基于FLACS的船對船LNG加注過程中的泄漏擴(kuò)散分析

黃國良,曹蛟龍,張海濤,周斌，梁斌,馮雨翔

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452;2.中國船級社 武漢規(guī)范研究所，武漢430022;3.武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，武漢 430063)

隨著液化天然氣(LNG)行業(yè)的發(fā)展，船舶采用LNG作為動力燃料也越來越普遍[1]，為了減少集裝箱船舶的靠港時(shí)間從而提高作業(yè)效率，一般加注LNG燃料的同時(shí)進(jìn)行集裝箱起吊同步作業(yè)由此帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)不可忽視。未見采用傳統(tǒng)的評估方式對此類作業(yè)場景進(jìn)行精細(xì)的量化分析的報(bào)道，隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件的進(jìn)一步發(fā)展，引入定量計(jì)算已經(jīng)成為行業(yè)趨勢[2]。

現(xiàn)有的LNG泄漏擴(kuò)散計(jì)算軟件主要有：TNO EFFECTS，基于TNO黃皮書[3]中公開的理論模型，可用于易燃、火災(zāi)、爆炸和毒性危害的二維模擬分析；由DNV開發(fā)PHAST，基于自有UDM(Universal Dispersion Model)以及內(nèi)嵌的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式組成的擴(kuò)散計(jì)算模型的二維模擬軟件，該模型及公式用戶無法知曉[4]；挪威GEXCON公司開發(fā)的FLACS，基于孔隙率(PDR)技術(shù)的三維CFD計(jì)算軟件，集成近40年的實(shí)際試驗(yàn)的數(shù)據(jù)修正，用于模擬易燃?xì)怏w的釋放、分散、通風(fēng)和爆炸等[5]。除此以外，一些通用的CFD軟件，例如,Fluent，可以通過自定義參數(shù)的方式模擬LNG的泄漏、蒸發(fā)、擴(kuò)散等問題，但是相較以上專業(yè)的擴(kuò)散仿真軟件計(jì)，使用過程繁雜且未經(jīng)過針對LNG物料特性的修正。

針對船對船LNG加注同步作業(yè)過程中的泄漏案例，選用FLACS軟件進(jìn)行模擬。

1 同步作業(yè)船舶參數(shù)及加注碼頭

國際氣體燃料動力船協(xié)會(The Society for Gas as a Marine Fuel)認(rèn)為同步作業(yè)(SIMOP(s))：LNG加注所附加的一個(gè)或多個(gè)同時(shí)進(jìn)行的其他活動和(或)操作，其相互作用可能對安全、船舶完整性和(或)環(huán)境造成不利影響。

本文分析的同步作業(yè)指：采用12 000 m3LNG加注船對23 000 TEU集裝箱受注船進(jìn)行加注的同時(shí)進(jìn)行集裝箱的裝卸作業(yè)。

12 000 m3LNG 運(yùn)輸加注船的主要功能為裝載LNG 進(jìn)行船對船和船對岸的加注、反輸/補(bǔ)液服務(wù)，船舶外形及布置見圖1,基本參數(shù)見表1。

表1 12 000 m3LNG運(yùn)輸加注船參數(shù) m

圖1 12 000 m3LNG運(yùn)輸加注船

23 000 TEU超大型集裝箱船為受注船，船舶外形見圖2,基本參數(shù)見表2。

圖2 23 000 TEU集裝箱運(yùn)輸船

表2 23 000 TEU集裝箱運(yùn)輸船參數(shù) m

選取洋山港一期碼頭為作業(yè)碼頭，碼頭岸線全長1 600 m，配備5個(gè)集裝箱深水泊位，碼頭前沿水深16 m，可停靠第五、第六代集裝箱船。

圖3 洋山港集裝箱裝卸碼頭一期

2 FLACS計(jì)算參數(shù)、模型及場景

在FLACS軟件中建立加注船、受注船,以及加注碼頭的三維模型(見圖4)，盡可能還原圖紙細(xì)節(jié)，重點(diǎn)關(guān)注加注接頭位置及周圍的布置，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 船舶模型

依據(jù)設(shè)計(jì)選取最大高程差場景進(jìn)行仿真計(jì)算，分別為受注集裝箱船滿載加注船空載，加注接頭高程差4.35 m(加注船高于受注船)；受注集裝箱船空載加注船滿載，加注接頭高程差-2 m(加注船低于受注船)。

加注船采用首部集管區(qū)的布置為2液1氣，氣相/液相及接頭均為：8 in(DN200)，LNG溫度為-163 ℃，管路設(shè)計(jì)壓力1.05 MPa，加注傳輸壓力1.0 MPa以內(nèi)，分析共涉及18個(gè)場景，分別包括氣相、液相管路破裂，破口尺寸包括典型的1/10、1/2及全口徑，風(fēng)向平行船長(由首至尾)和垂直船長方向，船舶兩種高差(4.35 m和-2.0 m)。

3 計(jì)算結(jié)果

仿真計(jì)算場景見表3。

表3 計(jì)算場景描述及結(jié)果

計(jì)算云圖見圖5。

圖5 計(jì)算結(jié)果云圖

對比分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)同樣泄漏條件下(泄漏口徑、壓力、物料參數(shù)、環(huán)境條件等)，液相泄漏的LNG總物質(zhì)量大于氣相泄漏，液相泄漏擴(kuò)散到空氣中的量取決于蒸發(fā)速率，但受到環(huán)境條件影響，泄漏距離與泄漏量并不呈現(xiàn)比例增加。

2)1/10泄漏口徑情況下，液相/氣相的擴(kuò)散范圍基本可控制在加注平臺范圍內(nèi)，部分場景由于狹縫效應(yīng)，會在半圍蔽空間形成不易擴(kuò)散的可燃蒸氣云。

3)1/2泄漏口徑情況下，液相/氣相的擴(kuò)散范圍基本可以蔓延至甲板以上范圍，從而對同步作業(yè)造成影響。

4)全泄漏口徑情況下，液相/氣相的擴(kuò)散范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，風(fēng)向?yàn)榇L方向時(shí)可蔓延全船長度；風(fēng)向?yàn)榇瑢挿较驎r(shí)，集裝箱滿載可蔓延甲板以上約25 m，集裝箱船空載時(shí)刻可蔓延全部甲板寬度。

5)在1/2口徑和全口徑泄漏時(shí)，可能會在下風(fēng)向形成獨(dú)立的云團(tuán)，部分情況可能會飄至船尾甲板，全口徑較為明顯，場景12，見圖6。

圖6 獨(dú)立云團(tuán)

6)基于以上計(jì)算擬合出可燃蒸氣云最大擴(kuò)散范圍，見圖7。

圖7 可燃?xì)怏w最大擴(kuò)散范圍

全口徑泄漏情況下，可燃蒸氣云擴(kuò)散范圍最大，風(fēng)向沿船長方向時(shí)可蔓延至全船長度；風(fēng)向沿船寬方向時(shí)，集裝箱滿載可蔓延甲板以上約25 m，集裝箱船空載時(shí)刻可蔓延全部甲板寬度。

4 結(jié)論

1)1/10口徑泄露場景，同步作業(yè)基本不受影響；1/2口徑泄露，部分區(qū)域受到影響；全口徑泄漏，發(fā)生概率極低，但是一旦發(fā)生會造成大面積的可燃蒸氣云集聚，應(yīng)采取保護(hù)措施避免此類泄漏，如使用拉斷閥等安全設(shè)備。

2)在較大口徑泄露時(shí)，由于湍流的存在，部分可燃蒸氣云團(tuán)可能脫離穩(wěn)定的擴(kuò)散區(qū)域，形成獨(dú)立的云團(tuán)，此類云團(tuán)，通常超出使用定性以及二維定量分析方法給出的安全區(qū)域，建議采用三維CFD計(jì)算方法進(jìn)行分析。其形成原因推測為，三維風(fēng)場中部位區(qū)域?yàn)榈惋L(fēng)速區(qū)，其換氣速度低于環(huán)境中的平均值，一旦可燃蒸氣云聚集在此類區(qū)域形成獨(dú)立的云團(tuán)，其擴(kuò)散軌跡則形成了新的危險(xiǎn)區(qū)域。

3)可參考計(jì)算得到的可燃蒸氣云擴(kuò)散范圍來劃定加注作業(yè)的安全區(qū)域，在加注作業(yè)期間，該區(qū)域可能存在NG/LNG泄漏，如遇點(diǎn)火源可發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故。作業(yè)期間不允許無關(guān)人員進(jìn)入，且不得有點(diǎn)火源。