LNG连续泄漏扩散过程模拟

李兆慈，张文花，郑梅，吴鑫

（中国石油大学 （北京）油气管道输送安全国家工程实验室／城市油气输配技术北京市重点实验室，北京102200）

引 言

LNG的沸点约为－162℃，泄漏后汽化形成的蒸发气是一种低温、易燃、易爆气体，会向周围环境扩散，一旦被点燃或引爆将引起大规模的燃烧爆炸事故，给生命财产造成极大损失。自l964年英国开始从阿尔及利亚进口液化天然气，世界范围内的LNG贸易经过了将近50年的发展，也发生了多次 LNG 泄漏事故［1－2］。

研究LNG泄漏及扩散的手段主要有实验和数值模拟。数值模拟耗时短、成本低、可重复性高，是LNG泄漏扩散研究中最广泛应用的方法。数学模型是数值模拟的基础，得到认可并广泛应用的数学模型有：高斯模型、浅层模型、CFD模型、DEGADIS模型等［3－8］。国内一些学者对LNG储运过程风险因素进行了分析［9－10］，对LNG船泄漏至水面后的蒸发与扩散特性进行了研究［11－12］，对LNG管道在隧道泄漏过程进行了数值模拟研究［13］。少数学者进行了LNG泄漏过程的模拟试验研究，但研究的工况较简单［14］。目前对LNG泄漏过程的研究，多局限于对燃烧爆炸范围，即可燃气体浓度扩散过程进行数值模拟计算［15－21］，而在 LNG 泄漏时，还需要考虑温度分布过程，一定范围内的低温会对人员和设备造成破坏。

冻伤的产生与人在低温环境中的暴露时间相关，环境温度越低时，形成冻伤所需要的暴露时间会越短。温度为－73℃时，人体暴露12s就会出现冻伤。在－20℃以下的环境中，人体皮肤与金属接触时，会与金属粘贴，是一种特殊的冻伤。本文将－20℃作为发生冻伤伤害的界限，当区域内温度低于－20℃时认为可能会发生冻伤伤害，区域不安全。

1 计算假设

假设LNG输送管道泄漏孔径为φ10、φ30、φ50和φ100mm时，泄漏为连续泄漏。连续泄漏时，管道向外喷射LNG的持续时间较长，泄漏的LNG会迅速汽化，变成天然气进入空气中。

当泄漏孔垂直向下时LNG的迹线最短，泄漏的LNG初始时刻在地面的富集最多，形成的蒸气云团在地面附近扩散时的危险性最大，所以主要对LNG管线垂直向下泄漏的扩散过程进行研究。以压力0.5MPa、孔径50mm、风速4.4m·s－1工况下的泄漏为研究对象，分析连续泄漏的计算方法。

2 模型建立

图1 计算区域示意图Fig.1 Schematic of calculation area

利用FLUENT软件，选取图1所示的楔形空间作为模拟区域。点O为模拟空间坐标原点，泄漏孔圆心位于坐标点P（0，0，10）位置，体ABCGHIJN是80m×100m×20m的长方体，A点坐标为－（－50，0，0），体GDEFNKLM是长720m、上底面宽200m、下底面宽400m、上底面高20m、下底面高40m的棱锥体，F点坐标为（750，0，0）。模拟时假设LNG从泄漏孔泄漏后垂直流向地面，并在接触到地面时刚好汽化完全，汽化的天然气从以泄漏迹线为轴线、直径0.2m、高10m的圆柱面和顶面向周围环境扩散。

根据离泄漏点的距离，对模拟空间进行网格划分，距泄漏点近的网格较密，距泄漏点远的网格较稀疏，如图2所示。长方体ABCGHIJN进行网格划分，主要划分为四面体网格单元，在适当的位置可以包含六面体、锥体或楔形单元；棱锥体GDEFNKLM采用六面体结构化网格。

图2 计算区域网格划分Fig.2 Calculation area meshing

初始速度根据天然气泄漏速度进行设置，详见表1（根据不同管压、不同泄漏孔径下的LNG泄漏质量流量换算的112K、常压下天然气的气化速度），典型孔径50mm、典型压力0.5MPa时，天然气汽化速度为13.2m·s－1，甲烷气体的初始温度设为112K。

表1 不同压力和漏孔下天然气泄漏速率Table 1 NG release rate under various pressure and leaking hole／m·s－1

3 连续泄漏影响因素分析

LNG蒸气云有低温、易燃、易爆等固有特性，扩散过程中会造成燃烧爆炸和低温冻伤等危害，而且受到泄漏条件和环境因素的影响。因此，有必要考虑不同条件下LNG泄漏扩散的浓度分布、温度分布、燃烧爆炸危害和冻伤危害范围。

3.1 泄漏压力影响

假设风速为4.4m·s－1，泄漏孔径为50mm，当泄漏压力分别为0.10、0.25、0.45和0.60MPa时，可以计算得到甲烷浓度分布和温度分布。

由图3看出，随着管内压力的增大，燃烧爆炸范围增加，其中燃烧爆炸下限 （CH4体积浓度5%）的范围增加明显，长度由240m增加到400m，宽度从60m增加到110m，而燃烧爆炸上限（CH4体积浓度15%）的范围增加不明显，长度由50m增加到100m，宽度由20m增加到55m。从可燃气体浓度分布图可以看出，CH4气体的范围扩大非常明显，浓度大于2%的范围的长度从510m增大到整个计算区域，宽度增加不明显，从90m增加到125m。

图4是冻伤范围和温度分布图。随管内压力增大，冻伤范围增加不显著，长度从60m增加到100m，宽度由20m增加到50m。但温度分布中较高温度的影响范围增加明显，其中290K的影响范围从385m×85m增加到580m×125m。

图3 不同压力下的可燃范围和CH4浓度分布Fig.3 Flammable range and CH4density distribution

图4 不同压力下冻伤范围和温度分布Fig.4 Frostbite range and temperature distribution

图5显示了不同管道压力下天然气燃烧爆炸下限范围的立体图，随着压力增大，燃烧爆炸下限范围扩展明显，影响高度也变高，同时表面也变得越来越不平滑。

图6显示了不同管道压力下冻伤范围的立体图，随着压力增大，冻伤范围也明显扩展。

从以上管内压力对泄漏扩散结果的影响可以看出，管道压力增大时，天然气的气化速度增大，其他条件一定时，低温天然气的量增加，显然会导致燃烧爆炸范围和冻伤范围的增加。

3.2 泄漏孔径影响

假设环境风速为4.4m·s－1，管内压力为0.45MPa，当泄漏孔径为φ10、φ30、φ50和φ100 mm 时 泄 漏 速 率 分 别 为 0.529、4.76、13.2 和52.9m·s－1，可以计算得到甲烷浓度分布和温度分布。

图5 不同压力下可燃范围立体图Fig.5 Three－dimensional flammable range under different pressure

图7 不同泄漏孔径可燃范围立体图Fig.7 Three－dimensional flammable range under different leaking hole

图7是泄漏孔径不同时天然气燃烧爆炸下限范围的立体图，随泄漏孔径增大，燃烧爆炸范围的扩展非常显著，而且随着扩散进行，燃烧爆炸下限范围的影响高度也显著增加，同时表面也变得越来越突起。

图8是泄漏孔径不同时冻伤范围的立体图，随泄漏孔径增大，冻伤范围的扩展也非常显著，整个范围的长度、宽度、高度都有显著增加。

从以上泄漏孔径对泄漏扩散结果的影响可以看出，泄漏孔径增大时，同样引起天然气汽化速度的增大，环境条件一定时，低温气体量的增加就会显著增加计算区域的燃烧爆炸范围和冻伤范围。

3.3 风速影响

假设管内压力为0.45MPa，泄漏孔径为50 mm，由表4.2知，天然气汽化速度为13.2m·s－1，研究不同的环境风速对LNG泄漏扩散的影响，不同风速分别为0、2.5、4.4、6.7、9.4和12.3m·s－1。

图8 不同泄漏孔径时冻伤范围立体图Fig.8 Three－dimensional frostbite range under different leaking hole

图9是不同风速条件下天然气燃烧爆炸下限范围的立体图，随风速增大，燃烧爆炸下限范围明显缩小。风速为0时，燃烧爆炸下限范围最大，高度也最高，表面起伏较大。随风速增大，空气的湍流扰动作用越明显，扩散过程中蒸气云团卷吸空气的速度增加，使得天然气的浓度快速降低，燃烧爆炸范围也迅速减小。

图10是不同风速条件下冻伤范围的立体图，与燃烧爆炸下限范围的变化类似，随风速增大，冻伤范围会缩小。风速为0时，冻伤范围最大。随风速增大，LNG云团与空气的换热速率增加，云团温度上升变快，则冻伤范围就会减小。

从以上环境风速对泄漏扩散结果的影响可以看出，环境风速增大时，天然气汽化速度一定，其他环境条件也一定的情况下，LNG云团卷吸空气的速度增加，云团与空气的换热速率也增加，从而使计算区域的燃烧爆炸范围和冻伤范围都不断减小。

图10 不同风速下冻伤范围立体图Fig.10 Three－dimensional frostbite range under different wind speed

4 结 论

利用FLUENT软件对设定工况下LNG泄漏到计算区域后的扩散过程进行模拟，得到泄漏扩散过程达到稳定以后计算区域内天然气浓度分布、燃烧爆炸范围、温度分布和冻伤范围。

研究了不同管道压力、泄漏孔径、环境风速条件下的LNG泄漏扩散特性。研究发现，当管道压力或泄漏孔径增大时，都会引起天然气气化速度的增大，其他条件一定时，低温天然气的量增加，导致计算区域内燃烧爆炸范围和冻伤范围的增加；当环境风速增大时，空气湍流的扰动作用加强，此时低温天然气的量相同，其他条件一定时，LNG蒸气云卷吸空气的速度增加，而且云团与空气的换热速率也增加，导致计算区域内燃烧爆炸范围和冻伤范围都不断减小。

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