基于PHAST軟件的LNG接收站泄漏擴散模擬分析

昃 彬 中海油石化工程有限公司 濟南 250101

近年來，國家非常重視LNG產業(yè)的發(fā)展，在沿海地區(qū)相繼規(guī)劃和建設了多個LNG接收站。LNG接收站的主要功能包括：LNG的接收、儲存和增壓氣化。LNG是以甲烷為主要組分的烴類混合物，另外還有少量的乙烷、丙烷、氮等組分，具有火災爆炸的危險性，另外，還可能引起人員凍傷、窒息。

因此，分析研究LNG的泄漏擴散問題，了解其運動規(guī)律，有助于為LNG接收站的布置、LNG泄漏后應急處置措施的確定及警戒范圍的劃定等提供依據(jù)。LNG泄漏擴散過程較復雜，涉及氣液相變、多組分輸送、湍流流動、熱量傳遞等動態(tài)過程。目前對LNG泄漏擴散的研究主要集中在泄漏源大小、環(huán)境條件(如風速、溫度、濕度、大氣穩(wěn)定度)等對泄漏擴散的作用效果上，但針對LNG接收站在不同壓力狀態(tài)下的LNG泄漏、是否能到達地面形成液池，以及集液池收集對擴散的影響研究較少。

由DNV開發(fā)的工藝危險源分析軟件工具(Process Hazard Analysis Software Tool，簡稱PHAST軟件)，是基于自有UDM(Universal Dispersion Model)以及內嵌經驗計算公式組成擴散計算模型的二維模擬軟件[1]。本文運用PHAST 8.0版本，以某LNG接收站為模擬分析對象，選取在不同壓力狀態(tài)下的LNG泄漏單元，對泄漏擴散進行模擬研究，較全面地分析在連續(xù)泄漏、瞬時泄漏工況下，泄漏擴散的影響因素。

1 LNG泄漏擴散機理分析

本文主要研究的是液化天然氣(LNG)以液相流出。泄漏流出的驅動力是與環(huán)境之間的壓差，并與儲存物質的熱力學狀態(tài)有關。因LNG的儲存溫度高于正常沸點，因此，泄漏的LNG會發(fā)生閃蒸，泄漏后最終溫度是其正常沸點溫度(-161℃左右，還與其組分有關)。

LNG蒸發(fā)的氣體為無色，但因為溫度很低，使得卷吸進入氣云的水蒸氣發(fā)生冷凝，形成可見氣云。蒸氣云從周圍環(huán)境卷吸空氣，不斷沿著地面擴散并向著下風方向運動。一般認為擴散過程分為四個階段：重力沉降階段、空氣卷吸階段、重氣擴散向非重氣擴散轉變階段和被動擴散階段[2]。

LNG泄漏工況通常分為瞬時泄漏和連續(xù)泄漏兩種[3]。瞬時泄漏是指容器或管道由于人為或者自然災害的破壞瞬間完全失效；連續(xù)性泄漏是指泄漏口面積遠小于容器或管道的橫截面積，與LNG存量相比是相對較小的流出率(泄漏速率)，可認為是準平穩(wěn)的連續(xù)泄漏[4]。

不論是瞬時泄漏還是連續(xù)泄漏，應判斷是否能到達地面形成液池。若形成液池，LNG會吸收地面熱量，繼續(xù)蒸發(fā)，返回到氣云中。液池的蒸發(fā)率受平均液池溫度、液池表面積和傳熱系數(shù)等因素控制。泄漏到地面的液池會以泄漏源為圓心向四周擴展。若泄漏源周圍不存在障礙物，液池表面積會不斷增大，此時液池表面積是泄漏時間的函數(shù)[5]。

2 LNG泄漏模擬分析

2.1 泄漏模擬分析相關參數(shù)

目前大型LNG儲罐均采用全容式混凝土儲罐，即使內罐發(fā)生泄漏，外罐也能夠容納泄漏的物料，可以起到物理隔離的作用，因此，不考慮LNG儲罐本身的事故破裂。泄漏單元的劃分，需考慮工藝單元的介質相態(tài)、操作參數(shù)、設備布置、緊急切斷閥的布置等因素。

本文以某接收站為模擬分析對象，選取在三個不同壓力狀態(tài)下的LNG泄漏單元，各泄漏單元操作條件見表1。

表1 各泄漏單元的操作條件

模擬所用的LNG摩爾組成為甲烷：86.35%、乙烷:8.25%；丙烷:3.05%；丁烷:2.25%、氮氣:0.1%。大氣環(huán)境溫度為21.6℃，太陽熱輻射強度為0.2kw/m2，相對濕度為80%。

2.2 連續(xù)泄漏工況模擬結果與分析

2.2.1 不同泄漏孔尺寸的影響

為研究不同泄漏孔尺寸的影響，本節(jié)根據(jù)《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》(GB/T 37243-2019)6.4.4節(jié)對各泄漏孔徑的取值范圍劃分，分別選擇小孔泄漏(5mm)、中孔泄漏(50mm)、大孔泄漏(100mm)進行模擬，結果對比見表2。

表2 各泄漏單元不同泄漏孔尺寸下的泄漏結果(泄漏高度1m)

結果表明，對同一泄漏單元，泄漏孔尺寸越大，泄漏速率越大。在相同泄漏孔尺寸下，泄漏前系統(tǒng)壓力越高，泄漏速率越大。

泄漏后最終溫度是其正常沸點溫度，另外泄漏結果還包括閃蒸后的液體質量百分比、平均液滴尺寸等。由表2可知，同一泄漏單元不同泄漏孔尺寸的液體質量百分比、液滴平均尺寸均相同，說明閃蒸后的液體質量百分比、平均液滴尺寸與泄漏孔尺寸無關；液體質量百分比、液滴平均尺寸與泄漏前后介質的熱力學狀態(tài)有關，泄漏前系統(tǒng)壓力越高，形成的液滴尺寸越小。

2.2.2 不同泄漏單元、不同風速對液池形成的影響

在相同泄漏高度下，本節(jié)模擬了不同風速(2、5、10m/s)，各泄漏單元小孔泄漏(5mm)、中孔泄漏(50mm)、大孔泄漏(100mm)是否可形成液池，結果對比見表3。

LNG閃蒸后會形成具有一定速度的兩相噴射流。隨后在環(huán)境中可不斷卷吸、夾帶空氣。PHAST軟件可計算泄漏后液滴的平均尺寸，并跟蹤其軌跡，以確定是否能到達地面形成液池。

對比結果表明，泄漏單元3形成的平均液滴尺寸足夠小(95.20μm)，可在空氣中形成氣溶膠，直接在空氣中蒸發(fā)，不會在地面形成液池。泄漏單元1、2的小孔泄漏(5mm)，雖然形成的液滴尺寸較大(341.59μm、261.53μm)，但因泄漏速率小，液滴在到達地面前可完全蒸發(fā)。泄漏單元2的中孔泄漏(50mm)，當風速到達10m/s時,無液池形成，說明風速越大，可加大與空氣對流，有利于液滴在到達地面前完全蒸發(fā)。

表3 不同泄漏單元、不同風速對形成液池的影響(泄漏高度1m)

2.2.3 不同泄漏高度對液池形成的影響

本節(jié)選取泄漏單元2的中孔泄漏(50mm)模型，模擬了不同泄漏高度對液池形成的影響，分別選取了60m、5m、1m的泄漏高度。模擬結果見表4。

表4 不同泄漏高度對形成液池的影響(風速2m/s)

結果表明，若泄漏高度足夠高，液滴可在降落過程中可完全蒸發(fā)。因此，對于連續(xù)泄漏工況，能否形成液池受平均液滴尺寸大小、泄漏高度、泄漏速率、環(huán)境風速等因素的影響。若液滴足夠小或在到達地面前完全蒸發(fā)，則無法形成液池。

2.3 瞬時泄漏工況模擬結果與分析

各泄漏單元若發(fā)生瞬時泄漏(完全破裂)，泄漏模擬結果見表5。

表5 不同泄漏單元瞬時泄漏結果(泄漏高度1m，風速2m/s)

根據(jù)TNO黃皮書《Methods for the calculation of physical effects》，發(fā)生瞬時泄漏時，能否形成液池取決于瞬時閃蒸率。帶到空氣中的液體量等于2倍的閃蒸量，若閃蒸率大于0.5，則液體全部帶走，地面無液池形成[6]。

由表5結果可知，若發(fā)生瞬時泄漏(完全破裂)，泄漏量大，各泄漏單元以液體為主，均在地面形成液池。

3 氣云擴散模擬分析

3.1 泄漏量對氣云擴散的影響

對于連續(xù)泄漏工況，本節(jié)首先模擬了不同泄漏孔尺寸對氣云擴散的影響，選取泄漏單元1，小孔泄漏(5mm)、中孔泄漏(50mm)、大孔泄漏(100mm)的氣云擴散情況見表6。

表6 連續(xù)泄漏工況不同泄漏孔尺寸對氣云擴散的影響(風速2m/s，泄漏高度1m)

由表6可知，連續(xù)泄漏工況下，泄漏孔尺寸越大，泄漏速率(單位時間泄漏量)越大，氣云擴散的影響距離越遠。

對于瞬時泄漏工況，各泄漏單元氣云擴散情況見表7。

表7 瞬時泄漏工況氣云擴散影響距離(風速2m/s，泄漏高度1m)

由表7可知，瞬時泄漏工況下，泄漏量(系統(tǒng)存量)越大，氣云擴散的影響距離越遠。

3.2 集液池收集作用對氣云擴散的影響

LNG接收站設置了泄漏收集系統(tǒng)，將泄漏到地面上的液體收集到集液池中，此時泄漏液體的擴展受到限制。本節(jié)選取泄漏單元1的中孔泄漏(50mm)模型，模擬了無集液池、不同集液池尺寸情況下的氣云擴散情況，見表8。

表8 集液池收集作用對氣云擴散的影響(風速2m/s，泄漏高度1m)

由于集液池的存在，可通過限制液池的表面積來降低蒸發(fā)率，并且提供了泄漏液體與地面之間更長的接觸時間。結果表明，無集液池收集情況下，氣云到達爆炸下限的擴散最遠距離為130.4m，設置長寬深分別為6.5×6.5×4.3m的集液池后，影響距離可降至50.1m，集液池的收集作用可明顯減低氣云擴散的影響距離。另外，在集液池容積相同(180m3)的情況下，集液池表面積越小，氣云擴散的影響距離越小。

3.3 環(huán)境風速對氣云擴散的影響

本節(jié)選取泄漏單元3的中孔泄漏(50mm)模型，模擬了三種不同風速情況下的氣云擴散情況，分別為2、5、10m/s，詳見圖1。

圖1 環(huán)境風速對氣云擴散的影響

由圖1可知，環(huán)境風速對氣云擴散有明顯的作用。風速在2m/s情況下，氣云的寬度接近120m，氣云順風到達50%爆炸下限的擴散最遠距離為392.3m；風速在5m/s情況下，氣云的寬度只有將近48.2m，氣云順風到達50%爆炸下限的擴散最遠距離降至276.8m。因此，環(huán)境風速對氣云擴散的影響主要體現(xiàn)在對氣云的輸送作用以及對加大與氣云的對流，起稀釋作用[7]。風速越大，越有利于氣云擴散，使其不容易聚集成易爆氣云團。

4 結語

本文運用PHAST軟件，以某LNG接收站為模擬分析對象，選取了在不同壓力狀態(tài)下的LNG泄漏單元，分析了連續(xù)泄漏、瞬時泄漏工況下泄漏擴散的影響因素，得出以下結論:

(1)連續(xù)泄漏工況下，對同一泄漏單元，泄漏孔尺寸越大，泄漏速率越大。在相同泄漏孔尺寸下，泄漏前系統(tǒng)壓力越高，泄漏速率越大。閃蒸后的液體質量百分比、平均液滴尺寸與泄漏孔尺寸無關，與泄漏前后介質的熱力學狀態(tài)有關，泄漏前系統(tǒng)壓力越高，形成的液滴尺寸越小。

(2)在連續(xù)泄漏工況下，能否形成液池受平均液滴尺寸大小、泄漏高度、泄漏速率、環(huán)境風速等因素的影響。若液滴足夠小或在到達地面前完全蒸發(fā)，則無法形成液池。

(3)在瞬時泄漏工況下，泄漏量大，能否形成液池取決于瞬時閃蒸率。

(4)在連續(xù)泄漏工況下，泄漏孔尺寸越大，泄漏速率(單位時間泄漏量)越大，氣云擴散的影響距離越遠。瞬時泄漏工況下，泄漏量(系統(tǒng)存量)越大，氣云擴散的影響距離越遠。

(5)集液池的收集作用可明顯減低氣云擴散的影響距離。在集液池容積相同的情況下，集液池表面積越小，氣云擴散的影響距離越小。

(6)環(huán)境風速對氣云擴散的影響主要體現(xiàn)在對氣云的輸送作用以及加大與氣云的對流。風速越大，越有利于液化天然氣云的擴散。