泄漏工況下LNG燃爆事故時空演化特征

張洋杰，周 瑤，何華剛，丁金金，張方舟，佟國強

(1.應(yīng)急管理部研究中心，北京 100713；2.中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.深圳市金鼎安全技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000；4.賽飛特工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，山東 青島 266061)

0 引 言

隨著中國“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的實施，天然氣將成為其他化石能源的最佳替代品之一。而目前，中國天然氣需求主要來源于進(jìn)口，進(jìn)口天然氣的途徑共有2種：一種是通過跨國天然氣管道輸送，以中俄東線天然氣管道為代表，另一種則為進(jìn)口液化天然氣[1-2](liquefied natural gas，LNG)。而液化天然氣儲氣站作為管道沿線的重要組成，在儲運調(diào)峰、燃?xì)獍l(fā)電等方面發(fā)揮著重要的作用。其中LNG儲罐是儲氣站的主要儲存容器，LNG的儲存方式為低壓、低溫，但由于LNG液化生產(chǎn)的過程中不可避免地會混入H2O，H2S，HCL等氣體，而這些氣體在露點溫度下會變成腐蝕性液體，從而形成酸性腐蝕環(huán)境，對罐體產(chǎn)生腐蝕作用[3-4]。一旦發(fā)生泄漏，根據(jù)泄漏情形的不同，會引發(fā)蒸氣云爆炸、池火災(zāi)、噴射火等燃爆事故，易形成多米諾效應(yīng)，造成大面積火災(zāi)，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[5-6]。因此，研究LNG泄漏擴(kuò)散的時空演化規(guī)律，準(zhǔn)確預(yù)測LNG泄漏對人員財產(chǎn)的影響范圍，對應(yīng)急處置和救援具有十分重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對LNG泄漏的研究，目前主要集中在理論、相似模擬實驗、數(shù)值模擬等方面。其中理論方面主要以模型為主，包含有高斯、唯象(即經(jīng)驗)、BM(bench mark)、箱型相似、淺層理論模型等[7-9]。相似模擬實驗主要有Maplin Sands系列實驗、Burro系列實驗、Coyote系列實驗、Falcon系列實驗、Meroney實驗以及阿肯色大學(xué)危險化學(xué)品研究中心進(jìn)行的一系列風(fēng)洞試驗等[10-12]。數(shù)值模擬方面主要利用Fluent，F(xiàn)LACS(flame acceleratioin simulation)、FDS(fire dynamic simulation)等軟件進(jìn)行模擬研究。如：ZHANG等通過數(shù)值模擬不同風(fēng)向LNG泄漏情況，發(fā)現(xiàn)LNG在順風(fēng)水平方向擴(kuò)散最遠(yuǎn)[13]。MARSEGAN等基于數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)主動設(shè)置屏障可有效有效減小LNG泄漏后的擴(kuò)散范圍[14]。NGUYEN等在2017年首次通過試驗手段發(fā)現(xiàn)LNG的泄漏率與液池擴(kuò)展速度和蒸發(fā)速率呈正相關(guān)，同時根據(jù)一維熱傳導(dǎo)模型建立了蒸發(fā)速率與泄漏率和時間的函數(shù)關(guān)系[15]。

綜上所述，目前對LNG泄漏擴(kuò)散的研究主要側(cè)重于不同大氣環(huán)境對LNG擴(kuò)散距離的影響[16-20]，但針對因LNG泄漏導(dǎo)致引發(fā)連鎖反應(yīng)，發(fā)生蒸氣云爆炸、池火災(zāi)等燃爆事故的演化特征研究較少[21-24]。因此，文中結(jié)合相關(guān)風(fēng)險報告和標(biāo)準(zhǔn)，以中國廣州深圳大鵬接收站為研究對象，綜合考慮其泄漏點位置、泄漏速率、風(fēng)速、風(fēng)向以及大氣環(huán)境溫度等多種因素，對LNG接收站泄漏的擴(kuò)散過程、蒸氣云爆炸和油池火災(zāi)進(jìn)行了模擬，深入分析了因LNG接收站泄漏引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致蒸氣云爆炸與油池火災(zāi)的時空演化特征，為LNG接收站的選址、站內(nèi)布局和儲罐泄漏應(yīng)急處置提供理論依據(jù)和支撐。

1 模型構(gòu)建

1.1 FLACS數(shù)值模型

LNG接收站泄漏與蒸氣云爆炸的數(shù)值模擬均基于CFD(computational fluid dynamics)和FVM(finite volume method)方法，采用FLACS軟件進(jìn)行模擬。FLACS對氣相模型的計算主要基于以下3個流體力學(xué)基本公式[25]。

流體力學(xué)連續(xù)性方程

1)微分方程為

(1)

式中ux，uy，uz，分別為流體流動的速度矢量在x，y，z3個方向上的分量，m/s；t為流體流動的時間，s；ρ為流體密度，kg/m3。

2)流體力學(xué)動量方程

x，y，z的3個方向的動量方程為

(2)

式中P為流體微元體上的壓強，Pa；τxi，τyi，τzi因分子黏性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面的黏性應(yīng)力τ在xyz3個方向上的分量，Pa；fi為3個方向的單位質(zhì)量力，m/s2。

3)流體力學(xué)能量方程

(3)

(4)

(5)

式中E為流體微團(tuán)的總能，J/kg；h為焓，J/kg；hj為組分j的焓，J/kg；keff為有效熱導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；Jj為組分j的擴(kuò)散通量；Sh包括了化學(xué)反應(yīng)和其它定義的體積熱源項。

1.2 FDS火災(zāi)數(shù)值模型

池油火災(zāi)的模擬，采用火災(zāi)數(shù)值模擬軟件FDS?；鹧娴娜紵匠淌怯蓺怏w密度、速度矢量、外部力矢量等變量的偏微分方程構(gòu)成，牛頓流體的質(zhì)量、動量和能量的守恒方程表示如下。

牛頓流體的質(zhì)量守恒方程

(6)

動量守恒方程

(7)

能量守恒方程

(8)

理想氣體狀態(tài)方程

(9)

1.3 工況參數(shù)

LNG接收站泄漏擴(kuò)散模型環(huán)境參數(shù)參考當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，泄漏管道、LNG的理化性質(zhì)、場區(qū)防火堤的高度等參數(shù)設(shè)置參考《深圳市大鵬新區(qū)油氣庫企業(yè)和高壓管道安全風(fēng)險咨詢報告》《深圳市空港油料有限公司成品油經(jīng)營單位安全評價報告》《空港油料公司重大危險源評估報告》《空港油庫改造說明》等。參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 工況參數(shù)

點火源位置如圖1白色圓點所示，具體坐標(biāo)為(-47.5，153.5，41.1)，分別對應(yīng)XYZ軸。由圖2可知，廣東大鵬LNG接收站的敏感區(qū)包括迭福路、東部電廠和碼頭卸油區(qū)，因此針對該區(qū)域，對該場區(qū)內(nèi)1號罐頂部閥門處，分別進(jìn)行了無風(fēng)條件與風(fēng)速為5 m/s的模擬研究，總網(wǎng)格數(shù)為789 276，最小網(wǎng)格尺寸為1 m，場區(qū)模型如圖3所示；考慮因泄漏引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致池油火災(zāi)、蒸氣云爆炸事故的發(fā)生，為人員疏散以及應(yīng)急預(yù)案的編寫提供依據(jù)，因此將風(fēng)速設(shè)置1.3 m/s，泄漏速率為145.92 m/s，風(fēng)向為西北風(fēng)，大氣穩(wěn)定度F級。

圖1 點火源位置Fig.1 Ignition source location

圖2 廣東大鵬LNG接收站衛(wèi)星布局Fig.2 Satellite layout of Guangdong Dapeng LNG receiving station

圖3 廣東大鵬LNG的場區(qū)模型Fig.3 Site model of Guangdong Dapeng LNG

2 計算實例

2.1 LNG接收站泄漏模擬分析

在不同風(fēng)速條件下通過對LNG接收站泄漏模擬，發(fā)現(xiàn)LNG持續(xù)泄漏擴(kuò)散過程具有明顯的分階段特征，同時甲烷擴(kuò)散范圍在不同風(fēng)速條件下隨時間的變化也有明顯的不同。

從圖4可以看出，泄漏點在無風(fēng)條件下擴(kuò)散初期呈橢圓形擴(kuò)散，圖中藍(lán)色區(qū)域大部分為低于爆炸濃度下限(5%)，但高于0.94%的泄漏濃度。此濃度范圍以上，人員穿戴和佩戴防護(hù)用具時可不受傷害，反之亦然，因此該區(qū)域范圍為危險區(qū)域范圍。隨時間的增長橢圓形擴(kuò)散的徑向尺寸逐漸增大，當(dāng)泄漏時間到達(dá)200 s左右時橢圓形危險區(qū)域范圍開始發(fā)生破裂，并向四周蔓延擴(kuò)散，此時甲烷燃燒爆炸上限(UFL)距離、爆炸下限(LFL)距離和容許接觸濃度(0.5LFL)安全距離增加。

圖4 無風(fēng)條件下不同時刻LNG接收站泄漏擴(kuò)散情況三維圖(編號1的工況)Fig.4 Three-dimensional diagram of leakage diffusion at the LNG receiving station at different moments under windless conditions(No.1 working condition)

在無風(fēng)條件下，泄漏口設(shè)置在1號罐頂部，泄漏口方向正對東部電廠敏感區(qū)位置，且儲罐內(nèi)外存在較大壓力差，LNG泄漏濃度較大，在氣壓的作用下泄漏出來的LNG首先會向東部電廠敏感區(qū)方向徑向擴(kuò)散，釋放氣壓，在氣壓得到釋放后，再繼續(xù)橫向擴(kuò)散。泄漏發(fā)生第50 s時，泄漏的LNG已經(jīng)蔓延至場區(qū)邊緣；在泄漏發(fā)生第100 s時，泄漏的LNG造成的危險區(qū)域范圍繼續(xù)沿東部電廠方向擴(kuò)大；泄漏發(fā)生第150 s時，危險區(qū)域范圍區(qū)域已蔓延至東部電廠區(qū)域；泄漏發(fā)生第200 s時，危險區(qū)域范圍沿著東部電廠方向蔓延，并且有將整個電廠全部覆蓋的趨勢。

從圖5可以看出，泄漏點在風(fēng)速5 m/s條件下擴(kuò)散初期呈現(xiàn)徑向性擴(kuò)散。當(dāng)設(shè)置風(fēng)向為東部電廠方向時，泄漏發(fā)生第50 s時，LNG泄漏產(chǎn)生的危險區(qū)域范圍已經(jīng)擴(kuò)散到東部電廠敏感區(qū)邊緣；在泄漏發(fā)生第100 s時，LNG泄漏擴(kuò)散范圍明顯擴(kuò)大，泄漏的LNG逐漸向空中擴(kuò)散；泄漏發(fā)生第150 s時，LNG擴(kuò)散至空中高度達(dá)到將近100 m，并且整個東部電廠敏感區(qū)已經(jīng)開始被危險區(qū)域范圍所覆蓋；泄漏發(fā)生第200 s時，危險區(qū)域范圍沿著東部電廠方向進(jìn)一步擴(kuò)大，并且有將整個場區(qū)完全覆蓋的趨勢。

圖5 風(fēng)速5 m/s條件下不同時刻LNG接收站泄漏擴(kuò)散情況三維圖(編號2的工況)Fig.5 Three-dimensional diagram of leakage diffusion at the LNG receiving station at different moments under the condition of wind speed of 5 m/s(No.2 working condition)

通過將無風(fēng)條件與有風(fēng)條件進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在無風(fēng)條件下，LNG泄漏危險濃度區(qū)域橫向擴(kuò)散范圍更大；而在有風(fēng)情況下，泄漏的LNG形成的危險濃度區(qū)域向敏感區(qū)擴(kuò)散速度更快，垂直向天空擴(kuò)散的高度更高，但擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)LNG濃度范圍更小。因此，在距離泄漏點較近的敏感區(qū)內(nèi)必須設(shè)置無風(fēng)情況來考慮泄漏危險濃度對于敏感區(qū)的影響。造成這樣不同的原因為，風(fēng)速加快了大氣的湍流，使得LNG泄漏產(chǎn)生的有害濃度被稀釋消散。

2.2 蒸氣云爆炸模擬分析

為了研究LNG接收站持續(xù)泄漏時引發(fā)爆炸，不同風(fēng)速對爆炸蒸氣云濃度擴(kuò)散的影響，對編號3的工況進(jìn)行了模擬。

通過對比圖6(a)和圖6(b)，發(fā)現(xiàn)無風(fēng)條件下LNG接收站持續(xù)泄漏時引發(fā)爆炸蒸氣云濃度形成規(guī)律為：以泄漏口為起點，向東部電廠方向擴(kuò)散至罐區(qū)邊緣處(濃度在5%～15%的甲烷濃度遇火極容易發(fā)生爆炸)；風(fēng)速5 m/s條件下爆炸蒸氣云濃度形成規(guī)律為：以泄漏口為起點，向東部電廠方向擴(kuò)散至罐區(qū)邊緣，并蔓延至東部電廠與儲罐區(qū)間的小山坡地區(qū)。在此區(qū)域范圍內(nèi)遇明火則會引發(fā)爆炸事故，其爆炸范圍最遠(yuǎn)波及至電廠與儲罐區(qū)之間的小山坡地區(qū)。同時其爆炸蒸氣云濃度分布相比無風(fēng)條件，縱向(沿風(fēng)速方向)蔓延的距離更遠(yuǎn)，而橫向范圍，無風(fēng)條件下的爆炸蒸氣云濃度的范圍更廣。

圖6 不同風(fēng)速條件下爆炸蒸氣云濃度分布三維圖(編號3的工況)Fig.6 Three-dimensional diagram of concentration distribution of explosion vapor cloud under different wind speeds(No.3 working condition)

由圖7可知，爆炸的燃燒區(qū)域并未覆蓋整個爆炸極限濃度蒸汽云分布范圍，這是因為爆炸火焰產(chǎn)生的高溫?zé)彷椛涫怪車h(huán)境溫度升高，間接加熱了火焰周圍的可燃?xì)庠?，促使部分可燃?xì)庠频臐舛妊杆俳抵量扇枷孪抟韵?，?dǎo)致無法被燃燒。而由于爆炸高溫氣流所產(chǎn)生的壓力差，促使大量LNG氣云迅速爬升。此時近地面的不在可燃燒范圍內(nèi)的LNG氣云也同時向燃燒爆炸的中心涌動，隨著爆炸高溫氣流一起上升。在爆炸瞬間產(chǎn)生的超壓沖擊波的配合作用下，導(dǎo)致高溫燃燒形成抽吸作用，造成附近的LNG氣云大量減少，因此云爆最終發(fā)生在東部電廠附近，而并未發(fā)生在小山坡地區(qū)。

圖7 LNG泄漏引發(fā)爆炸燃燒區(qū)域三維效果Fig.7 Three-dimensional effect of burning area caused by LNG leakage explosion

爆炸測點由圖8綠色圓點位置M1處所示，M1的坐標(biāo)為(0.125，-400.5，10.5)。由圖9可知，爆炸初期，測點處超壓沖擊波的壓強變化劇烈，隨時間推移壓強變化頻率與沖擊波壓強的峰值逐漸減小。造成壓強值反復(fù)變化的原因可歸咎于，超壓沖擊波在傳播過程中受到了周圍障礙物的影響出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，在反彈的過程中，受到空氣阻力等影響，導(dǎo)致沖擊波的能量逐漸衰減，因此反彈回來的爆炸沖擊波壓力峰值在逐漸減小。爆炸發(fā)生360 s后，超壓沖擊波壓強值逐漸恢復(fù)到爆炸發(fā)生前狀態(tài)。

圖8 爆炸測點設(shè)置Fig.8 Setting of explosion measurement points

圖9 爆炸測點處壓強隨時間變化Fig.9 Variation of pressure with time at the explosion measurement point

由圖10可知，爆炸開始時，超壓沖擊波的值短暫上升，此后迅速下降至約2.5×10-4bar(1 bar=1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，之后在0.2 s內(nèi)超壓沖擊波又迅速到達(dá)峰值，在0.3～0.8 s時超壓沖擊波壓強值又開始迅速下降。造成超壓沖擊波壓強值波動的原因可歸咎于，前期爆炸蒸氣云受到高溫沖擊后累計釋放以及火焰運動趨勢共同作用導(dǎo)致曲線上升；隨后由于受到泄放慣性的影響，引發(fā)負(fù)壓膨脹波的形成，從而導(dǎo)致超壓沖擊波壓強值迅速下降；隨著LNG氣云與氧氣混合經(jīng)火焰射流引燃后會進(jìn)一步燃燒，促使壓力快速回升形成外部爆燃峰值，之后外場爆燃逐漸減緩壓力值也隨之下降。

圖10 爆炸測點處第0～1 s超壓沖擊波變化Fig.10 Variation of overpressure shock wave in 0～1 second at explosion measurement point

2.3 油池火災(zāi)模擬分析

為研究LNG接收站持續(xù)泄漏時引發(fā)油池火災(zāi)，其發(fā)生發(fā)展過程對廠區(qū)的影響，對編號4工況進(jìn)行模擬，油池尺寸為289 m×50 m×0.005 m。

該場景油池火災(zāi)模擬地點為LNG接收站1號罐發(fā)生泄漏后在地面聚集形成液池，遇到火源后形成油池火災(zāi)，如圖11、圖12所示。

圖11 儲罐池火災(zāi)點衛(wèi)星圖Fig.11 Satellite diagram of the fire points of the storage tank pool

圖12 LNG接收站模型Fig.12 LNG receiving station model

由圖13、圖14可知，火焰溫度從液面到火焰底部存在一段迅速增加的過程，越過這一過渡區(qū)到達(dá)火焰底部后火焰的溫度逐漸進(jìn)入穩(wěn)定階段?；鹧娴撞坎糠譁囟认鄬^低，是因為火焰底部到油面存在一個蒸氣帶，會吸收部分熱量，且該處存在空氣的吸卷作用，對流傳熱加強，使得溫度略有降低。在整個模擬的時間里熱釋放速率最大值約為7.35×107kW，空間內(nèi)最大溫度約為1 200 ℃。

圖13 二維溫度分布Fig.13 Two-dimensional distribution of temperature

圖14 三維溫度分布Fig.14 Three-dimensional distribution of temperature

由圖15可知，距離火焰中心30 m的地方既1號儲罐附近，在t=0到t=175 s左右輻射熱流密度逐漸增大到45 kW/m2，在t=175 s左右時輻射熱流密度達(dá)到最大90 kW/m2，這主要是由于油池燃燒過程中，在與燃燒壁面接觸位置會產(chǎn)生氣泡，隨著持續(xù)燃燒，氣泡產(chǎn)生量不斷增加，當(dāng)氣泡量足夠多時，就會躍離燃料與油池接觸壁面，轉(zhuǎn)移到油池液面，氣泡擾動作用使得油池燃料流動性增強，形成了核態(tài)沸騰形象，因此輻射熱流密度會迅速增加。最后在t=175到t=200 s的時間段內(nèi)輻射熱流密度維持在30 kW/m2上下波動。

圖15 距火焰中心30 m輻射熱流密度Fig.15 Radiant heat flow density at 30 m from the center of the flame

由圖16可知，距離火焰中心110 m的地方既靠近電廠附近，在t=0到t=150 s左右輻射熱流密度呈上升趨勢，在t=150到t=175 s左右時，輻射熱流密度有下降的趨勢，最后在t=175到t=200 s的時間段內(nèi)輻射熱流密度突然快速增大。通過對比圖15與圖16可得，火焰中心距離與輻射熱流密度成反比，相鄰油池表面各點的熱輻射通量值與其距擋火墻距離成反比，距擋火墻越遠(yuǎn)熱輻射通量值越小。

圖16 距火焰中心110 m輻射熱流密度Fig.16 Radiant heat flow density at 110 m from the flame center

3 對策措施

1)風(fēng)速對LNG泄漏速度及濃度有較大影響，因此針對LNG接收站選址問題，在考慮經(jīng)濟(jì)效益的同時，應(yīng)盡量選擇通風(fēng)良好的開闊地帶。另外，可在泄漏點上風(fēng)側(cè)采取強制加風(fēng)的措施，如防爆風(fēng)機等，可加快大氣湍流，使得有害濃度更快被稀釋消散。

2)定期檢查并維修罐體、閥門或焊縫等位置的功能完整性，加強日常巡檢，避免因裂縫的出現(xiàn)導(dǎo)致LNG泄漏；同時降低地面粗糙度，避免地表液池的形成，可在罐區(qū)附近人為設(shè)置坡度或封閉的阻墻，在阻隔的同時引導(dǎo)氣流方向。

3)重點關(guān)注泄漏點下風(fēng)側(cè)的危險區(qū)域，搶險人員進(jìn)行救援時，盡量站于上風(fēng)側(cè)，并合理配戴防護(hù)用具。

4 結(jié) 論

1)基于CFD方法，采用FLACS軟件對不同風(fēng)速條件下LNG接收站泄漏進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)LNG持續(xù)泄漏擴(kuò)散過程具有明顯的分階段特征。在無風(fēng)條件下，LNG泄漏危險濃度區(qū)域橫向擴(kuò)散范圍更大；當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時，泄漏的LNG向敏感區(qū)擴(kuò)散速度更快，垂直于天空擴(kuò)散的高度更高，而擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)LNG濃度較小。因此，在距離泄漏點較近的敏感區(qū)內(nèi)必須考慮無風(fēng)情況下泄漏危險濃度對于敏感區(qū)的影響。

2)通過研究不同風(fēng)速對爆炸蒸氣云濃度擴(kuò)散的影響，發(fā)現(xiàn)5 m/s風(fēng)速條件下，爆炸蒸氣云濃度分布相比無風(fēng)條件，縱向(沿風(fēng)速方向)蔓延的距離更遠(yuǎn)，而橫向范圍，無風(fēng)條件下的爆炸蒸氣云濃度的范圍更廣；爆炸初期超壓沖擊波短暫上升后迅速下降，但在0.2 s內(nèi)再次達(dá)到峰值。

3)采用FDS軟件，對LNG接收站持續(xù)泄漏時引發(fā)油池火災(zāi)進(jìn)行了模擬，掌握了其發(fā)生發(fā)展過程，發(fā)現(xiàn)火焰中心距離與輻射熱流密度成反比；揭示了因LNG接收站泄漏引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致蒸氣云爆炸與油池火災(zāi)的時空演化特征，為LNG接收站的選址、站內(nèi)布局和儲罐泄漏應(yīng)急處置提供理論依據(jù)和支撐。