基于CFD的LNG儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散研究

賴建波， 楊 帆， 王衛(wèi)曉

(1.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院，北京100011；2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司第十設(shè)計(jì)研究院，天津300074；3.北京燃?xì)饧瘓F(tuán)(天津)液化天然氣有限公司，天津300163)

1 概述

LNG儲(chǔ)罐一旦發(fā)生泄漏將對(duì)周邊的人員生命財(cái)產(chǎn)及大氣環(huán)境造成極大危害。對(duì)LNG儲(chǔ)罐潛在的泄漏擴(kuò)散危害后果進(jìn)行研究，對(duì)于LNG廠站選址、應(yīng)急預(yù)案制定、緊急疏散區(qū)域劃定以及事故危害后果評(píng)估等具有重要意義。

從 20 世紀(jì)70年代至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì) LNG 泄漏擴(kuò)散規(guī)律展開(kāi)系統(tǒng)研究[1]。由于數(shù)值模擬方法成本低、精度高、可操作性強(qiáng)，在氣體泄漏擴(kuò)散研究方面被廣泛應(yīng)用。本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)LNG 儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散危險(xiǎn)范圍進(jìn)行研究。

2 LNG儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散過(guò)程

LNG儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏，其泄漏過(guò)程較為復(fù)雜。儲(chǔ)罐內(nèi)LNG的泄漏擴(kuò)散主要包括液池?cái)U(kuò)展和氣云擴(kuò)散兩個(gè)過(guò)程[2-4]。

① 液池?cái)U(kuò)展

LNG泄漏到地面，在重力作用下會(huì)擴(kuò)展。如果LNG垂直泄漏于地面，將在地面上形成圓形的液池，液池半徑隨時(shí)間持續(xù)而擴(kuò)大；如果LNG非垂直泄漏于地面，即LNG具有一定的水平初速度，則在地面上形成的液池就不是圓形，液池在水平初速度方向擴(kuò)展的距離要大于其他方向。當(dāng)液池周圍存在圍堰時(shí)，液池?cái)U(kuò)展會(huì)受到限制，進(jìn)而影響液池?cái)U(kuò)展的面積和厚度。

② 氣云擴(kuò)散

LNG泄漏到地面形成的液池與地面直接進(jìn)行熱量傳遞，以及與周圍空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，并吸收太陽(yáng)熱輻射，從而部分開(kāi)始蒸發(fā)形成低溫氣體，即氣云。氣云量與液池面積有直接關(guān)系，液池面積越大，LNG吸收熱量越多，形成的氣云就越多。LNG蒸發(fā)為無(wú)色氣體，由于它的溫度很低，使得周圍被卷吸入氣云的水蒸氣發(fā)生冷凝，從而形成可見(jiàn)蒸氣云。

3 泄漏擴(kuò)散模型有效性驗(yàn)證

針對(duì)氣體泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬研究，目前已開(kāi)發(fā)出多種商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)CFD軟件，例如FLUENT、PHOENICS、FLACS等[5]。FLACS是專門(mén)用于可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散和蒸氣云爆炸的專業(yè)數(shù)值計(jì)算軟件，越來(lái)越得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[6-8]。FLACS模擬氣體泄漏擴(kuò)散的基本控制方程包括：質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、能量方程、組分方程、湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)能耗散率方程[9]。

為了研究LNG泄漏擴(kuò)散特性及其影響因素，并為建立的計(jì)算模型提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)外開(kāi)展了一系列大型LNG現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，其中著名的實(shí)驗(yàn)有Esso實(shí)驗(yàn)、Shell系列實(shí)驗(yàn)、Burro系列實(shí)驗(yàn)、Coyote系列實(shí)驗(yàn)、MaplinFSands實(shí)驗(yàn)以及Falcon實(shí)驗(yàn)[10-12]。這些大型現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)取得了大量基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括氣象條件參數(shù)，如風(fēng)速、溫度、湍流強(qiáng)度、濕度、太陽(yáng)輻射量，以及蒸氣云、液池燃燒的相關(guān)數(shù)據(jù)，具有極大利用價(jià)值[13-17]。

Burro系列實(shí)驗(yàn)是由美國(guó)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室勞倫斯利物莫實(shí)驗(yàn)室(LLNL)在1980年進(jìn)行的大型現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)得到了美國(guó)能源部和美國(guó)天然氣研究協(xié)會(huì)的支持。Burro系列實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)直徑58 m、水深1 m的水池中進(jìn)行的，泄漏源位置處于水池中心上表面。在下風(fēng)向以泄漏源為圓心，半徑為57、140、400、800 m的圓弧上布置氣體濃度測(cè)量樁25個(gè)，并在每個(gè)樁上距離地面高度為1、3、8 m處分別布置氣體濃度傳感器3個(gè)。

Burro系列實(shí)驗(yàn)包含8個(gè)，其中Burro3、Burro5、Burro7實(shí)驗(yàn)所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)較好，常被國(guó)內(nèi)外研究人員用于驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的可靠性[18]，上述3個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 Burro實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件

基于Burro3、Burro5、Burro7實(shí)驗(yàn)，采用FLACS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)比較見(jiàn)表2。得到二者相對(duì)誤差范圍為-53.9%～33.8%，相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值為16.4%，因此，F(xiàn)LACS軟件泄漏擴(kuò)散模型能有效模擬LNG泄漏擴(kuò)散過(guò)程。

表2 模擬計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)比較

4 工程應(yīng)用

4.1 建立三維模型

某市LNG應(yīng)急氣源站布置有生產(chǎn)區(qū)和生產(chǎn)輔助區(qū)。生產(chǎn)區(qū)位于站西側(cè)，生產(chǎn)輔助區(qū)位于站東側(cè)。生產(chǎn)區(qū)自西向東依次分布LNG儲(chǔ)存區(qū)、工藝裝置區(qū)、汽車裝卸區(qū)、地磅、門(mén)衛(wèi)室等，其中LNG儲(chǔ)存區(qū)設(shè)置有1臺(tái)4 500 m3LNG儲(chǔ)罐、3臺(tái)150 m3LNG立式真空粉末絕熱儲(chǔ)罐及相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)施，LNG儲(chǔ)存區(qū)地面標(biāo)高與站區(qū)其他部分標(biāo)高相同。集液池位于LNG儲(chǔ)存區(qū)北側(cè)，緊貼北側(cè)圍堰。集液池長(zhǎng)5 m，寬4 m，深0.6 m?；贔LACS軟件，建立LNG儲(chǔ)存區(qū)三維模型，見(jiàn)圖1。圖1、2中方向?yàn)樯媳毕履稀?/p>

圖1 LNG儲(chǔ)存區(qū)三維模型

4.2 模擬計(jì)算輸入?yún)?shù)

① LNG氣源參數(shù)

模擬過(guò)程將LNG視為純甲烷。

② 環(huán)境參數(shù)

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，計(jì)算中設(shè)置大氣溫度為年平均溫度16.5 ℃，大氣壓力為100 kPa，大氣穩(wěn)定度等級(jí)為F級(jí)，北風(fēng)風(fēng)向(南側(cè)有居民區(qū)，北風(fēng)風(fēng)向?yàn)樽畈焕闆r)、風(fēng)速1 m/s作為L(zhǎng)NG泄漏擴(kuò)散的環(huán)境參數(shù)。風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度等級(jí)依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定。

③ 初始和邊界條件

LNG儲(chǔ)罐工作壓力為10 kPa，工作溫度為-162 ℃。根據(jù)GB/T 20368—2012《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》，LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)溢出計(jì)算應(yīng)按第5.2.3.4款表1，設(shè)計(jì)溢出流量為儲(chǔ)罐排料泵在滿負(fù)荷下通過(guò)一根管道的最大流量，溢出持續(xù)時(shí)間為10 min。根據(jù)GB/T 20368—2012，本工程LNG常壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)溢出質(zhì)量流量為8.0 kg/s，溢出源在LNG儲(chǔ)罐頂部。設(shè)定從LNG儲(chǔ)罐頂部溢出的液化天然氣全部流入集液池。初始條件為：集液池內(nèi)LNG質(zhì)量為4.8 t，溫度為-162 ℃。LNG儲(chǔ)罐外壁與圓形圍堰之間的距離為15.40 m。圓形圍堰與南側(cè)、西側(cè)、北側(cè)圍墻的最近距離分別為30.49、33.64、30.93 m。LNG儲(chǔ)罐溢出源、圍堰、圍墻位置見(jiàn)圖2。LNG儲(chǔ)存區(qū)南側(cè)有居民區(qū)，居民區(qū)與南側(cè)圍墻之間有綠化帶。為減少計(jì)算量，只對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。

圖2 LNG儲(chǔ)罐溢出源、圍堰、圍墻位置

根據(jù)GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第10.3.5條，本研究蒸氣云擴(kuò)散范圍邊界的確定條件為空氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為2.5%。

4.3 模擬結(jié)果及分析

為評(píng)估不同圍堰和圍墻高度對(duì)LNG儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏擴(kuò)散的影響，采用FLACS軟件的液體溢出(POOL Version)模塊進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算時(shí)間間隔為1 s。對(duì)蒸氣云擴(kuò)散范圍進(jìn)行模擬，結(jié)果見(jiàn)圖3～5(圖例中色階圖數(shù)值為甲烷體積分?jǐn)?shù))。

圖3 圍堰和圍墻高度均為3.5 m，擴(kuò)散時(shí)間為830 s蒸氣云擴(kuò)散范圍模擬結(jié)果(軟件截圖)

圖4 圍堰高度6.0 m、圍墻高度4.0 m，擴(kuò)散時(shí)間為830 s蒸氣云擴(kuò)散范圍模擬結(jié)果(軟件截圖)

圖5 圍堰高度6.0 m、圍墻高度4.0 m，擴(kuò)散時(shí)間為1 350 s蒸氣云擴(kuò)散范圍模擬結(jié)果(軟件截圖)

根據(jù)圖3，LNG儲(chǔ)存區(qū)圍堰和圍墻的高度均為3.5 m時(shí)，擴(kuò)散時(shí)間830 s，蒸氣云擴(kuò)散范圍將有50%越過(guò)儲(chǔ)存區(qū)南側(cè)的圍墻。根據(jù)圖4，LNG儲(chǔ)存區(qū)的圍堰增高至6.0 m、圍墻增高至4.0 m時(shí)，在同樣擴(kuò)散時(shí)間內(nèi)，蒸氣云擴(kuò)散范圍能夠被有效控制在圍墻內(nèi)，并且蒸氣云量也大大降低。根據(jù)圖5，LNG儲(chǔ)存區(qū)圍堰高度為6.0 m、圍墻高度為4.0 m，當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間延長(zhǎng)至1 350 s時(shí)，蒸氣云擴(kuò)散范圍少部分越過(guò)儲(chǔ)存區(qū)南側(cè)的圍墻，但距居民區(qū)仍有一定距離。

按照GB 50183—2004第10.3.5條，蒸氣云擴(kuò)散范圍不得覆蓋居民區(qū)。該條對(duì)蒸氣云擴(kuò)散范圍的邊界作出了明確規(guī)定，但是未規(guī)定擴(kuò)散時(shí)間。

GB/T 20368—2012規(guī)定LNG儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏允許的最大時(shí)間為10 min，意味著10 min內(nèi)觸發(fā)應(yīng)急處理預(yù)案，進(jìn)行處置。本文借鑒此規(guī)定并適當(dāng)留有余量，確定滿足生產(chǎn)安全要求的判斷條件為：擴(kuò)散時(shí)間830 s時(shí)，蒸氣云擴(kuò)散范圍不得覆蓋居民區(qū)。

根據(jù)圖4，圍堰高度6.0 m、圍墻高度4.0 m條件下，擴(kuò)散時(shí)間830 s時(shí)，蒸氣云擴(kuò)散范圍被有效控制在圍墻內(nèi)，未覆蓋居民區(qū)。因此，本研究圍堰高度設(shè)計(jì)為6.0 m、圍墻高度設(shè)計(jì)為4.0 m，能夠滿足LNG儲(chǔ)存區(qū)的生產(chǎn)安全要求。

5 結(jié)論

為評(píng)估不同圍堰和圍墻高度對(duì)LNG儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散的影響，以某LNG應(yīng)急氣源站為例，LNG儲(chǔ)罐工作壓力為10 kPa，工作溫度為-162 ℃，溢出持續(xù)時(shí)間為10 min，設(shè)計(jì)溢出質(zhì)量流量為8.0 kg/s，溢出源在儲(chǔ)罐頂部，儲(chǔ)罐外壁與圓形圍堰之間的距離為15.40 m，圓形圍堰與南側(cè)、西側(cè)、北側(cè)圍墻的最近距離分別為30.49、33.64、30.93 m。采用FLACS軟件的液體溢出模塊進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：

① LNG儲(chǔ)存區(qū)圍堰和圍墻的高度均為3.5 m、擴(kuò)散時(shí)間為830 s時(shí)，蒸氣云擴(kuò)散范圍將有50%越過(guò)儲(chǔ)存區(qū)南側(cè)的圍墻。

② LNG儲(chǔ)存區(qū)的圍堰增高至6.0 m、圍墻增高至4.0 m，擴(kuò)散時(shí)間為830 s時(shí)，蒸氣云擴(kuò)散范圍被有效控制在圍墻內(nèi)，并且蒸氣云量也大大降低。

③ LNG儲(chǔ)存區(qū)圍堰高度為6.0 m、圍墻高度為4.0 m，擴(kuò)散時(shí)間延長(zhǎng)至1 350 s時(shí)，蒸氣云擴(kuò)散范圍少部分越過(guò)儲(chǔ)存區(qū)南側(cè)的圍墻。

④ 該站圍堰高度設(shè)計(jì)為6.0 m、圍墻高度設(shè)計(jì)為4.0 m，能夠滿足LNG儲(chǔ)存區(qū)的生產(chǎn)安全要求。