水幕抑制泄漏液化天然氣擴(kuò)散模擬試驗研究

，，

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 南京 210036)

液化天然氣(LNG)由于其能量密度高和燃燒產(chǎn)物清潔無污染的優(yōu)勢，近年來的使用越來越廣泛，全國各地的LNG儲罐數(shù)量也越來越多。LNG主要成分為甲烷，甲烷在空氣中的爆炸極限為5%～15%，天然氣的熱值高，爆炸威力大，因此一旦因設(shè)備損壞或者操作失誤等導(dǎo)致泄漏，很容易造成嚴(yán)重事故和后果。同時，由于其儲存溫度低，泄漏后遇空氣易氣化形成蒸氣云團(tuán)積聚在地面附近，具有很高的危險性[1-3]。工業(yè)應(yīng)用和研究已經(jīng)證明，水幕可以用于可燃?xì)怏w在意外泄漏后的稀釋，可以防止泄漏的可燃性氣體處于爆炸極限，降低可燃?xì)怏w泄漏的燃燒爆炸風(fēng)險[4-9]。

樂濤濤等[10]設(shè)計實驗研究了在受限空間下水幕對重氣擴(kuò)散的稀釋阻擋效果，并分析了水幕對重氣擴(kuò)散的稀釋阻擋機(jī)制。潘旭海等[11]使用DEGADIS模型模擬了環(huán)境條件對LNG泄漏擴(kuò)散的影響，得出LNG泄漏后果嚴(yán)重度隨大氣穩(wěn)定度等級增加而增加的結(jié)論。Rana等[6-7]設(shè)計實驗研究了錐形水幕和扇形水幕在向上噴射時不同水幕參數(shù)對LNG 蒸氣泄漏擴(kuò)散稀釋阻隔效果的影響，得出并提出2種水幕對LNG 蒸氣泄漏擴(kuò)散稀釋的機(jī)制。Kim等[12]使用ANSYS Fluent 12.1建立了向上噴射全錐面水幕強(qiáng)迫LNG蒸氣云擴(kuò)散的歐拉-拉格朗日模型，提出水幕在稀釋阻隔LNG 蒸氣云時各種因素所起的作用，并設(shè)計實驗對模型的推測結(jié)果進(jìn)行了驗證。由于LNG泄漏狀況受多種條件影響，且水幕防護(hù)LNG泄漏受到多種環(huán)境變量影響，難以得出通用的水幕防護(hù)參數(shù)[13-15]。

目前水幕阻隔LNG重氣云擴(kuò)散研究以向上噴射的水幕的防護(hù)效果為主，有關(guān)向下噴射水幕對LNG泄漏防護(hù)的研究較少，缺少可供參考的向下噴射水幕在防護(hù)LNG泄漏情況下的水幕參數(shù),文中對此展開試驗研究。

1 LNG泄漏擴(kuò)散及水幕抑制試驗

1.1 試驗介質(zhì)

LNG泄漏產(chǎn)生的蒸氣云團(tuán)易燃、易爆，直接使用LNG進(jìn)行泄漏擴(kuò)散試驗危險性非常大。氮氣無色、無味、無腐蝕性且不燃，微溶于水，與天然氣分子量相近，液氮泄漏時形成的重氣云沿著地面擴(kuò)散形式與LNG泄漏時形成的重氣云沿地面擴(kuò)散形式非常相似，是較為理想的LNG試驗替代物。文中以液氮為試驗介質(zhì)，近似模擬LNG的試驗效果。

1.2 試驗裝置

1.2.1試驗平臺系統(tǒng)組成[16]

水幕防護(hù)LNG泄漏試驗平臺構(gòu)成見圖1。此試驗平臺包括4個組成部分，分別是模擬儲罐泄漏系統(tǒng)、水幕系統(tǒng)、影像采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖中1、2、3、4、5為x方向上等間距(0.1 m)放置的5個檢測儀。

圖1 水幕防護(hù)LNG泄漏試驗平臺示圖

1.2.2模擬儲罐泄漏系統(tǒng)

模擬儲罐泄漏系統(tǒng)的主體裝置為液氮罐。液氮罐體積30 L，型號為YDZ-30，外接輸送管。輸送管采用金屬軟管制作，軟管內(nèi)徑5.2 mm，外部有橡塑材料保溫覆層。整個試驗過程中，保持泄漏量和泄漏口高度不變，泄漏量為0.5 L/min,泄漏口距離地面高度為0.2 m。

1.2.3水幕系統(tǒng)裝置設(shè)計

水幕系統(tǒng)裝置實物圖見圖2。圖2中，水幕系統(tǒng)管路呈正方形，由8個噴嘴圍成。噴嘴共有2種類型，分別為扇形噴嘴和實心錐形噴嘴。扇形噴嘴的噴射角度為110°，噴孔直徑為0.66 mm,接口內(nèi)徑為8 mm；實心錐形噴嘴的噴射角度為60°，噴孔直徑為1.0 mm,接口內(nèi)徑為8 mm。水幕系統(tǒng)裝置管路接入高壓水源，自上向下噴淋，水流量控制為8 L/min。

圖2 水幕系統(tǒng)裝置

試驗中，水幕噴淋高度可調(diào)，水幕與泄漏源的間距可調(diào)。水幕噴淋高度選項設(shè)置為0.5 m、0.6 m、0.7 m，水幕與泄漏源的間距選項設(shè)置為0.25 m、0.30 m、0.35 m、0.40 m。通過控制水幕高度這一單一變量試驗驗證最佳水幕高度，通過控制水幕距離這一單一變量試驗驗證最佳水幕距離。

1.2.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在泄漏源到水幕的距離方向上設(shè)置5個氧氣體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測點，在距離泄漏源0.1～0.5 m處按順序放置1號～5號檢測儀，相鄰檢測儀間距0.1 m，測量高度均為0.2 m。

將采集到的環(huán)境氧氣體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，計算機(jī)將5個監(jiān)測點的環(huán)境氧氣體積分?jǐn)?shù)換算成環(huán)境氮氣體積分?jǐn)?shù)，并且計算出環(huán)境氮氣體積分?jǐn)?shù)的變化量。

1.3 試驗方案

設(shè)置5組試驗用于探究水幕架設(shè)高度、水幕與泄漏源距離、水幕形狀以及環(huán)境風(fēng)速等變量對水幕抑制LNG擴(kuò)散防護(hù)效果的影響，試驗方案設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 水幕防護(hù)LNG泄漏試驗方案設(shè)計參數(shù) mm

2 LNG泄漏擴(kuò)散及水幕抑制試驗結(jié)果及分析

2.1 無水幕空白試驗

2.1.1試驗現(xiàn)象分析

不設(shè)水幕，同時保持無環(huán)境風(fēng)進(jìn)行空白試驗，現(xiàn)場效果見圖3。從圖3可以觀察到，液氮泄漏后會沿著管內(nèi)液體流動方向繼續(xù)向前擴(kuò)散，同時向下擴(kuò)散，形成的蒸氣云擴(kuò)散得越遠(yuǎn)就越靠近地面，接觸到地面后會沿著地面向更遠(yuǎn)處繼續(xù)蔓延擴(kuò)散，這與文獻(xiàn)[13]所述的LNG蒸氣云重氣擴(kuò)散階段相似。

圖3 無水幕空白試驗現(xiàn)場效果圖

2.1.2試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)無水幕空白試驗得到的泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)分布見圖4。

圖4 無水幕空白試驗泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)分布

從圖4可看出，氮氣體積分?jǐn)?shù)隨著蒸氣云到氮氣泄漏口距離的增大而減小。位置越靠近泄漏口，氮氣的體積分?jǐn)?shù)就越大；隨著擴(kuò)散距離的增大，遠(yuǎn)處的氮氣由于重氣效應(yīng)下沉，同時氣體向四周擴(kuò)散，同一高度同一水平線上檢測點的氮氣體積分?jǐn)?shù)隨距離增大而減小。

2.2 水幕架設(shè)高度影響試驗

2.2.1試驗現(xiàn)象分析

改變水幕架設(shè)高度進(jìn)行試驗，現(xiàn)場效果見圖5。試驗中無環(huán)境風(fēng)，泄漏源距離地面高度為0.2 m，水幕距離泄漏源0.25 m。

圖5 水幕架設(shè)高度影響試驗試現(xiàn)場效果圖

由圖5a可以觀察到，扁平扇形水幕直接與蒸氣云接觸，水幕構(gòu)成的屏障與蒸氣云接觸形成了一道清晰可見的分隔界面。分析認(rèn)為，氮氣是難溶于水的氣體，因此水幕無法將其吸收，更多的是依靠自身形成的屏障阻止蒸氣云向外擴(kuò)散，無法向外擴(kuò)散的蒸氣云只能沿著垂直地面的水幕向上或向下擴(kuò)散。水幕高度有限，下落至地面時二者接觸產(chǎn)生的動量較小，同時水幕與泄漏源較近，無法將周圍空氣向上卷起在水幕內(nèi)部形成湍流，因此無法形成改變蒸氣云擴(kuò)散方向的效果。

由圖5b可以觀察到的現(xiàn)象與圖5a觀察到的現(xiàn)象類似，扇形水幕成的緊密屏障阻隔了液氮泄漏產(chǎn)生的不溶性蒸氣云，抑制了蒸氣云繼續(xù)向前擴(kuò)散，其在地面附近形成的空氣湍流仍然不足以使得重氣云團(tuán)形成固定的擴(kuò)散路徑。通過綜合分析認(rèn)為，構(gòu)想通過水幕與地面接觸形成向上的氣流將蒸氣云抬起從而改變其擴(kuò)散方向，還需進(jìn)一步提高水幕架設(shè)高度才能夠?qū)崿F(xiàn)。

從圖5c中可以觀察到，液氮泄漏形成的蒸氣云不是直線擴(kuò)散到并且直接與水幕相撞，而是在擴(kuò)散了一小段距離后才被水幕內(nèi)部的空氣湍流擾亂并稀釋，向上的空氣氣流將蒸氣云抬升，使其擴(kuò)散方向發(fā)生改變。這說明0.7 m高的水幕下落后有足夠的動量使其在與地面接觸后將周圍空氣卷起，形成向上的空氣湍流，帶動蒸氣云改變擴(kuò)散方向，抑制蒸氣云沿地面的重氣擴(kuò)散，加速空氣與蒸氣云混合，稀釋水幕內(nèi)部的氣體云團(tuán)。

2.2.2試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)水幕架設(shè)高度試驗數(shù)據(jù)得到的泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)分布見圖6。

圖6 水幕架設(shè)高度影響試驗泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)分布

從圖6可以看出，3種架設(shè)高度的水幕對泄漏氣體的擴(kuò)散都具有一定的抑制效果，0.6 m和0.7 m架設(shè)高度的水幕作用效果比0.5 m架設(shè)高度的水幕更明顯。水幕架設(shè)高度為0.7 m時，氮氣體積分?jǐn)?shù)下降最快，距離泄漏口越遠(yuǎn)氮氣體積分?jǐn)?shù)降低的趨勢越平緩，這種效果得益于水幕內(nèi)部產(chǎn)生的空氣湍流改變了氮氣蒸氣云的擴(kuò)散路線，使其從直線擴(kuò)散改變?yōu)榍€向上擴(kuò)散，減少了蒸氣云與水幕的直接接觸。當(dāng)水幕架設(shè)高度為0.5 m時，5個檢測點的氮氣體積分?jǐn)?shù)都比較高，說明0.5 m架設(shè)高度的水幕抑制效果并不理想。當(dāng)水幕架設(shè)高度為0.6 m時，5個檢測點的數(shù)據(jù)表明其抑制效果沒有0.7 m架設(shè)高度水幕的好，試驗中也沒有觀察到重氣形成明顯的上升湍流，說明0.6 m架設(shè)高度的水幕也能產(chǎn)生空氣流動，但效果不明顯。

2.2.3試驗綜合分析

結(jié)合圖5和圖6，綜合分析水幕架設(shè)高度與泄漏氣體擴(kuò)散抑制效果之間的關(guān)系，形成的研究結(jié)論為，采用向下噴射水幕抑制泄漏氣體的擴(kuò)散，水幕的架設(shè)高度宜不小于泄漏源距離地面高度的3倍。

2.3 水幕與泄漏源距離影響試驗[17]

2.3.1試驗現(xiàn)象分析

改變水幕到氮氣泄漏源的距離進(jìn)行試驗，現(xiàn)場效果見圖7。試驗中無環(huán)境風(fēng)，水幕架設(shè)高度為0.5 m。

圖7 水幕與泄漏源距離影響試驗現(xiàn)場效果圖

由圖7a可以觀察到，泄漏生成的蒸氣云團(tuán)直接與水幕相撞，一部分云團(tuán)穿過水幕向外擴(kuò)散，還可以觀察到垂直水幕阻隔蒸氣云向外擴(kuò)散形成的分界線，在分界線處被阻隔的蒸氣云無法直接通過改向上或向下擴(kuò)散，分界線外的蒸氣云沿地面擴(kuò)散。

由圖7b和圖7c都可以觀察到，自上向下的水幕與地面接觸時產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)將空氣卷起，產(chǎn)生向上流動的氣流在水幕內(nèi)部擾亂氮氣蒸氣云的擴(kuò)散，在水幕內(nèi)部將泄漏氣體向上抬升，改變泄漏蒸氣擴(kuò)散方向，更好地稀釋泄漏氣體，避免了云團(tuán)積聚而濃度過高。

對比由圖7a、圖7b和圖7c觀察到的現(xiàn)象可知，水幕距離泄漏源0.3 m時，蒸氣云抬升的傾角小于距離泄漏源0.35 m的水幕，但相對于距離泄漏源0.25 m水幕的稀釋效果有明顯提升。

2.3.2試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)水幕與泄漏源距離影響試驗得到的泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)分布見圖8。

圖8 水幕與泄漏源距離影響試驗泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)分布

由圖8可以知道，水幕距離泄漏源0.25 m時，氮氣體積分?jǐn)?shù)明顯高于水幕距離泄漏源0.3 m和0.35 m時的數(shù)據(jù)，這是因為水幕距離泄漏源較近時，地面附近空氣流動較小，不利于稀釋擴(kuò)散泄漏產(chǎn)生的蒸氣云。水幕與泄漏源距離0.3 m和0.35 m時，抑制效果基本相當(dāng)，泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)都處于一個較小的數(shù)值區(qū)間。

研究圖8中水幕距離泄漏源0.35 m數(shù)據(jù)曲線發(fā)現(xiàn)，從距離泄漏源0.5 m位置讀取的對應(yīng)泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)基本與環(huán)境空氣的氣體組成相當(dāng)，這種結(jié)果可以解釋為水幕架設(shè)在與泄漏源距離0.35 m的位置時對氮氣的稀釋效果最好，同時這種解釋并不排除水幕架設(shè)高度改變氮氣蒸氣云團(tuán)擴(kuò)散方向，使之呈現(xiàn)出向上擴(kuò)散趨勢所起到的有益作用。

2.3.3綜合分析

結(jié)合圖7和圖8，綜合分析水幕與泄漏源距離與泄漏氣體擴(kuò)散抑制效果之間的關(guān)系，形成的研究結(jié)論為，要使水幕對LNG蒸氣云產(chǎn)生良好的稀釋效果，則水幕與泄漏源的距離不可太近。本試驗中水幕距離泄漏源0.35 m時的稀釋效果就十分明顯，可以作為水幕防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計的參考。

2.4 水幕形狀影響試驗

2.4.1試驗現(xiàn)象分析

改變水幕形狀進(jìn)行試驗，現(xiàn)場效果見圖9。試驗中無環(huán)境風(fēng)，水幕與泄漏源的距離設(shè)為0.25 m，水幕高度為0.5 m，扇形噴嘴的噴淋水幕形狀是110°的扁平扇形，實心錐形的噴淋水幕形狀是60°的倒錐形。

圖9 水幕形狀影響試驗現(xiàn)場效果圖

觀察并對比圖9a和圖9b可知，在相同的噴嘴間隔條件下，錐形水幕的噴淋角度較小(只有60°)，上方的水幕之間的空隙較大，蒸氣云易從中穿過，這個缺點使錐形水幕的防護(hù)效果大打折扣。但錐形水幕在距離泄漏源較近時產(chǎn)生的圓錐形水霧直接與蒸氣云接觸，可以提高低溫蒸氣云的熱交換速度，云團(tuán)溫度上升可以減少處于重氣擴(kuò)散的階段，減小地面氣體的體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)錐形水幕與泄漏源的距離較遠(yuǎn)無法直接接觸泄漏擴(kuò)散的蒸氣云時，其效果則沒有在水幕內(nèi)部產(chǎn)生空氣湍流的扇形水幕好。

水幕形狀影響試驗還發(fā)現(xiàn)，使用相同數(shù)量的噴嘴時，扇形水幕比錐形水幕的覆蓋面積大，噴淋角度較小的錐形水幕之間的間隔較大，不利于蒸氣云的阻隔。從相同高度向下噴淋時，由于錐形水幕是擴(kuò)散型的水滴，靠近地面處的水幕強(qiáng)度并不大，因而當(dāng)水流量不足時，錐形水幕的密度不夠大，易被蒸氣云團(tuán)穿透。同時錐形水幕與地面接觸時無法產(chǎn)生如扇形水幕那樣的向上氣流，因此在自上向下噴淋時錐形水幕比扇形水幕的效果差。

2.4.2試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)水幕形狀影響試驗得到的泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)分布見圖10。

圖10 水幕形狀影響試驗泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)分布

圖10表明，氮氣在扇形水幕內(nèi)外的體積分?jǐn)?shù)均低于錐型水幕的。結(jié)合圖9的試驗現(xiàn)象分析可知，扇形水幕和實心錐形水幕在距離泄漏源0.25 m時，扇形水幕覆蓋面積大，產(chǎn)生的空氣湍流可以改變蒸氣云的擴(kuò)散方向，稀釋地面重氣云濃度，效果好于錐形水幕。

2.5 環(huán)境風(fēng)速影響試驗[18]

2.5.1試驗現(xiàn)象分析

改變環(huán)境風(fēng)速進(jìn)行試驗，現(xiàn)場效果見圖11～圖13。試驗中，水幕與泄漏源的距離設(shè)置為0.25 m，水幕架設(shè)高度為0.5 m，水體積流量8 L/min，水幕形狀為扇形。

圖11 無環(huán)境風(fēng)影響水幕試驗現(xiàn)場效果圖

圖12 風(fēng)速0.5 m/s水幕試驗現(xiàn)場效果圖

從圖12可看到，0.5 m/s的風(fēng)速影響有限，僅對泄漏口處的蒸氣云擴(kuò)散有一定的影響。

從圖13可以看到，風(fēng)速達(dá)到1 m/s時，環(huán)境風(fēng)透過水幕，與水幕的機(jī)械效應(yīng)產(chǎn)生的微小氣流混合在水幕內(nèi)部形成空氣湍流，加快泄漏口形成的蒸氣云擴(kuò)散，向外擴(kuò)散的蒸氣云被氣流擾亂稀釋，密度減小的蒸氣云在空氣湍流作用下向上漂浮擴(kuò)散，阻止了重氣云沿地面擴(kuò)散的趨勢，且空氣湍流使得蒸氣云與周圍空氣的熱交換加劇，從而使得蒸氣云溫度上升，密度下降，濃度降低[19]。

2.5.2試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)環(huán)境風(fēng)速影響試驗得到的泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)分布見圖14。

圖14 環(huán)境風(fēng)速影響試驗泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)分布

對比圖14中各條曲線上距離泄漏口0.1 m位置的體積分?jǐn)?shù)可知，風(fēng)速越大，泄漏口處的蒸氣云氣體體積分?jǐn)?shù)越小。對比圖14中各條曲線上距離泄漏口0.4 m位置對應(yīng)的泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)可知，1 m/s的風(fēng)速在水幕內(nèi)部產(chǎn)生空氣湍流，改變了蒸氣云的擴(kuò)散方向，降低穿過水幕的氣體量，可以起到很好的稀釋作用。

3 結(jié)語

采用液氮替代LNG進(jìn)行模擬試驗，研究水幕對LNG泄漏擴(kuò)散的抑制效果。在文中試驗條件下，形成如下研究認(rèn)識。

(1)自上向下噴淋時，扇形水幕與地面接觸帶來的機(jī)械效應(yīng)在方形水幕內(nèi)部會產(chǎn)生向上的氣流，可以改變蒸氣云團(tuán)擴(kuò)散的軌跡，從水平擴(kuò)散變?yōu)橄蛏蠑U(kuò)散，可以更好地稀釋儲罐周圍積聚的蒸氣云團(tuán)。

(2)架設(shè)高度為0.7 m的水幕帶來的機(jī)械效應(yīng)可以更好地稀釋液氮泄漏產(chǎn)生的重氣云團(tuán)，避免因水幕阻隔而大量積聚在儲罐周圍。水幕架設(shè)高度為泄漏源高度的3倍以上時，效果更佳。

(3)水幕與泄漏源的距離不宜太近，0.35 m的距離可以獲得明顯的擴(kuò)散蒸氣稀釋效果。

(4)對大面積蒸氣云團(tuán)的沿地面擴(kuò)散，扇形水幕的抑制效果較實心錐形水幕的好。

(5)環(huán)境風(fēng)速小于1 m/s時對水幕抑制重氣云擴(kuò)散的效果影響不大。而風(fēng)速達(dá)到1 m/s時，環(huán)境風(fēng)透過水幕在水幕內(nèi)部形成空氣湍流，加快泄漏口處形成的蒸氣云擴(kuò)散，向外擴(kuò)散的蒸氣云被氣流擾亂稀釋，阻礙了重氣云沿地面擴(kuò)散的趨勢。