带压LNG泄漏遇阻液池预测模型研究

王晓玮，鲍 磊

(1.中国石化安全工程研究院，山东青岛 2661012.化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266101)

带压LNG泄漏遇阻液池预测模型研究

王晓玮1,2，鲍 磊1,2

(1.中国石化安全工程研究院，山东青岛2661012.化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛266101)

在液化天然气(LNG)站场，带压LNG泄漏后极易撞击到周围设施或建筑物进而增加形成液池的规模。针对带压LNG泄漏闪蒸遇阻开发了液池预测模型，并与实验数据进行了对比，结果表明模型与数据吻合度较好。

LNG泄漏 闪蒸 液池预测模型

目前，国内外对于LNG液池扩散开展了大量的实验和理论研究，形成了较为成熟的理论[1-3]，而在带压液体闪蒸领域开展的研究较少，如H.-W.Chiang在1998年开展了带压水闪蒸实验，并开发了带压闪蒸模型[4]；DNV在2002年开发了UDM模型，可以较为准确地预测带压液体的闪蒸规律[5]；Gexcon开展了带压LPG的闪蒸实验，并开发了带压LPG的闪蒸预测模型[6]；但对于带压LNG泄漏闪蒸尚未研究。

本文重点研究带压LNG泄漏闪蒸遇阻后液池形成规律，并开发相应的预测模型，为开展LNG液池扩散提供有效的基础数据，进而准确评估带压LNG泄漏后的风险。

1 带压LNG泄漏闪蒸遇阻过程

带压液体泄漏喷出遇到障碍物，在一定条件下，会形成液池。带压液体泄漏闪蒸遇阻分为4个过程：泄漏闪蒸、喷射膨胀、喷射偏转、喷射撞击，如图1所示。

图1 带压液体泄漏闪蒸受阻过程示意

a)闪蒸区：带压液体泄漏喷出，液体由于压力骤降处于过热状态，发生闪蒸，这时认为流体全部为喷出介质，尚没有外界空气混入。

b)喷射膨胀区：闪蒸流体发生大面积膨胀，并同时卷入周围的空气，形成介质气体、介质液体、空气等共存的混合物。

c)喷射偏转区：闪蒸流体混合物(包含空气)在遇到障碍物前由于绕流运动发生扰动，形成喷射偏转。

d)喷射碰撞区：闪蒸流体撞上障碍物。

2 带压LNG闪蒸遇阻成液预测模型理论计算

带压LNG泄漏喷出后发生闪蒸；剩余LNG在喷射中受到表面张力及重力等作用，逐渐破裂成大小不一的液滴，当液滴直径大于某一临界直径时，认为该液滴在落到地面时会形成液池；液滴直径小于临界直径的，则在降落过程完全气化。因此，闪蒸LNG液滴的粒径分布规律和临界粒径值是准确预测液池量的关键[7]。本文将重点研究LNG液滴的粒径分布规律和临界液滴直径，其中偏转区域的截面积和速度至关重要。

2.1 带压LNG闪蒸基本状态参数计算

在计算LNG闪蒸时，需要判定LNG泄漏时的状态。首先定义LNG的过冷度X，用于判定LNG喷出时是否发生相变，并进而求得LNG泄漏时的质量流速G(kg/m2·s)；以计算LNG泄漏后闪蒸时的状态参数。这里做如下假设：①在闪蒸区域，只存在气液两相态天然气；②带压LNG从泄漏口喷出4～8个漏孔直径的距离处发生气化，由于距离较短，认为该处LNG速度为泄漏喷射速度；③闪蒸的LNG在膨胀末端界面为圆形分布；④膨胀呈现锥形分布，膨胀角度为5°[8]；⑤喷射偏转区域分为气液混合区和空气区。

(1)

(2)

(3)

(4)

D2=D1+2(S1-y1)tan(α)

(5)

式中：xg——气液混合物中气相质量分数；

Te——出口温度，K；

Tnbp——物质标准沸点，K；

L——LNG气化潜热，kJ/kg；

A1——气化开始时截面积，m2；

U1——出口速度，m/s；

ρm——喷射液体发生气化后的混合物密度，kg/m3；

CP——LNG的定压比热，kJ/kg·K；

D1——喷射发生闪蒸时的截面积直径，m；

D2——喷射闪蒸末端发生偏转时的截面积直径，m；

α——喷射膨胀角，一般取5°；

S1——喷射口到障碍间距离，m；

y1——喷射偏转处到障碍物间距离，m。

2.2 带压液体闪蒸遇阻成液率计算

2.2.1临界液滴直径计算

定义无量纲参数斯托克数St。斯托克斯数表征颗粒松弛时间和流体特征时间的比。

临界液滴直径由公式(6)～(9)计算得到。

(6)

(7)

(8)

(9)

μc——空气粘度，Pa·s；

Td——液滴响应时间，s；

Tf——涡旋从转折点到障碍物的时间，s；

d——液滴直径，m；

ρl0——储存条件下LNG密度，kg/m3。

2.2.2成液率计算

已知带压LNG遇阻成液的临界液滴直径，一般采用Sauter值来表征液滴粒径分布，如公式(10)～(12)所示。

(10)

(11)

f=(1-Fm(dc))(1-xg)

(12)

式中：f——成液率；

σ——液体表面张力，N/m；

d32——液滴Sauter直径，m。

3 计算模型验证

目前国内外尚无开展过带压LNG的闪蒸遇阻实验，利用Gexcon开展的带压LPG实验数据作为对比参数，实验数据如表1所示[6]。

表1 Gexcon带压LPG闪蒸实验部分数据

上述模型的计算值与带压丁烷闪蒸实验数据的对比见图2。由图2可以看出，该计算模型计算出来数据基本都处在实验数据区间内，吻合度较好。

图2 计算值与实验数据值对比

4 结论

本文给出了带压LNG闪蒸遇阻过程及其成液率的计算模型，与现有LPG实验数据对比，模型的吻合度较好，可以初步作为预测带压LNG闪蒸遇阻成液率的计算模型工具。下一步可开展带压LNG闪蒸遇阻实验，并与模型计算结果进行对比，评估模型的可靠性并对模型进行进一步的改进。

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

[2] Luketa-Hanlin,A.(2006).A review of large-scale LNG spills: experiments and modeling[J]. Journal of Hazardous Materials,2006,132(2-3):119-140.

[3] 张琼雅, 臧子璇, 邱鸣, 等. LNG 泄漏扩散过程及研究方法分析[J]. 煤气与热力, 2013, 33(4): 4-7.

[4] Chiang H W. A model for the removal of water droplet aerosols from a flashing jet impinging onto a plate[J]. Journal of aerosol science, 2000, 31(9): 999-1014.

[5] Witlox H W M, Bowen P J. Flashing liquid jets and two-phase dispersion: A review[M]. London:HSE Books, 2002.

[6] Bonnet P, Bricout P, Jamois D, et al. Description of experimental large scale two-phase release tests[R]. INERIS report, European Community 5th PCRD，2005： 41508.

[7] Witlox H W M, Harper M. Two-phase jet releases, droplet dispersion and rainout I. Overview and model validation[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2013, 26(3): 453-461.

[8] Salvesen H C. Modeling release of liquefied gas under high pressure[R]. CMR-95-F20062, Christian Michelsen Research, 1995.

[9] Giralt F, Chia C J, Trass O. Characterization of the impingement region in an axisymmetric turbulent jet[J]. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals, 1977, 16(1): 21-28.

StudyonPredictionModelofLNGLeakageResistanceReservoirwithPressure

Wang Xiaowei1,2, Bao Lei1,2

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao, 266101 2.State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals, Shandong, Qingdao, 266101)

In LNG stations, LNG with pressure leaks can easily impact the surrounding facilities or buildings and increase the size of the formation of the liquid bath. A prediction model of liquid bath was developed for flashing resistance of LNG leakage, and the experimental results were compared with the experimental data. The results show that the model is in good match with the data.

LNG leakage; flashing; liquid bath prediction model

2016-10-20

王晓玮，工程师，安全评价师，2007年毕业于青岛理工大学，现在中国石化安全工程研究院从事风险评价方面的工作，研究领域：天然气、LNG安全。