LNG储罐火灾环境热响应数值分析研究

李 素， 陈保东， 张振庭， 杜明俊， 李庆杰

（1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001；2.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北任丘062552）

LNG储罐火灾环境热响应数值分析研究

李 素1， 陈保东1， 张振庭2， 杜明俊2， 李庆杰1

（1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001；2.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北任丘062552）

建立了LNG受热自然对流及气化传质数学模型。针对立式全容储罐不同火灾情况的热响应过程进行三维数值模拟。分析了不同火灾情况下，不同充装率对LNG储罐热响应的影响。研究表明：火灾初期，罐内温升较快，自然对流剧烈。罐体充装率相对越高，罐内压力响应越快，温度响应越慢。且池火情况充装率对压力的影响更大。喷射火灾引起的热响应快于池火火灾。计算结果与相关文献吻合较好，可为工程应用提供一定的理论指导。

LNG储罐； 火灾； 热响应； 充装率； 数值模拟

天然气作为当今世界能源消耗的重要组成部分，与煤炭、石油并称为世界能源的三大支柱。LNG是天然气经过脱水、脱酸性气体和重烃后压缩、膨胀、液化而成的低温液体是天然气的一种独特储存和运输形式。随着全球天然气消耗量的不断加大，发生LNG火灾、爆炸事故的频率也随之增加［1］。分析LNG储 罐火灾环境热响应对进一步研究LNG储罐失效机理具有实际意义。

储罐外部高温环境是引发LNG储罐爆炸的主要原因。根据火焰包围储罐的程度和加热的均匀性，可分为喷射火焰和池火。随着储罐外壁不断向罐内漏热，液相热响应分为两个阶段，即：自然对流和沸腾传热阶段［2］，此时罐内流体已由单相流动转化为两相流动使问题的研究变的更为复杂。目前国内外学者对储罐火灾热响应过程进行了大量的实验和模拟研究，并取得了一些有意义的成果。加拿大New.Brownswick大学火焰科学中心针对水平圆柱罐体火灾热响应进行了实验研究，并相继提出了PLGS－1，PLGS－2和PLGS－3模型［3］。Venart J E等［4］正式提出了BLEVE和BLCBE两个概念，并对各自的产生机理进行了系统阐述。国内对该领域的研究起步较晚，愈昌铭等［5－7］对液化气储罐受热环境进行了系统分析，并在球罐和柱形罐外部均匀受热实验的基础上，开发了计算LPG热响应的数值模拟程序。邢志祥等［8］采用CFD软件对液化石油气储罐火灾环境热响应进行数值模拟，并分析了罐内压力、温度随火灾类型的变化规律。前人对储罐火灾热响应的研究多为LPG储罐，对于低温LNG储罐火灾环境热响应的研究还未见报道。本文针对LNG储罐在喷射火焰和池火环境中的热响应过程进行三维数值模拟。分析了影响LNG储罐失效的因素，可为工程实际应用提供一定的理论指导。

1 模型的建立

1.1 物理模型

LNG储罐形式多样，立式全容罐是目前应用较广的LNG贮存罐体。这里针对火灾环境下立式全容罐热响应过程进行三维数值模拟，模拟罐体高14.75m，拱顶高4.5m，罐体直径9.5m，壁厚15 mm，罐体采用结构化六面体网格进行单元划分，拱顶采用非结构化四面体网格进行单元划分，计算区域网格模型见图1。

Fig.1 The three－dimensional model mesh of calculated region图1 计算区域三维网格模型

1.2 数学模型

LNG受热自然对流及沸腾气化过程，除质量守恒，动量守恒，能量守恒外，还包括RNGK－ε湍流模型，VOF两相流模型以及相变传质的UDF程序。故相变流动换热的基本控制方程如下：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρ为流体密度，kg/m3；为3个方向平均速度，m/s；Sm为质量源相；μ为动力粘度，Pa·s；E为流体总能，J；τij亚网格应力；δij动量损失。

1.3 边界条件

由于火灾环境的复杂性，计算时做如下假设：忽略风速对火焰温度的影响。喷射火灾可视为固定温度的加热壁面［9］。罐外壁选取对流和辐射混合加热的边界条件。火焰温度1 050℃，对流换热系数200 W/m2·K［10］，辐射率0.3，辐射温度为火焰温度。池火火焰温度750℃，对流换热系数25W/（m2·K），辐射率0.9，辐射温度设为火焰温度。且两种火灾均对整个罐体外壁面进行加热。

1.4 物性参数

LNG是一种多组分混合物，根据LNG各组分的摩尔分数进行计算，并将其当量为一种物质。数值计算过程中所涉及的流体物性参数见表1［11］。

2 数值模拟及结果分析

LNG储罐内气液两相初始温度均为111K，初始压力均为0.15MPa，罐体充装率70%，气化潜热509.86kJ/kg。

图2，3分别给出了不同火灾情况下，储罐受热20s后罐内X－Y截面温度场、速度场矢量云图。分析可知：火灾初期，由于罐体内外温度梯度较大，罐内流体升温较快，喷射火焰加热20s后储罐最高温度可达185K而池火火灾储罐最高温度为155 K。由图3可以看出，两种火灾情况下，最初一段时间罐内流体自然对流剧烈且最大速率均出现在两相交界面附近，喷射火灾罐内流体平均速率为0.353 2 m/s，而池火火灾为0.324 1m/s，喷射火灾对LNG储罐影响较大。

表1 LNG与天然气物性参数Table 1 The property parameters of LNG and natural gas

Fig.2 X－Ysection temperature field image of the tank after heated 20 s图2 受热20s后罐内X－Y截面温度场云图

Fig.3 Fluid velocity vector diagram of the tank after heated 20 s图3 受热20s后罐内流体速度场矢量图

图4（a），（b）分别给出了不同火灾情况下罐内平均压力和平均温度随受热时间的变化关系。分析可知：相同情况下喷射火灾罐内压力响应和温度响应快于池火火灾，且储罐温度响应受火灾影响相对较大。

Fig.4 Average pressure and temperature changes over time relationship under different fire in the tank图4 不同火灾下罐内平均压力温度随时间的变化关系

图5（a），（b）分别给出了喷射火灾和池火火灾情况下，不同充装率对罐内压力响应的影响。分析可知：充装率越高，储罐升压越快，这主要是由于液相在受热过程中不断蒸发和沸腾产生大量蒸汽，加之液相区受热分层，密度减小，体积增大，使气相空间减小，同时气相区不断吸热体积膨胀，从而使罐内压力升高较快。由图5（a）可以看出：充装率对池火火灾压力响应的影响要大于喷射火灾情况。

Fig.5 The impact of different filling ratio over the tank pressure图5 不同充装率对罐内压力变化的影响

图6（a），（b）分别给出了喷射火灾和池火火灾情况下，不同充装率对罐内温度响应的影响。分析可知：充装率越低，储罐温升越快，这主要是由于充装率相对越低在吸收相同的热量后液相介质气化率越高，释放潜热越多，且气相介质的温度响应快于液相介质的温度响应。从计算的数据可知：喷射火灾比池火火灾罐内温度响应要快。

Fig.6 The impact of different filling ratio over the tank temperature图6 不同充装率对罐内温度变化的影响

3 结束语

随着全球LNG储运技术迅猛发展，对低温LNG储罐安全技术的研究迫在眉睫。本文通过对LNG储罐火灾环境的三维数值模拟可得出以下结论：火灾初期，罐内温升较快，自然对流剧烈。喷射火灾情况罐内流体温升快于池火。且罐体充装率相对越高，罐内压力响应越快，温度响应越慢。池火情况下，充装率对压力响应的影响更大，且罐内达到相同压力和温度时喷射火焰所需要时间更短。通过查阅相关文献对比分析，进一步验证了计算结果的正确性。综上所述，喷射火灾引起的热响应快于池火火灾，对储罐失效影响较大。

因此，笔者建议，在储罐建设和运行中，应着重考虑喷射火灾对储罐安全带来的隐患，充分考虑到LNG储罐燃烧带来的严重后果，对于储罐消防系统应设置消防水系统和泡沫灭火或惰性气体消防系统，并布置相应的消防竖管、冷却喷淋、消防水幕和带架水枪等固定或非固定的消防设施，以及充分考虑自动报警和系统紧急连锁启动等控制系统。

［1］张海红，王风琴，毕明树.LNG储罐泄漏扩散火灾后果分析［J］.化学工程与装备，2010，28（2）：185－187.

［2］刑志祥，常建国，蒋军成.液化石油气储罐对火灾热响应的CFD模拟［J］.天然气工业，2005，25（5）：115－117.

［3］Reid RmC.Possiblemeehanismforpressurized－liquidtankexplosion or BLEVE’s［J］.Seienee，1979（203）：1263－1265.

［4］Venart J E，Rutledge G A，Sumathipala K.To BLEVE or not to BLEVE：analomyof a boiling liquid expandingva PorexPlosion［J］.Proeess safety progress，1993，12（2）：45－52.

［5］俞昌铭.液化气贮气罐在火灾环境下的传热特征的实验与理论研究［C］//全国高等学校工程热物理第四界学术会议论文集.杭州：出版社不详，1992.

［6］俞昌铭，压力陡降及容积加热条件下气一液两相系统瞬态分析［C］//中国工程热物理学会第八界年会.北京：出版社不详，1992.

［7］淮秀兰、俞昌铭.盛有液化气的压力容器在高温环境下的热响应［J］.油气储运，1993，12（4）：55－60.

［8］邢志祥，蒋军成.液化石油气储罐对火灾热响应的CFD模拟［J］.天然气工业，2005，25（5）：115－117.

［9］车威.LPG储罐在火灾环境中热响应的数值模拟［D］.大连：大连理工大学硕士学位论文，2009.

［10］Birk A M.Scale effecfs with fire exposure of pressure－liquefied gas tahks［J］.Journal of loss prevention in the process industries，1995，8（5）：275－290.

［11］窦兴华.LNG沉浸式汽化器流动传热过程的数值模拟［D］.大连：大连理工大学硕士学位论文，2007.

（Ed.：WYX，Z）

Numerical Analysis and Research About the Thermal Response of the LNG Storage Tank in the Fire Environment

LI Su1，CHEN Bao－dong1，ZHANG Zheng－ting2，DU Ming－jun2，LI Qing－jie1
（1.College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun Liaoning113001，P.R.China；2.China Petroleum Engineering CO，LTD.North China Company，Renqiu Hebei062552，P.R.China）

The mathematical model of the natural convection and the gasified mass transfer about LNG storage tank was established.Three dimension numerical values was applied to simulate the hot response process according to the different fire situation of the vertical and full storage tank.The values analyzes the hot response of the LNG storage tank at different filling ratio and fire situation.The research shows that the temperature in the LNG storage tank rises quickly and the natural convection is fierce at fire initial stage.The filling ratio of the LNG storage tank is higher relatively and the internal pressure response is also quicker，however，the temperature response is slower，what＇s more，the filling ratio of the LNG storage tank have a bigger effect on the pressure under the situation of the pool fire.The hot response caused by spraying fire is quicker than that of pooling fire.The computing results comply with the actual situation well，the research results may supply theory instruction for the project application.

LNG storage tank；Fire；Hot response；Filiting ratio；Numerical simulation

.Tel.：＋86－413－6865188；e－mail：lisu0912＠qq.com

TE88

A

10.3696/j.issn.1006－396X.2011.01.018

2010－09－15

李素（1983－），男，陕西榆林市，在读硕士。

辽宁省高校优秀人才支持计划（2009R37）。

1006－396X（2011）01－0078－04

Received15September2010；revised20December2010；accepted4January2011