋平臺(tái)。除此之外，還有超過3.2×105km的海管和5 000只船舶作為這些海洋平臺(tái)開發(fā)、鉆探、生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)妮o助設(shè)備。然而與此同時(shí)，各種海難事故（船舶的碰撞、擱淺、腐蝕疲勞破壞、沉船、火災(zāi)、爆炸等）不斷發(fā)生，其中尤以重氣泄漏造成的后果最為突出，如1988年P(guān)iper Alpha鉆井平臺(tái)的爆炸，引發(fā)了海洋工程界對(duì)重氣泄漏的研究。

部分有毒有害氣體泄漏到空氣中后，會(huì)由于物質(zhì)的分子量比空氣的大（如氯氣）、較低的環(huán)境溫度（如液化天然氣，以下簡(jiǎn)稱LNG）、較高的儲(chǔ)存壓力（如氨氣泄漏形成的煙霧）、化學(xué)轉(zhuǎn)變（如氟化氫的聚合）等原因形成了比空氣重的氣云，稱為重質(zhì)氣體（簡(jiǎn)稱重氣，heavy gas）。對(duì)于浮式儲(chǔ)卸油生產(chǎn)系統(tǒng)（即FLNG），當(dāng)它的儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏時(shí)，由于儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG處于低溫高壓狀態(tài)，當(dāng)泄漏發(fā)生后會(huì)在高壓作用下從泄漏點(diǎn)噴射到空氣中。當(dāng)其接觸周圍暖空氣時(shí)，會(huì)迅速閃蒸，一部分物質(zhì)形成蒸氣，其余部分呈現(xiàn)液體狀態(tài)，以保持氣液平衡，但同時(shí)相當(dāng)一部分的液態(tài)物質(zhì)以液滴的方式霧化在蒸氣介質(zhì)中，形成含有液滴夾帶的混合蒸氣云團(tuán)，使得云團(tuán)平均密度大于空氣密度，形成重氣。在實(shí)際發(fā)生的氣體泄漏擴(kuò)散事故中，在泄漏源或擴(kuò)散過程中往往存在不同類型的障礙物（如建筑物等），由于障礙物的存在，改變了大氣的流動(dòng)，使得有障礙物情況下的重氣擴(kuò)散過程更為復(fù)雜[1-5]。

國外對(duì)氣體泄漏的研究由來已久，也形成了成熟的理論體系，并建立了詳細(xì)的分析模型，如高斯模型（包括高斯煙羽模型、高斯煙團(tuán)模型、高斯軌跡煙云模型等）、FEM3模型、BM模型等。但這些模型一般僅考慮常規(guī)氣體，大多并未涉及重質(zhì)氣體，因此對(duì)于分析重氣擴(kuò)散存在一定的局限性[6-8]。

隨著人們逐漸認(rèn)識(shí)到研究重氣在泄漏問題中的重要性，各國開始紛紛針對(duì)重氣進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，其中最著名的重氣試驗(yàn)就是Thorney Island系列實(shí)驗(yàn)。Thorney Island系列實(shí)驗(yàn)是在英國南海岸的一個(gè)廢棄的空軍基地Thorney Island上進(jìn)行的。該系列試驗(yàn)證明，由于建筑物的存在，迎風(fēng)面距離地面較高的位置氣云的濃度要比靠近地面背風(fēng)面位置的濃度高，但在高處高濃度的停留時(shí)間要比低處高濃度的停留時(shí)間短，完全和平坦地形時(shí)的情況相反。主要原因有：建筑物的存在改變了大氣的流動(dòng)，同時(shí)由于氣體的浮力作用，產(chǎn)生了向上的速度，使得氣云會(huì)沿著建筑物前沿向上方擴(kuò)散，形成局部的高濃度區(qū)，增大了重氣在垂直方向的危害范圍；重氣的重力作用和空氣的稀釋作用使得氣體上升的趨勢(shì)減弱，同時(shí)由于風(fēng)遇到建筑物壁面后產(chǎn)生了橫向的左右分流，使得風(fēng)夾帶的氣體在遷移擴(kuò)散過程中也產(chǎn)生了橫向的左右分流，在縱向和橫向渦旋的共同作用下，氣體會(huì)繞過建筑物。當(dāng)氣流繞過建筑物后，在背風(fēng)區(qū)產(chǎn)生了速度虧損和渦旋現(xiàn)象，形成一個(gè)空腔區(qū)，空腔區(qū)內(nèi)的回流作用使重氣長(zhǎng)時(shí)間積聚在此處而不易擴(kuò)散開來，形成了高濃度區(qū)。在重氣擴(kuò)散過程中，重力擴(kuò)展階段及障礙物附近會(huì)產(chǎn)生回流。這就是重氣理論中著名的低壓卷吸理論[9-11]。

從低壓卷吸的理論中可以看出，在重氣擴(kuò)散過程中一旦遇到障礙物就會(huì)形成低壓卷吸，障礙物是決定低壓卷吸的關(guān)鍵要素。本文針對(duì)FLNG上儲(chǔ)罐，分別對(duì)矩形儲(chǔ)罐和圓柱形儲(chǔ)罐這兩種常用形狀儲(chǔ)罐進(jìn)行模擬，得出決定低壓卷吸形成的要素，從而為儲(chǔ)罐形狀的選擇提供參考。

1 模型建立

分別建立矩形儲(chǔ)罐及擴(kuò)散區(qū)域模型和圓柱形儲(chǔ)罐及擴(kuò)散區(qū)域模型。由于在考慮泄漏問題中，主要研究的是泄漏氣流動(dòng)的流域，需要的模型是船體除去甲板上設(shè)備的區(qū)域。因此需要在擬擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)減去各儲(chǔ)罐，從而得到泄漏區(qū)域計(jì)算模型，如圖1～圖2所示。矩形儲(chǔ)罐長(zhǎng)、寬、高均為10 m，圓柱形儲(chǔ)罐半徑5.65 m，高10 m，保證矩形儲(chǔ)罐與圓柱形儲(chǔ)罐容量相同；最外層為模擬擴(kuò)散區(qū)域，長(zhǎng)100 m，寬60 m，高50 m，保證研究范圍的充分，避免因?yàn)檠芯糠秶^小導(dǎo)致的結(jié)果誤差。

圖1 矩形儲(chǔ)罐及擴(kuò)散區(qū)域模型

圖2 圓柱形儲(chǔ)罐及擴(kuò)散區(qū)域模型

2 模擬結(jié)果

由于LNG在儲(chǔ)罐中屬于高壓儲(chǔ)存，泄漏后會(huì)瞬間高速噴射，因此設(shè)定LNG的泄漏速率為20 m/s。模擬結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 矩形儲(chǔ)罐泄漏后的速度分布云圖

圖4 矩形儲(chǔ)罐泄漏后的速度矢量圖

從圖3、圖4可以看出，在矩形儲(chǔ)罐背風(fēng)處有一塊區(qū)域的風(fēng)速很低，這將造成此處氣壓很低。當(dāng)重氣云團(tuán)穿越儲(chǔ)罐達(dá)到該區(qū)域時(shí)，由于氣體黏度，高能氣會(huì)向低能氣轉(zhuǎn)向逐漸改變運(yùn)動(dòng)方向；接觸過程中高能氣會(huì)與低壓區(qū)內(nèi)的低能氣交換能量，低能氣獲得能量后開始沿風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向運(yùn)動(dòng)，高能氣損失能量速度逐漸降低，直至能量平衡。這在宏觀上表現(xiàn)為繞過障礙物的高能氣開始向低能區(qū)中心轉(zhuǎn)向，速度降低直至被吸入該區(qū)域，并長(zhǎng)期停留在此，形成局部高濃度區(qū)域。這一結(jié)果也驗(yàn)證了Thorney Island系列實(shí)驗(yàn)對(duì)背風(fēng)處低壓卷吸的結(jié)論。

從圖5、圖6中可以看出，在泄漏剛開始的階段，由于儲(chǔ)罐的存在，儲(chǔ)罐背風(fēng)處的空氣速度近似為零。隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，在空氣黏度的影響下，繞過儲(chǔ)罐邊緣的高能氣逐漸將動(dòng)能傳遞給背風(fēng)處的空氣，使得背風(fēng)處空氣開始逐漸運(yùn)動(dòng)。此時(shí)的空氣速度方向是向前的，并沒有回旋形成卷吸。這與矩形儲(chǔ)罐的情況是完全不同的。

矩形儲(chǔ)罐的情況下，由于沒有曲率，繞過儲(chǔ)罐的空氣會(huì)第一時(shí)間在空氣湍流的作用下，向低壓區(qū)移動(dòng)，改變運(yùn)行方向，并迅速將能量傳遞給低能氣，從而造成速度虧損，形成儲(chǔ)罐背風(fēng)處的低壓卷吸成。但在圓柱形儲(chǔ)罐和球形儲(chǔ)罐的情況下，由于儲(chǔ)罐存在大曲率，導(dǎo)致迎風(fēng)面空氣速度在湍流作用下沿儲(chǔ)罐表面運(yùn)動(dòng)，不斷改變運(yùn)動(dòng)方向，因此在繞過儲(chǔ)罐后，空氣速度在空氣黏度的影響下直接傳遞給低能氣，但卻并沒有明顯的速度方向的改變。這一情況就會(huì)形成圖5、圖6的結(jié)果，即在繞過儲(chǔ)罐后，泄漏氣體在邊緣區(qū)會(huì)有小幅的速度衰減，這是因?yàn)槟芰總鬟f；而原本靜止在背風(fēng)處的靜止空氣則在空氣黏度的影響下獲得了初始動(dòng)能，開始沿泄漏空氣場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，并且速度從外到內(nèi)逐漸降低，從而形成圖5、圖6中的虛擬風(fēng)場(chǎng)源。

圖5 圓柱形儲(chǔ)罐泄漏后的速度分布云圖

3 結(jié)論

圖6 圓柱形儲(chǔ)罐泄漏后的速度矢量圖

（1）本文建立的模型所得結(jié)果符合重氣擴(kuò)散過程的低壓卷吸理論，能夠在一定程度上較為準(zhǔn)確地反映重氣泄漏后擴(kuò)散的真實(shí)物理情況，對(duì)海上平臺(tái)安全具有一定的指導(dǎo)意義。

（2）通過模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，不同形狀的障礙物對(duì)于重氣擴(kuò)散的低壓卷吸有影響，矩形儲(chǔ)罐背風(fēng)處形成了低壓卷吸區(qū)，而圓柱形儲(chǔ)罐背風(fēng)處并沒有形成低壓卷吸區(qū)，而是形成了局部的虛擬泄漏源，兩者有本質(zhì)不同。

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