低溫干式接頭密封失效泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬

董 順，馬 楊，王新聞

(中國石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司，山東青島 266400)

0 前言

根據(jù)《中國能源大數(shù)據(jù)報(bào)告(2020)》顯示，我國2019年LNG進(jìn)口量為6 025×104t，占2019年天然氣進(jìn)口總量的62.4%。LNG接收站作為接收進(jìn)口LNG、儲存LNG并外輸天然氣的基礎(chǔ)設(shè)施，在我國天然氣供應(yīng)保障和應(yīng)急調(diào)峰中發(fā)揮著重要作用。目前，我國已建成18座大型LNG碼頭接收站，在500～800 km經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑范圍內(nèi)，大中型城市采用汽車罐車運(yùn)輸LNG緩解城市天然氣用氣壓力。我國?；饭纺赀\(yùn)輸量超過2×108t，根據(jù)GB50160—2008《石油化工企業(yè)防火設(shè)計(jì)規(guī)范》火災(zāi)危險(xiǎn)性分類，LNG火災(zāi)危險(xiǎn)性屬于甲A類，是各類儲存物品中火災(zāi)危險(xiǎn)性最高一類，因此必須保障LNG裝卸作業(yè)的整體安全性[1-4]。

LNG裝卸作業(yè)傳統(tǒng)連接方式為法蘭盤，法蘭連接的安裝時(shí)間較長，潮濕環(huán)境下，拆卸法蘭時(shí)需等待解凍，并采取適當(dāng)吹掃；低溫作業(yè)工況下，螺栓容易出現(xiàn)應(yīng)力變化，導(dǎo)致螺栓松動(dòng)，甚至出現(xiàn)泄漏。鑒于以上情況，擬采用低溫干式快速接頭代替法蘭實(shí)現(xiàn)鶴管與罐車的連接，提高LNG充裝效率，保障裝卸作業(yè)的整體安全性[5-7]。

低溫干式接頭密封端面的可靠性嚴(yán)重影響LNG裝卸作業(yè)的整體安全性，密封一旦失效，會造成LNG迅速氣化擴(kuò)散，遇到火源就可能發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。因此，通過CFD軟件FLACS對低溫干式接頭密封失效后的擴(kuò)散過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了LNG泄漏擴(kuò)散的濃度分布情況，并分析了爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的變化規(guī)律。

1 泄漏模擬

1.1 泄漏參數(shù)

LNG裝卸作業(yè)通過低溫干式接頭實(shí)現(xiàn)罐車與鶴管連接，圖1為低溫干式接頭X方向截面，其中蓄能密封圈Ⅰ、蓄能密封圈Ⅱ均失效則會造成介質(zhì)泄漏。圖2為低溫干式接頭密封完全失效后泄漏示意。

圖1 低溫干式接頭X方向內(nèi)部截面

圖2 低溫干式接頭泄漏示意

對低溫干式接頭泄漏進(jìn)行簡化，可將蓄能密封圈失效的流道視為一個(gè)三通，三通入口流量為Q0，橫截面積為A0，出口流量為Q1，橫截面積為A1，三通小口處流量為Q2，面積為A2。根據(jù)流體的連續(xù)性方程(1)和伯努利方程(2)計(jì)算出流量Q2。

(1)

(2)

式中:ρ——流體密度，kg/m3，LNG取460 kg/m3；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

αa，αb——截面a，b處動(dòng)能修正系數(shù)，取1.0～1.11；

Za，Zb——截面a，b處位置能頭，m；

Pa，Pb——截面a，b處壓力能頭，Pa；

va，vb——截面a，b處de速度，m/s；

hk——流體泄漏處，收縮造成的能量損失，m；

ξ——局部阻力系數(shù)。

忽略管道壁厚，則Za=Zb，αa=αb=1,然后令

(3)

聯(lián)立式(1)(2)(3)可得到斷面泄漏流速為:

(4)

截面a處，管內(nèi)流體的管徑方向速度分量為0，則va=0,則根據(jù)不可壓縮流體連續(xù)性方程(5)，并聯(lián)立式(3)(4)可以得到截面b流出的液體流量公式，即由式(6)計(jì)算可得泄漏量。

Q=vbA1

(5)

(6)

式中:Q——LNG泄漏速度，m3/s；

A1——等效泄漏面積，m2。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)泄漏量計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算得Q2=0.26 kg/s。

1.2 物理模型

LNG罐車裝卸作業(yè)時(shí)，鶴位兩側(cè)均有罐車?？?，該裝卸區(qū)由裝車撬、工藝管線及裝車棚組成。為模擬低溫干式接頭密封失效后的泄漏過程，物理模型如圖3所示[8-10]。模型區(qū)域長80 m、寬60 m、高10 m，泄漏點(diǎn)位于罐車后方0.6 m處，裝卸流量為80 m3/h，輸送壓力為0.7 MPa，LNG泄漏質(zhì)量速度為0.26 kg/s，泄漏時(shí)間為120 s。

圖3 LNG裝卸區(qū)三維模型

1.3 計(jì)算條件

模擬過程中的計(jì)算條件：①LNG氣化擴(kuò)散過程中泄漏速率恒定，不考慮罐車內(nèi)部壓力變化；②LNG泄漏后吸收周圍環(huán)境熱量，充分氣化變?yōu)闅鈶B(tài)介質(zhì)；③不考慮風(fēng)速對氣態(tài)介質(zhì)擴(kuò)散的影響，即氣態(tài)介質(zhì)自由擴(kuò)散；④泄漏過程中不發(fā)生任何相變反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 云團(tuán)擴(kuò)散濃度與氣體泄漏量

LNG泄漏過程中，發(fā)生氣化后空間濃度逐漸升高形成一個(gè)甲烷爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。甲烷在空間各點(diǎn)處濃度會隨時(shí)間不斷變化，P1～P5分別是-Y方向上高0.65 m，距離泄漏點(diǎn)1.5 m，相互間隔1.5 m的5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，氣體泄漏時(shí)間為120 s，監(jiān)測時(shí)間為150 s。P6～P10分別是+X方向上高0.65 m，距離泄漏點(diǎn)1.5 m，相互間隔1.5 m的5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，氣體泄漏時(shí)間為120 s，監(jiān)測時(shí)間為150 s。

LNG從低溫干式接頭密封端面泄漏后不斷向遠(yuǎn)處擴(kuò)散，距離泄漏點(diǎn)較遠(yuǎn)處的空間中甲烷濃度不斷升高。圖4分別為監(jiān)測點(diǎn)高度0.65 m時(shí)P1(監(jiān)測點(diǎn))、P2、…P5甲烷濃度變化曲線，40 s后各監(jiān)測點(diǎn)濃度維持穩(wěn)定，分別為4.8%、3.1%、2.2%、1.6%、1.4%，3 m之外不處于爆炸范圍之內(nèi)。

圖4 P1～P5監(jiān)測點(diǎn)可燃?xì)怏w濃度曲線

圖5分別為監(jiān)測點(diǎn)高度0.65 m時(shí)P11(監(jiān)測點(diǎn))、P12、…P15甲烷濃度變化曲線，LNG從接頭密封面泄漏出來，各監(jiān)測點(diǎn)濃度迅速升高，40 s后濃度維持穩(wěn)定，分別為4.6%、3.2%、2.4%、1.8%、1.6%，3 m之外不處于爆炸范圍之內(nèi)。

圖5 P11～P15監(jiān)測點(diǎn)可燃?xì)怏w濃度曲線

氣體泄漏時(shí)間為120 s，LNG擴(kuò)散至裝卸區(qū)域總質(zhì)量約為30 kg，如圖6所示。泄漏的LNG全部氣化后為常溫常壓條件下的天然氣，則體積約為42.3 m3。監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)的最大可燃?xì)怏w濃度為9%，總體形成的最大等效化學(xué)當(dāng)量可燃?xì)怏w云團(tuán)量約為140 m3。

圖6 裝卸區(qū)內(nèi)可燃?xì)怏w總質(zhì)量及云團(tuán)量

2.2 泄漏氣體擴(kuò)散分布規(guī)律

在0.5 m高度，隨著泄漏的進(jìn)行，氣體云團(tuán)的范圍在不斷擴(kuò)大，120 s時(shí)達(dá)到最大，見圖7。在無障礙擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)，在泄漏點(diǎn)半徑約2 m的范圍內(nèi)氣體濃度大于15%，在泄漏點(diǎn)半徑15 m的范圍內(nèi)氣體濃度大于5%。所以，在0.5 m的高度上，形成直徑約為30 m的氣體燃燒爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。XY平面上距離泄漏點(diǎn)最遠(yuǎn)距離大約為40 m，氣體擴(kuò)散總范圍最長直徑約70 m，最短約52 m。

圖7 不同時(shí)間濃度擴(kuò)散分布(z=0.5)

在0.8 m高度時(shí)，氣體濃度幾乎都在1%～5%之間，濃度為5%～15%的氣體云團(tuán)只存在泄漏點(diǎn)周圍半徑0.5 m的范圍，見圖8。所以在0.8 m的高度處，形成了直徑約為1 m的氣體燃燒爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。

圖8 不同時(shí)間濃度擴(kuò)散分布(z=0.8)

LNG泄漏吸收空氣中的熱量，冷卻周圍空氣，在地面形成流動(dòng)層，貼近地層濃度高，遠(yuǎn)離地面濃度低，所以隨著高度的上升，氣體的可燃爆炸危險(xiǎn)區(qū)域在縮小。氣體泄漏時(shí)間為120 s時(shí)，擴(kuò)散最高處大約1.5 m，如圖9所示。

圖9 t=120 s濃度擴(kuò)散示意

3 結(jié)論

通過低溫干式接頭密封失效后泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對甲烷擴(kuò)散過程的濃度分布及擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，可以得出如下結(jié)論。

a) LNG泄漏后迅速氣化擴(kuò)散，各監(jiān)測點(diǎn)10 s之內(nèi)濃度迅速升至最高值，40 s后各點(diǎn)甲烷濃度維持穩(wěn)定，由于氣化上升現(xiàn)象明顯，所以將可燃?xì)怏w報(bào)警器安裝在泄漏點(diǎn)上方可有效檢測泄漏問題。

b) 隨著泄漏量的增加，爆炸性混合氣體在直徑70 m范圍內(nèi)擴(kuò)散，處于爆炸極限范圍之內(nèi)。

c) LNG泄漏吸收空氣中的熱量冷卻周圍空氣，在地面形成流動(dòng)層，貼近地面濃度高，遠(yuǎn)離地面濃度低，所以隨著高度的上升，氣體的可燃爆炸危險(xiǎn)區(qū)域逐步縮小。