基于可见蒸汽云对LNG喷射泄漏爆炸下限区域的预测

张乾熙梁栋

（1广东海洋大学工程学院，广东 湛江524088；2中山大学工学院，广东 广州510006；3广东省消防科学技术重点实验室，广东 广州510006）

引 言

天然气作为一种优质洁净的化石能源，得到了越来越广泛的应用。在美国，2009年天然气在能源中的比重已达到25%，欧洲LNG市场近年虽然没有大幅提升，但2013进口量也多达4000万吨（包括再出口份额）。日趋严重的大气污染使得中国加快发展清洁能源，天然气在中国经济和环境改善等方面的应用价值得到进一步重视。中国新建多个LNG接收站，2013年LNG进口量较2012年增长超过20%，到2015年，中国天然气占一次能源消费比重将提高到7.5%。液化天然气是天然气开发利用的一项关键技术，在国内外已形成一个产业，每年以平均8%的速度增长［1］。与此同时，LNG在液化、储运和使用过程中的安全性也逐渐引起了人们的极大关注。一旦LNG发生泄漏，可以引起低温冻伤、窒息等人员伤害，泄漏气体达到燃烧极限时遇到点火源容易发生着火、爆炸事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡。喷射泄漏在LNG泄漏事故中比较常见，由于其蒸汽本身无色无味，很难从感观上判断其泄漏扩散范围。

国内外许多学者针对LNG泄漏扩散进行许多相关研究，常见的数学模型有积分模型、箱板模型、浅层模型和CFD模型等。其中一维积分模型是最早用于LNG泄露扩散模拟，该类模型有SLAB、 HEGADAS、 DEGADIS 等［2－4］， 且DEGADIS得到美国消防协会推荐。后来，Chan等［5－8］建 立 了 基 于 Navier－Stokes方 程 的 FEM3 模型，并对BURRO系列LNG泄漏实验进行数值模拟分析研究。国内相关研究多集中在相关模型的应用，如唐建峰等［9－14］采用积分模型对LNG垂直喷射连续泄漏扩散进行模拟和风险评估。但是，鲜见对LNG在不同喷射泄漏速度和不同泄露环境下扩散总体规律研究，而针对可见蒸汽云与浓度之间关系的研究均采用一维积分模型［15］，在精度和过程描述等方面有很大改进空间。

近年来，随着计算机技术进步，使用计算流体力学 （CFD）来解决复杂的流体流动问题变为现实。CFD模型能够有效模拟LNG泄漏扩散，可用于液化天然气蒸汽云分散在特定场地的风险分析。基于此，本文釆用计算流体动力学方法，以计算流体软件ANSYS FLUENT 11.0为平台，通过建立LNG喷射泄漏计算流体力学模型，对不同环境条件和喷射速度下的扩散情形进行数值模拟，得到LNG泄漏扩散区域的温度场和浓度场。LNG温度低，喷射泄漏会使周边环境空气中水蒸气液化成可见蒸汽云。根据环境条件、温度场分布和露点温度，可得到可见蒸汽云区域范围，并总结出可见蒸汽云区域范围与爆炸下限区域范围的函数关系。

1 LNG喷射泄漏数值模拟

1.1 LNG水平喷射计算域建模

现实中LNG喷射泄漏处在一个完全开放的大气边界层中，但不可能对整个大气边界层的流动风场进行仿真计算，更关心的是LNG喷口下风向的风场以及LNG蒸汽扩散情况。同时，计算流域也不能设定太小，因为这不但会影响局部风场和浓度场的计算结果，而且会在计算流域边界面上出现回流现象，导致计算很难收敛。LNG喷射出口直径取LNG储罐常用泄压阀出口直径 （DN25mm），综合文献中对计算区域尺寸确定的研究结果，根据本研究对象的实际尺寸，选择计算流域的长和高分别为300m和32m，喷射出口水平高度为2m。在Fluent的前处理模块ICEM中，建立几何模型并划分网格。计算网格的确定需经过网格优化和无差别计算，最终确定计算域内网格总数为163822。

1.2 计算模型

LNG喷射泄漏后LNG蒸汽的流动属于湍流流动，其控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、湍流动能方程和湍流动能耗散率方程。这些方程统一可写成式 （1）的通用形式

1.3 边界类型指定

CFD流动问题的求解是将边界线或边界面上的数据外推扩展到计算流域内部的过程。边界面类型和边界条件的设置如果不符合实际问题或不合适，将导致CFD仿真计算失去模拟精度与可信度。因此，设置符合实际物理情况且合适的边界条件非常关键。在本文建立的计算流域中，需要设定的边界及边界的类型如表1所示。计算之前，首先应当求解稳态的环境风场，通过风场模拟可以验证计算流域尺寸设置是否合理，同时也有利于泄漏扩散计算的收敛。对于风入口面设置按平均风速剖面，选择指数方法计算，风入口面平均风剖面和湍流参数采用自编程序通过UDF接口同Fluent连接。

1.4 LNG喷射泄漏模拟基础条件

不同产地的天然气成分略有差别，但LNG主要成分是甲烷。本文以甲烷为喷射泄漏的模拟对象，其主要物理性质如表2［1］所示。

表1 LNG泄漏扩散计算流域的边界类型Table 1 Boundary conditions

表2 甲烷物性参数Table 2 Gas properties

同时，本文对影响LNG喷射泄漏扩散主要因素，如源项强度、环境风速、环境温度和相对湿度等，分别取值模拟计算，其取值范围如表3所示。

表3 变量取值Table 3 Varieties

2 LNG喷射泄漏数值计算结果

为研究LNG扩散形态，计算得到温度场、浓度场、压力场及组分分布等结果。本文研究的主要目的是探讨可见蒸汽云与爆炸下限扩散范围的关系。为此，本计算特意输出不同计算条件下的组分浓度云图和温度云图，以便谈到两者变化趋势的规律及两者的关系，为基于可见蒸汽云预测爆炸下限扩散范围提供计算基础。

2.1 泄漏强度对泄漏扩散的影响

保持环境温度、环境风速不变，通过改变LNG喷射泄漏强度，可以得到不同泄漏强度下的浓度场和温度场，如图1和图2所示。可以看出，随喷射泄漏强度的增大，达到爆炸下限浓度的气体扩散范围也逐渐向前推进，低温范围也逐渐扩大，两者的变化规律具有较好的一致性。

图2 4种喷射强度下甲烷温度分布云图Fig.2 Contours of temperature under 4release rates

2.2 环境温度对泄漏扩散的影响

保持LNG喷射泄漏速度、环境风速不变，通过改变环境温度，可以得到不同情形下的浓度场和温度场，如图3和图4所示。可以看出，随环境温度的升高，达到爆炸下限浓度的扩散范围逐渐收缩，低温范围也逐渐缩小。这主要因为，环境温度升高后，加快了低温天然气与空气的换热，从而加快了天然气由重气到轻气的转变速度，使之沿垂直方向的扩散份额增加，从而减小了下风向的扩散距离。但在其浓度场和温度场变化规律仍然保持很好的一致性。

2.3 环境风速对泄漏扩散的影响

保持LNG喷射泄漏速度、环境温度不变，通过改变环境风速，可以得到不同泄漏源强度下的浓度场和温度场，如图5和图6所示。可以看出，随环境风速的升高，达到爆炸下限浓度的扩散范围不断增大，低温范围也逐渐增大。这主要因为，本文模拟的LNG喷射泄漏速度较大，环境风速升高后，水平方向的扩散份额增加，加大了低温天然气的传播距离，浓度场和温度场变化规律仍然保持很好的一致性。

图3 4种环境温度下甲烷浓度分布云图Fig.3 Contours of mole fraction of CH4under 4 air temperatures

图4 4种环境温度下温度分布云图Fig.4 Contours of temperature under 4air temperatures

图5 4种环境风速下甲烷浓度分布云图Fig.5 Contours of mole fraction of CH4under 4 average wind speed

3 结果分析

通过对不同条件下LNG喷射泄漏扩散情形数值模拟结果进行分析，可以发现不同喷射泄漏扩散情形下，泄漏扩散的浓度场和温度场是不同的。即使是泄漏源强度不变，环境因素改变后，浓度场和温度场也会随之改变。天然气是无色无味气体，这为事故救援，特别是隔离范围的划定增加难度。

图6 4种环境风速下温度分布云图Fig.6 Contours of temperature under 4average wind speed

在对上述模拟结果的分析过程中，发现温度场和浓度场变化规律体现高度的一致性。LNG泄漏后，由于其本身的低温特性 （111.7K），将冷却周边环境空气并使其含湿量达到饱和，达到露点温度 （Tdew）后，将产生可见蒸汽云。而露点温度是环境温度和相对湿度等因素的函数，可由经验公式（2）得出［15］

计算出不同环境下的露点温度，由温度场分布可得出可见蒸汽云下风向的扩散距离Dcloud，将天然气爆炸下限沿下风向扩散的距离DLFL与Dcloud的比值定义为系数f，即

对LNG喷射泄漏数值模拟结果进行整理分析，可得到不同空气湿度下的DLFL与Dcloud值，根据式 （3）可得系数f在不同空气湿度情况下的分布散点图，如图7所示。

从图中可以看出，当空气相对湿度大于50%时，系数f取值约为1，即天然气爆炸浓度下限扩散范围与可见蒸汽云基本一致。而当空气相对湿度处于10%～50%范围时，经对数据进行拟合，系数f与空气相对湿度满足以下关系

由式 （3）可知

当环境相对湿度已知时，则根据可见蒸汽云扩散范围，由式 （5）可直接估算出DLFL。

图7 相对湿度对系数f的影响Fig.7 Relationship between fand relative air humidity

4 结 论

本文对LNG喷射泄漏扩散过程进行了数值模拟，对扩散场的温度场和浓度场进行分析，得到以下结论：

（1）CFD方法能够用于LNG喷射泄漏扩散过程的数值模拟，并通过改变泄漏强度、环境温度、风速和空气相对湿度等，模拟LNG喷射泄漏的不同情形，发现泄漏扩散场的温度场和浓度场在不同泄漏情形下的变化趋势是一致的。

（2）当空气相对湿度大于50%，天然气爆炸浓度下限浓度扩散距离与可见蒸汽云扩散距离基本一致，当空气相对湿度处于10%～50%范围时，天然气爆炸浓度下限浓度扩散距离与可见蒸汽云扩散距离满足一定函数关系。

（3）当发生LNG喷射泄漏事故时，根据上述的函数关系和事故现场可见蒸汽云扩散距离，可迅速估算出天然气蒸汽扩散的范围，这将有助于事故处理和消防救援。

符 号 说 明

Dcloud——可见蒸汽云沿下风向扩散距离，m

DLFL——天然气爆炸浓度下限浓度扩散距离，m

f——系数

HR——空气相对湿度，%

Tdew——露点温度，℃

下角标

cloud——可见蒸汽云

LFL——天然气爆炸浓度下限

［1］ Gu Anzhong（顾安忠），Lu Xuesheng（鲁雪生）.Liquefied Natural Gas（LNG）Technical Manuals（液化天然气技术）［M］.Beijing：China Machine Press，2014.

［2］ Ermak D L.User's Manual for SLAB：An Atmospheric Dispersion Model for Denser－than－air Releases ［M ］.Lawrence Livermore National Laboratory，1980.

［3］ Colenbrander G W，Puttock J S.Dense gas dispersion behavior experimental observations and model developments［J］.FourthInt.Sym.onLossPrev.andSafety，1983，66－75.

［4］ Spicer T O，Havens J A.Field test validation of the DEGADIS model ［J］.J.Hazard.Mater.，1987，16：231－245.

［5］ Chan S T，Ermak D L， Morris L K.FEM3model simulations of selected Thorney Island phase 1trials［J］.J.Hazard.Mater.，1987，16：267－292.

［6］ Ermak D L，Chan S T，Morgan D L，Morris L K.A comparison of dense－gas dispersion model simulations with Burro series LNG spill test results ［J］.J.Hazard.Mater.，1982，6 （1／2）：129－160.

［7］ Chan S T.Numerical simulations of LNG vapor dispersion from a fenced storage area ［J］.J.Hazard.Mater.，1992，30 （2）：195－224.

［8］ Giannissia S G，Venetsanosa A G，Markatosb N，Bartzisc J G.Numerical simulation of LNG dispersion under two－phase release conditions［J］.JournalofLossPreventioninthe ProcessIndustries，2013，26 （1）：245－254.

［9］ Tang Jianfeng （唐建峰），Cai Na （蔡娜），Guo Qing （郭清），Wang Dengdeng （王 等 等 ）.Simulation of LNG diffusion：a continuous vertical jet release ［J］.CIESC Journal（化工学报），2013，64 （3）：1124－1131.

［10］ Gao Lu （高露）.Research on the simulation and application of LNG dispersion ［D］.Chengdu：Southwest Petroleum University，2008.

［11］ Chen Guohua （陈 国 华 ），Cheng Songbo （成 松 柏 ）.Consequence simulation on LNG leakage accidents and its quantitative risk assessment［J］.NaturalGasIndustry（天然气工业），2007，27 （6）：133－135.

［12］ Zhou Yanbo （周彦波），Huang Jun （黄俊），Lu Jun （鲁军）.Security analysis on LNG leakage and diffusion ［J］.NaturalGasIndustry（天 然 气 工 业 ），2007，27 （1）：131－133.

［13］ Pan Xuhai （潘 旭 海 ），Jiang Juncheng （蒋 军 成 ）.Simulation and analysis of danger substance diffusion process in leakage accident［J］.SafetyTechnology（安全技术），2001，21 （3）：44－45.

［14］ Wang Hairong （王 海 蓉 ），Ma Xiaoqian （马 晓 茜 ）.Numberic simulation of the dispersion for continuous release of lng heavy gas［J］.NaturalGasIndustry（天然气工业），2006，26 （9）：144－146.

［15］ Vílchez J A，Villafañe D，Casal J.A dispersion safety factor for LNG vapor clouds ［J］.J.Hazard.Mater.，2013，246／247：181－188.