帶壓LNG泄漏遇阻液池預測模型研究

王曉瑋，鮑 磊

(1.中國石化安全工程研究院，山東青島 2661012.化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266101)

帶壓LNG泄漏遇阻液池預測模型研究

王曉瑋1,2，鮑 磊1,2

(1.中國石化安全工程研究院，山東青島2661012.化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島266101)

在液化天然氣(LNG)站場，帶壓LNG泄漏后極易撞擊到周圍設施或建筑物進而增加形成液池的規(guī)模。針對帶壓LNG泄漏閃蒸遇阻開發(fā)了液池預測模型，并與實驗數(shù)據(jù)進行了對比，結果表明模型與數(shù)據(jù)吻合度較好。

LNG泄漏 閃蒸 液池預測模型

目前，國內外對于LNG液池擴散開展了大量的實驗和理論研究，形成了較為成熟的理論[1-3]，而在帶壓液體閃蒸領域開展的研究較少，如H.-W.Chiang在1998年開展了帶壓水閃蒸實驗，并開發(fā)了帶壓閃蒸模型[4]；DNV在2002年開發(fā)了UDM模型，可以較為準確地預測帶壓液體的閃蒸規(guī)律[5]；Gexcon開展了帶壓LPG的閃蒸實驗，并開發(fā)了帶壓LPG的閃蒸預測模型[6]；但對于帶壓LNG泄漏閃蒸尚未研究。

本文重點研究帶壓LNG泄漏閃蒸遇阻后液池形成規(guī)律，并開發(fā)相應的預測模型，為開展LNG液池擴散提供有效的基礎數(shù)據(jù)，進而準確評估帶壓LNG泄漏后的風險。

1 帶壓LNG泄漏閃蒸遇阻過程

帶壓液體泄漏噴出遇到障礙物，在一定條件下，會形成液池。帶壓液體泄漏閃蒸遇阻分為4個過程：泄漏閃蒸、噴射膨脹、噴射偏轉、噴射撞擊，如圖1所示。

圖1 帶壓液體泄漏閃蒸受阻過程示意

a)閃蒸區(qū)：帶壓液體泄漏噴出，液體由于壓力驟降處于過熱狀態(tài)，發(fā)生閃蒸，這時認為流體全部為噴出介質，尚沒有外界空氣混入。

b)噴射膨脹區(qū)：閃蒸流體發(fā)生大面積膨脹，并同時卷入周圍的空氣，形成介質氣體、介質液體、空氣等共存的混合物。

c)噴射偏轉區(qū)：閃蒸流體混合物(包含空氣)在遇到障礙物前由于繞流運動發(fā)生擾動，形成噴射偏轉。

d)噴射碰撞區(qū)：閃蒸流體撞上障礙物。

2 帶壓LNG閃蒸遇阻成液預測模型理論計算

帶壓LNG泄漏噴出后發(fā)生閃蒸；剩余LNG在噴射中受到表面張力及重力等作用，逐漸破裂成大小不一的液滴，當液滴直徑大于某一臨界直徑時，認為該液滴在落到地面時會形成液池；液滴直徑小于臨界直徑的，則在降落過程完全氣化。因此，閃蒸LNG液滴的粒徑分布規(guī)律和臨界粒徑值是準確預測液池量的關鍵[7]。本文將重點研究LNG液滴的粒徑分布規(guī)律和臨界液滴直徑，其中偏轉區(qū)域的截面積和速度至關重要。

2.1 帶壓LNG閃蒸基本狀態(tài)參數(shù)計算

在計算LNG閃蒸時，需要判定LNG泄漏時的狀態(tài)。首先定義LNG的過冷度X，用于判定LNG噴出時是否發(fā)生相變，并進而求得LNG泄漏時的質量流速G(kg/m2·s)；以計算LNG泄漏后閃蒸時的狀態(tài)參數(shù)。這里做如下假設：①在閃蒸區(qū)域，只存在氣液兩相態(tài)天然氣；②帶壓LNG從泄漏口噴出4～8個漏孔直徑的距離處發(fā)生氣化，由于距離較短，認為該處LNG速度為泄漏噴射速度；③閃蒸的LNG在膨脹末端界面為圓形分布；④膨脹呈現(xiàn)錐形分布，膨脹角度為5°[8]；⑤噴射偏轉區(qū)域分為氣液混合區(qū)和空氣區(qū)。

(1)

(2)

(3)

(4)

D2=D1+2(S1-y1)tan(α)

(5)

式中：xg——氣液混合物中氣相質量分數(shù)；

Te——出口溫度，K；

Tnbp——物質標準沸點，K；

L——LNG氣化潛熱，kJ/kg；

A1——氣化開始時截面積，m2；

U1——出口速度，m/s；

ρm——噴射液體發(fā)生氣化后的混合物密度，kg/m3；

CP——LNG的定壓比熱，kJ/kg·K；

D1——噴射發(fā)生閃蒸時的截面積直徑，m；

D2——噴射閃蒸末端發(fā)生偏轉時的截面積直徑，m；

α——噴射膨脹角，一般取5°；

S1——噴射口到障礙間距離，m；

y1——噴射偏轉處到障礙物間距離，m。

2.2 帶壓液體閃蒸遇阻成液率計算

2.2.1臨界液滴直徑計算

定義無量綱參數(shù)斯托克數(shù)St。斯托克斯數(shù)表征顆粒松弛時間和流體特征時間的比。

臨界液滴直徑由公式(6)～(9)計算得到。

(6)

(7)

(8)

(9)

μc——空氣粘度，Pa·s；

Td——液滴響應時間，s；

Tf——渦旋從轉折點到障礙物的時間，s；

d——液滴直徑，m；

ρl0——儲存條件下LNG密度，kg/m3。

2.2.2成液率計算

已知帶壓LNG遇阻成液的臨界液滴直徑，一般采用Sauter值來表征液滴粒徑分布，如公式(10)～(12)所示。

(10)

(11)

f=(1-Fm(dc))(1-xg)

(12)

式中：f——成液率；

σ——液體表面張力，N/m；

d32——液滴Sauter直徑，m。

3 計算模型驗證

目前國內外尚無開展過帶壓LNG的閃蒸遇阻實驗，利用Gexcon開展的帶壓LPG實驗數(shù)據(jù)作為對比參數(shù)，實驗數(shù)據(jù)如表1所示[6]。

表1 Gexcon帶壓LPG閃蒸實驗部分數(shù)據(jù)

上述模型的計算值與帶壓丁烷閃蒸實驗數(shù)據(jù)的對比見圖2。由圖2可以看出，該計算模型計算出來數(shù)據(jù)基本都處在實驗數(shù)據(jù)區(qū)間內，吻合度較好。

圖2 計算值與實驗數(shù)據(jù)值對比

4 結論

本文給出了帶壓LNG閃蒸遇阻過程及其成液率的計算模型，與現(xiàn)有LPG實驗數(shù)據(jù)對比，模型的吻合度較好，可以初步作為預測帶壓LNG閃蒸遇阻成液率的計算模型工具。下一步可開展帶壓LNG閃蒸遇阻實驗，并與模型計算結果進行對比，評估模型的可靠性并對模型進行進一步的改進。

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StudyonPredictionModelofLNGLeakageResistanceReservoirwithPressure

Wang Xiaowei1,2, Bao Lei1,2

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao, 266101 2.State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals, Shandong, Qingdao, 266101)

In LNG stations, LNG with pressure leaks can easily impact the surrounding facilities or buildings and increase the size of the formation of the liquid bath. A prediction model of liquid bath was developed for flashing resistance of LNG leakage, and the experimental results were compared with the experimental data. The results show that the model is in good match with the data.

LNG leakage; flashing; liquid bath prediction model

2016-10-20

王曉瑋，工程師，安全評價師，2007年畢業(yè)于青島理工大學，現(xiàn)在中國石化安全工程研究院從事風險評價方面的工作，研究領域：天然氣、LNG安全。