管输LNG泄漏部位热力学分析

宫克勤，王卓智，贾永英

（东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318）

天然气相对煤炭和石油，具有热值高、清洁环保和应用广泛等优势，随着天然气深冷工艺、天然气动力等方面的研究不断加深，天然气工业在全球范围内的诸多领域体现出广阔的发展空间。随着LNG应用技术的快速发展，对于 LNG储存和运输技术的要求也在不断提高。由于LNG存在滚腾现象和快速相态转变等特性，使得LNG泄漏过程的热力学研究，对液化天然气安全运输和高效存储具有重要意义。

1 LNG相关性质

1.1 LNG定义及物理性质

液化天然气LNG：从气田开采的天然气或油田伴生气，经过脱水、脱酸性气体和重烃类，然后经过压缩、膨胀和液化过程制得的低温液体。LNG主要成分包括，甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、戊烷和氮；常压下沸点为-162 ℃；爆炸极限为3.6%～17%；燃点为650 ℃；密度为430～460 g·L-1；无色无味透明液体。

1.2 滚腾现象[1]

滚腾现象多发生于储罐、槽车或LNG运输船等存储设备中，LNG存储过程为超低温过程，原液由于长期蒸发和吸热的影响，本身性质发生一定变化。向罐中注入新液的过程，与将不同成分的超低温液体混合过程相似，由于密度不同形成两层液体，发生层化现象。在吸热和蒸发的持续作用下，两层液体将发生传热传质现象。当两种液体密度接近相等的平衡点时，上下两种液体剧烈混合产生大量蒸汽，使存储设备内压急剧变化，产生泄漏危险。

1.3 快速相态转变RPT现象[2]

LNG在与水发生接触时会发生强烈的换热过程，迅速产生大量蒸汽，发生快速的相态转变过程。例如LNG运输船、LNG埋地管道以及LNG终端接收设备浸没燃烧式汽化器的内部等设备泄漏时，都可能导致LNG与水接触发生RPT现象，RPT现象的发生极有可能导致冷爆炸造成巨大危害，应严格避免。

2 泄漏过程热力学分析

LNG以液态流体的形式存储和运输，由于其沸点与外界环境温差巨大且LNG相态转变迅速，因此在对LNG泄漏过程进行热力学分析时将其泄漏后汽化比设为100%。通过建立具有相变潜热的能量方程，分析各个热力学参数对泄漏过程的影响，确定LNG泄漏过程的主要影响因素。

2.1 LNG各组分蒸发焓的确定

对于LNG蒸发焓的求解关键在于各组分蒸发焓的确定，通过Vetere改进的Kistiakowsky方程对LNG的烃类组分蒸发熵和蒸发焓进行求解，公式如下：

式中：ΔHVb—各组分的蒸发焓；

Tb—沸点；

ΔSVb—蒸发熵；

M—相对分子质量。

通过文献[3]查询天然气各主要组分的沸点，进而求解出各组分的蒸发焓汇总于表1中。

2.2 LNG蒸发焓的确定

LNG为混合物，各主要组分的蒸发焓已求得，结合如下计算式求解LNG的蒸发焓。

式中：ΔHVbm—混合物摩尔蒸发焓；

xi—混合物摩尔分数；

ΔHVbi—响应组分摩尔蒸发焓。

应用上式，结合表1中数据即可求解出不同组分LNG的摩尔蒸发焓。

表1 LNG各组分数据Table 1 LNG each component data

表2 LNG各组分参数值及比热容Table 2 LNG each component parameter value and the specific heat capacity

2.3 理想气体比热容求解

对于各组分在沸点状态时的比热容，可以结合下列经验关联式进行求解：

式中：T取各组分沸点温度，如表1所示；参数A、B、C、D可在文献[3]中查得，取值如表2所示。

LNG为混合物，而且主要组分都为饱和烃类，属于性质相近的同系物质，计算式如下：

式中：Cpm—天然气混合物的定压比热容；

xi—各组分摩尔分数；

Cpi—某一组分的定压比热容。

通过上式，即可计算天然气的比热容，为后面能量方程的建立和求解奠定基础。

2.4 建立能量方程

下图为泄漏管道部位断面示意图，选取泄漏口附近为研究区域。设LNG泄漏过程为两部分组成，首先液态流体经过泄漏口泄漏至泄漏口外部，然后经过吸热汽化和传热过程，迅速获得热量升温至外界温度。LNG泄漏过程发生变化的是动能、位能、热力学能、压力做功以及相变吸热几部分，现求解各部分能量表达式。选择一个泄漏模型如图1所示，内部流体压力为P1、温度为T1、速度为c1，泄漏部位流体参数为P2、c2、T2，外界环境参数为Pw、Tw、cw。

图1 LNG泄漏过程示意图Fig.1 LNG leak process diagram

考虑LNG在泄漏部位完全相变，在附近区域充分膨胀，即压力由1P快速变化为wP，下面对各部分能量进行求解。

由于假设工况的分析范围是泄漏部位附近区域，因此位能变化量对系统影响很小，不作考虑。将上述各部分能量汇总成为：

式中：c1—流体初速度；

c2—流体末速度；

ρl—LNG 密度；

ρg—天然气密度；

hw—局部阻力；

cp—气体定压比热容；

M—LNG相对分子质量。

通过对上述方程进行分析可以看出，对于初态确定的泄漏过程，流体初始各参数、汽化潜热和局部阻力均不变化，因此泄漏后发生变化的仅为流体泄漏速度和压力。当LNG可以充分膨胀时，膨胀后压力即为外界大气压力，此时泄漏速度最大；当膨胀空间有限时，泄漏速度减小局部压力增大；当泄漏空间很小时，泄漏速度项扩大受限，压力项迅速增大，极易发生爆炸。分析可以发现，当LNG泄漏事故发生时，泄漏的剧烈程度取决于LNG的初态参数压力和温度。泄漏所导致的结果主要受泄漏外环境的影响，即外部温度、压力以及空间大小等，其直接体现为LNG的泄漏速度和泄漏局部压力增。

3 LNG危险性及泄漏防治措施

3.1 LNG危险性分析

LNG的运输和存储均为常压超低温储运过程，一旦发生泄漏将会导致诸多危险的发生和严重的事故后果：(1)由前文和推导出的能量方程可以看出，LNG一旦泄漏将伴随剧烈的换热和汽化过程，极易发生高压爆炸或冷爆炸。(2)汽化后的天然气密度比空气密度低，因此极易扩散。同时天然气为可燃性气体，当天然气遇到明火并且浓度达到爆炸极限时，会发生剧烈爆炸。(3)LNG的主要成分是甲烷，甲烷是一种强力的温室效应气体，对臭氧层具有很强破坏性。甲烷导致温室效应的能力是二氧化碳的 22倍[4]，LNG泄漏对大气环境具有很的大破坏性，因此从环保的角度出发，也要预防控制LNG的泄漏。(4)LNG属于超低温流体，含有大量的冷能，一旦发生泄漏事故，液化天然气沸腾释放大量冷能，极易对附近人员造成严重冻伤。

3.2 LNG泄漏预防措施

由能量方程可看出，LNG泄漏的主要影响因素是内部压力和温度，泄漏的结果是导致泄漏部位的温度、压力以及局部气流速度产生剧烈变化。当发生泄漏时，最先过发生变化的是泄漏部位的温度和压力。因此可在易发生泄漏的部位即LNG运输船、槽车、储罐以及节流等部位采取加装泄压阀和局部保温材料等措施来预防泄漏事故发生。通在易发生泄漏的阀门连接处、变径等部位加装温度和压力等监测装置，实时监控这些部位的运行情况，当参数发生突然变化时起到报警的作用，从而第一时间对泄漏事故做出反应、进行处理，将事故危险性降至最低。

4 结束语

2011-2013年注定是中国LNG行业快速发展阶段。江苏如东 LNG、大连 LNG已陆续投产，福建莆田LNG扩建工程投产，唐山LNG、海南LNG纷纷开工建设[5]。尽管LNG为低温存储和运输流体，技术要求苛刻，危险性高。但LNG体积约为同质量天然气体积的 1/600，具有巨大的存储和运输高效性，这一优势加速了LNG在各领域的应用和发展。由于我国 LNG相关技术处于起步阶段，对于 LNG泄漏的研究还不深入，从能量守恒角度建立并分析LNG泄漏能量方程，分析发生泄漏事故时各热力学参数的变化和影响因素，为泄漏事故防治和处理提供参考。除此之外，更应该加强工作者的培训和教育，增强安全生产观念和维护意识，解决LNG企业发展隐患，促进我国液化天然气行业安全高速发展。

［1］袁宗明,谢英,梁光川.城市配气[M].北京:石油工业出版社,2004:259-261.

［2］王泓.LNG 潜在的危害及其预防措施[J].天然气与石油,2007,25(1):1-2.

［3］童景山.流体热物性基本理论与计算[M].北京:中国石化出版社,2008:126-128.

［4］高露,梁光川,彭波,等.液化天然气的泄漏与防护[J].天然气与石油,2008,26(1):28-30.

［5］付子航,宋坤,单彤文.空气热源式气化技术在大型LNG接收终端的应用[J].天然气工业,2012,32(8):100-104.