液化天然气水平连续泄漏重气的扩散过程

唐建峰，蔡 娜，2，郭 清，王等等，3

（1中国石油大学（华东）储建学院，山东 青岛 266555；2青岛武船重工有限公司，山东 青岛 266555；3中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

研究开发

液化天然气水平连续泄漏重气的扩散过程

唐建峰1，蔡 娜1，2，郭 清1，王等等1，3

（1中国石油大学（华东）储建学院，山东 青岛 266555；2青岛武船重工有限公司，山东 青岛 266555；3中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

结合 SLAB稳态烟羽模型，针对液化天然气（LNG）连续泄漏、水平喷射源的重气扩散过程进行了模拟研究，分析了液化天然气泄漏后混合云团扩散形成的浓度场、温度场和其它特征参数。利用MATLAB语言编制液化天然气连续泄漏扩散模拟程序，对两种试验环境条件（不同风速、大气温度、大气稳定度、相对湿度和地表粗糙度等环境参数）下扩散云团的特性参数进行模拟计算，得到各云团参数随下风向距离的变化规律。

液化天然气；连续泄漏；水平喷射源；重气扩散；SLAB模型

随着液化天然气（LNG）在全球能源系统的应用发展，其在储存与利用过程中的安全问题也逐渐成为世界关注的焦点。在液化天然气站场、接收站等场所，由于管道超压及安全阀失灵、垫片老化或损坏、管道腐蚀穿孔或焊缝开裂、外力撞击管道或工人操作失误等，会导致连续泄漏事故的发生，本文中的连续泄漏指 LNG经由小孔口、泄漏持续时间较长的情形。LNG泄漏容易引起冻伤、低温麻醉、窒息等人员伤亡事故，同时损坏周边工艺设备和机械器材。LNG汽化产生的气体扩散到场区内，碰上火源后容易产生火灾和爆炸事故，对人员生命安全及周边设备、建筑环境造成巨大危害[1-8]。

LNG泄漏扩散的研究方式主要有现场试验、实验室模拟、风洞实验和数值模拟几种方式。鉴于现场试验的种种缺憾以及日益发达的现代计算机技术，LNG的泄漏扩散研究已从现场试验层面发展到了数值模拟阶段。结合大气污染扩散理论和数值计算方法国内外学者已研究出一系列用于气体泄漏扩散过程模拟的数学模型，较为经典的模型有B-M模型、箱板模型、浅层模型和CFD模型等[9-14]。SLAB模型是一种典型的浅层模型，是基于Zeman[15]提出的空气卷吸和重气云团扩展概念上发展起来的，能够模拟连续泄漏的重气云团扩散过程。应用建立的数学模型，可以对液化天然气的扩散行为进行模拟研究，了解泄漏形成的混合云团空间形状、到达范围及泄漏气体在混合云团中的浓度分布、扩散云团温度分布等。

1 LNG泄漏扩散影响因素

LNG泄漏扩散过程的影响因素分为气象因素、地理因素和泄漏参数等。气象因素包括环境风、大气湍流、温度层结、太阳光热辐射、云和环境大气压力；地理因素包括地形、地物与局地气流；泄漏参数包括泄漏气体的参数、泄漏气体的初始状态和泄漏形式[16-19]。对 LNG扩散过程的影响因素并非单一作用，本文将针对这些影响因素对液化天然气连续泄漏的扩散行为进行综合分析。

2 SLAB重气扩散模型

在常温常压下，气态天然气密度比空气小，属于轻质气体，但是液化天然气的储存温度为-160 ℃左右，其在发生泄漏时首先吸收环境中热量，急剧蒸发汽化，与环境大气之间发生热量交换与质量交换，形成气体-液滴混合云团，混合云团密度大于空气密度，属于重质气体，扩散过程与轻质气态天然气不同，带有明显的重气扩散特点。

本文结合适用于重气扩散过程模拟的SLAB稳态烟羽模型[19]进行LNG泄漏扩散研究。SLAB稳态烟羽模型考虑了气体扩散过程中的重力作用与空气卷吸作用，计算相对CFD模型简单，且对气体扩散过程中的云团宽度、高度及泄漏气体浓度随下风向距离的变化规律进行了计算，具有拟三维的特点。该模型是基于定常态、横风向上各参数均匀一致的质量、动量和组分守恒方程基础上建立起来的，能够模拟云团在平坦地面无障碍物情况下的扩散行为，其主要的控制方程如式（1）～式（10）所示。

组分守恒方程

质量守恒方程

能量守恒方程

X方向动量守恒方程

Y方向动量守恒方程

Z方向动量守恒方程

求解控制方程式（1）～式（10），可以得到混合云团参数（ρ,m,T,U）和云团的形状与尺寸参数（B,b,h,Zc）等，模型中各具体参数的计算见参考文献[20]。

云团中泄漏气体的体积浓度计算公式如式（11）所示。

3 重气扩散过程模拟程序设计

3.1 模拟参数确定

重气扩散过程模拟需要必要的基础参数，直接影响模拟效果，下文就模拟程序建立过程中几个重要参数的选取进行具体阐述。

（1）大气稳定度 大气稳定度指环境大气的稳定程度，其对泄漏气体在环境中的扩散有重要影响。本文中的大气稳定度s采用文献[20]中的标准帕斯奎尔-吉福德法对大气稳定程度进行分级。

（2）地表粗糙度 地表粗糙度Z0的选取是根据下垫面的地形地貌来确定的。对于连续泄漏情形，平均时间为10 m in的情况下，地表粗糙度的取值范围取自文献[21]。另外一些典型下垫面的粗糙度按文献[20]选取。

3.2 模拟程序实现

本文利用MATLAB语言，根据重气扩散阶段程序框图进行了模拟程序的编制，可以计算扩散阶段云团内各项参数的变化规律，程序框图如图 1所示。

4 重气扩散过程模拟

下文针对水平喷射泄漏源，使用编制的连续泄漏扩散模拟程序，分析在不同环境条件下，液化天然气连续泄漏重气扩散阶段的扩散行为特点。

4.1 模拟基础数据

水平喷射泄漏在本文中指液化天然气经由孔口水平沿下风向喷射漏出，该种形式下，由于液氨具有与液化天然气相似的扩散特性，因此，本文采用1985年劳伦斯立威尔莫国家实验室（LLNL）组织进行的Desert Tortoise 4号现场泄漏试验的基础数据进行模拟研究。在该试验中，使用液氨作试验介质，液氨带压储存，初始泄漏相态为两相流（液滴与蒸气的混合物），泄漏源为水平喷射连续泄漏，泄漏速率107.87 kg/s，环境风速4.5 m/s，环境温度306.2 K，相对湿度21.3%，地表粗糙度0.003 m。泄漏气体参数、泄漏形式及环境大气参数等基础数据取自文献[20]。

另外，采用 1980年在加利福尼亚州中国湖（China Lake）进行的Burro系列第8号试验现场基础参数，对液氨水平喷射泄漏过程进行对比研究分析，该试验是由美国劳伦斯立威尔莫国家实验室和海军武器中心联合完成的，主要环境参数见文献[20]。

模拟计算中假设泄漏源位置（x，y，z）=（1,0,0），计算从下风向距离x=1 m处开始，选取步长h=0.001 m，模拟计算结果均采用半对数坐标系对各参数的变化规律进行展示。

4.2 模拟计算结果

根据选择的试验环境条件进行扩散行为模拟计算，得到了液氨泄漏后形成的扩散云团内密度ρ、温度T、体积浓度Cv、干空气mda、液氨蒸气mev、水含量mw、云团高度h和横截面半宽B等参数随下风向距离x的变化规律。

图1 重气扩散阶段程序框图

图2 两种试验条件下h随下风向距离x的变化曲线

（1）云团高度h随下风向距离x的变化 图2为两种试验条件下液氨泄漏后扩散云团高度随下风向距离x的变化曲线图。可以看出在两种试验条件下，液氨自喷射口水平喷出后，云团高度都是逐渐增大的。泄漏初始时云团高度变化比较缓慢，后期变化逐渐加剧，且重气扩散阶段接近结束时Desert Tortoise 4号试验条件下的云团高度要大于Burro 8号试验条件下的云团高度。这种变化趋势的主要原因是液氨的液相含量很高（为0.81），泄漏初期云团湿而冷，密度较大，重气效应占据了绝对领导地位，使扩散云团紧紧贴近地表运动，从而抑制了云团向高空的发展。而重气扩散阶段接近结束时，重气效应逐渐消失，大气湍流占据了主导地位，云团高度迅速增大。造成两种环境条件下云团高度差别的主要原因是，Burro 8号试验条件的环境温度与Desert Tortoise 4号试验相同，但环境风速较低，导致大气湍流运动相对于Desert Tortoise 4号试验较弱，重气扩散阶段接近结束时的云团高度较低。

（2）云团半宽B随下风向距离x的变化 图3为两种试验条件下液氨泄漏后扩散云团横截面半宽随下风向距离x的变化曲线图。由图3可知，两种试验条件下，扩散云团横截面的半宽度随着下风向距离x的增大都是逐渐增大的。泄漏初期的增长较为缓慢，重气扩散末期的增长较快。主要原因是泄漏初期重气效应占据主导地位，扩散云团在重力的作用下贴近地表向四周扩展。且Burro 8号试验环境条件下扩散云团的半宽要大于 Desert Tortoise 4号试验环境条件下的半宽。在环境温度相同的条件下，Burro 8号试验的环境风速和地表粗糙度相对较小，导致重气效应相对Desert Tortoise 4号试验要强，重气扩散末期扩散云团横截面的半宽度更大。

（3）云团密度ρ随下风向距离x的变化 图4为两种试验条件下扩散云团密度随下风向距离x的变化规律。可以看出，扩散云团的密度随下风向距离x的增大逐渐降低，最后云团密度接近空气密度，表示重气扩散阶段在该点结束。两种试验条件下扩散云团的密度变化趋势基本相同。

（4）云团温度T随下风向距离x的变化 图5为两种试验环境条件下扩散云团整体温度随下风向距离x的变化规律。可以看出，随着下风向距离x的增大，扩散云团温度上升，并逐渐接近环境空气温度。经计算可知，Desert Tortoise 4号试验条件下，下风向距离在x=1～25.67 m处，扩散云团的温度介于-34～0 ℃之间，Burro 8号试验条件下，下风向距离在x=1～24.18 m处，扩散云团温度介于-34～0℃之间，两个区域内的环境温度低于0 ℃，属于低温区域。

图3 两种试验条件下B随下风向距离x的变化曲线

图4 两种试验条件下ρ随下风向距离x的变化曲线

图5 两种试验条件下T随下风向距离x的变化曲线

工作人员在低温环境下进行较长时间作业时，会逐渐出现呼吸、心率加快、颤抖、头痛等症状，缺少防护情况下会造成窒息、低温麻醉等危害，与低温云团以及被云团包裹的工艺设备接触会造成人体皮肤撕裂和冻伤。因此，发生液化天然气泄漏事故时工作人员和急救人员应采取必要的低温防护措施。

（5）云团中液氨蒸气含量mev随下风向距离x的变化 图6为两种试验环境条件下扩散云团中液氨蒸气含量随下风向距离x的变化规律。可以看出两种环境条件下随着下风向距离x的增大，伴随扩散云团与环境大气之间的质交换，云团体积逐渐膨胀，液氨蒸气含量逐渐降低。

（6）云团中含水量mw随下风向距离x的变化图7为两种试验环境条件下，液氨泄漏后扩散云团中的水含量随下风向距离x的变化曲线图。由图可知，随下风向距离x的增大，混合 云团中的水含量逐渐增大，这是由于初始泄漏时云团中不含水，随着空气卷吸效应的发生，空气中水分伴随湍流运动进入混合云团中。在模拟结束时，Desert Tortoise 4试验条件下云团中水含量远高于Burro 8试验条件，原因是两种环境条件下，大气温度相同（为306.2 K），但相对湿度差别较大，分别为21.3%和4.6%，这样气体扩散过程中云团与环境间水的质交换也就不同。重气阶段模拟结束时，混合云团中的水含量均接近于两种环境条件下的空气含水量，说明相对湿度对泄漏气体的扩散具有重要影响。

（7）云团中空气含量mda随下风向距离x的变化 图8为两种试验环境条件下，液氨泄漏后扩散云团中的空气含量随下风向距离x的变化曲线图。通过该图可以看出，混合云团中的空气含量随着下风向距离的增大逐渐增大。气体泄漏后，在大气湍流和空气卷吸的影响下会发生质交换，该图就很好的解释了这一现象。起初在重气效应影响下，云团与环境间空气卷吸作用较弱，随着大气湍流逐渐占据主导地位，空气大量进入扩散云团，将云团稀释，扩散云团中液氨含量几乎为零。

（8）云团中液氨体积分数Cv随下风向距离x的变化 图9为两种试验环境条件下扩散云团中液氨体积含量随下风向距离x的变化曲线图。可以看出，随下风向距离x的增大，液氨体积含量逐渐降低。重气扩散结束时，两种环境下的体积分数分别达到0.0415（Desert Tortoise 4号）和0.0459（Burro 8号）。由于水平喷射连续泄漏使用的介质是液氨，而液氨蒸气与空气混合时，燃烧极限为16%～25%，经模拟计算可知，Desert Tortoise 4号和Burro 8号试验环境条件下，在下风向距离泄漏点分别为28.1～34.27 m和26.67～33.97 m的范围内是有燃烧爆炸危险的，应该注意该区域的防护疏导工作。

图6 两种试验条件下mev随下风向距离x的变化曲线

图7 两种环境条件下mw随下风向距离x的变化曲线

图8 两种环境条件下mda随下风向距离x的变化曲线

图9 两种试验环境条件下Cv随下风向距离x的变化曲线

5 结 论

（1）结合 SLAB稳态烟羽扩散模型对液化天然气重气扩散阶段的云团特性进行了研究，通过求解方程组，可以得到下风向任意距离x处的云团参数和形状尺寸参数，研究了液化天然气泄漏后与外界环境间的热、质交换规律以及重气效应等对扩散的影响。

（2）在建立数学模型的基础上，利用MATLAB语言编制了连续泄漏重气扩散模拟程序，计算扩散阶段云团各项参数的变化规律，能够为事故的预警和人员疏导工作提供帮助。

（3）通过对扩散云团参数的变化规律分析，得到气体泄漏后的危险区域主要发生在重气扩散阶段。

（4）通过模拟计算得到，两种试验条件下云团高度h、横截面半宽度B、温度T、含水量mw和空气含量mda随下风向距离x的增大逐渐增加，而扩散云团密度ρ、云团中液氨蒸气含量mev和液氨体积含量Cv随下风向距离x的增大逐渐减小；爆炸危险区分别为距离泄漏点 28.1～34.27m和 26.67～33.97 m处，低温危险区为别为下风向距离x=1～25.67 m和x=1～24.18 m处。

符 号 说 明

b—— 云团半宽参数，m

B—— 云团半宽，m

cp—— 比热容，J/(kg·K)

f—— 能量，J/(m·s)

h—— 云团高度，m

M—— 分子质量，kg

m—— 泄漏气体质量浓度，kg/m3

T—— 温度，K

U—— 云团沿风向上速度，m/s

V—— 水平方向上速率，m/s

W—— 垂直方向上速率，m/s

x—— 下风向距离，m

Z—— 云团高度参数，m

ρ—— 云团密度，kg/m3

下角标

a —— 空气

g —— 重力

p —— 定压

pc —— 相变

t —— 地表热

u —— 下风向摩擦

vg —— 横风向摩擦

w —— 泄漏源

ε —— 卷吸

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Research on the LNG dense gas diffusion: A continuous horizontal jet release

TANG Jianfeng1，CAI Na1,2，GUO Qing1，WANG Dengdeng1,3
（1College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，Shandong，China；2Qingdao Wuchang Shipbuilding Industry Company Limited，Qingdao 266555，Shandong，China；3Third Harbor Consultants Company，China Communications Construction Company Lim ited，Shanghai 200032，China）

Horizontal jet continuous release was studied through SLAB steady plume dispersion model. The concentration field, temperature field and other characteristics were calculated and analyzed. A MATLAB based program was developed to simulate the continuous leakage diffusion. The characteristics of the diffusion cloud under two different environment conditions were calculated. The environmental conditions included different w ind speeds, temperatures, atmospheric stabilities, relative humanities and surface roughness. Changing trends of the diffusion clouds were predicted.

LNG；continuous leakage；horizontal jet release；heavy gas diffusion；SLAB model

TE 88

A

1000–6613（2012）09–1908–06

2012-06-09；修改稿日期：2012-07-09。

及联系人：唐建峰（1973—），男，博士，副教授，主要从事液化天然气、天然气输配、天然气水合物及油气田地面集输等工作。E-mail tang_jf@126.com。