某大型LNG储罐泄漏扩散及其影响因素研究

杨兆晶 侯 磊 朱 淼

中国石油大学(北京)机械与储运工程学院, 北京 102249

0 前言

随着国家能源结构的调整及LNG接收站的逐步建成投产,LNG进口量迅速攀升,目前我国已成为世界第二大LNG进口国[1]。大型LNG储罐作为接收站的核心设备,其安全运行是整个站场安全生产的重中之重。一旦LNG发生泄漏,低温气云在近地面聚积,可能对周围环境、设备和人员造成严重危害[2-4]。国外从20世纪60年代末开始对LNG泄漏扩散过程进行分析研究,主要研究方法包括大型现场试验[5-6]、风洞实验研究[7-8]和数值模拟,目前应用最为广泛的是数值模拟。常用数学模型主要包括高斯修正模型、箱及相似模型、经验唯象模型、浅层模型和计算流体力学(CFD)模型,其中,CFD模型最为真实可靠[9]。Gavelli F等[10-13]将现场试验结果与模拟结果进行对比,验证了CFD软件模拟LNG泄漏扩散的有效性。庄学强、李清等[14-15]选用CFD软件中的离散相模型对LNG泄漏扩散进行模拟,秦雅琦等[16]将泄漏源从罐壁小孔转化为液池再进行气体泄漏扩散模拟,均未对LNG连续泄漏后的相变过程进行充分研究。针对此问题,本文在利用CFD软件模拟LNG泄漏扩散时未对泄漏源进行转化,而是加入相变模型的编写设置,并在此基础上分析环境条件对大型LNG储罐泄漏扩散的影响规律,对比分析单罐及罐区泄漏的气云分布,为LNG储罐布局及泄漏防控提供参考。

1 研究场景和理论模型

1.1 场景建立

以我国南方某LNG接收站内16×104m3大型储罐为研究对象,假设地面平坦且周围无其他建筑,利用ICEM软件建立简化后的单罐及罐区模型,在外流场区域进行网格划分。单个LNG储罐模型见图1,罐体高38.45 m,直径82 m,穹顶高11 m,LNG罐区模型见图2,由4座容量相同的储罐组成。

图1 单罐模型图Fig.1 Single tank model

图2 罐区模型图Fig.2 Tank farm model

LNG储罐泄漏源分为气相和液相两种,气相泄漏主要发生在储罐顶部,离地面较远且泄漏后扩散较快,与液相泄漏相比发生危险的可能性较低。因此,主要研究LNG储罐液相连续泄漏的扩散过程以及环境因素可能对其造成的影响。根据《化工装备事故分析与预防》[17]中1949～1988年全国化工行业事故发生情况相关资料,持续泄漏小孔径为100 mm,大孔径为200 mm,为了模拟LNG泄漏的不利情况,将泄漏定为大孔径泄漏,为显著观察LNG重气云扩散情况,将泄漏位置定在储罐背风中心高处。研究风速影响时,将环境风速设为轻风3 m/s、微风5 m/s、和风7 m/s、劲风10 m/s四种情况。

1.2 理论模型

1.2.1 泄漏源强计算模型

储罐泄漏口面积远小于储罐内LNG液面积,泄漏不会引起液位明显下降,可将泄漏源看成连续泄漏源。根据伯努利方程计算液相泄漏速率,其表达式为:

(1)

式中:QL为液相泄漏速率,kg/s;Chole为流量系数,无量纲常数;Ahole为泄漏孔的面积,m2;ρL为储罐中液体的密度,kg/m3;pT为储罐内液体上方压力,Pa;patm为大气压力,Pa;g为重力加速度,9.8 m2/s;H为泄漏源与储罐内液面的高度差,m。

模拟计算采用的LNG密度为430 kg/m3,比热为2 055 J/(kg·K),导热率为0.21 W/(m·K)，黏度为0.000 118 3 kg/(m·s),相对分子质量为16.41 kg/kmol,蒸发潜热为509 332 J/kg,沸腾温度为111.66 K。

1.2.2 流动模型

LNG储罐液相泄漏扩散过程涉及相变、质量传递、热量传递、湍流流动等复杂物理问题,需要根据连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程对质量传递、动量传递和能量传递等过程进行细致描述。LNG储罐液相泄漏扩散过程涉及LNG、天然气和空气三相,可采用多相流模型来描述流动过程,其中,混合模型适用于流动中存在相混合或分离的情况[18]。

目前标准k-ε模型已经得到广泛应用,但是标准k-ε模型假设湍动黏度系数各向同性,对于储罐这种弯曲壁面流动的模拟误差较大,而Realizable k-ε模型在湍动黏度系数计算公式中引入了与旋转和曲率有关的变量,考虑了湍流流动各向异性的情况,能够有效用于弯曲壁面流动、弯曲流线流动、边界层流动。Tauseef S M等[19-20]利用CFD方法将不同湍流模型模拟结果与实验值对比,结果表明,Realizable k-ε模型在时间及空间浓度分布方面与实际结果最为吻合,因此,选择Realizable k-ε模型作为湍流模型。

1.2.3 蒸发相变模型

泄漏出的LNG为液态,经过与空气的质量热量传递气化为天然气,利用FLUENT自带的UDF功能编写LNG蒸发相变模型。在已有的相变模型中,Lee W H[21]提出的模型应用最为广泛,两相间的质量传递公式为:

(2)

(3)

式中:T为混合区单元温度,K;Tsat为饱和温度,K;ml→v为液相转化为气相的相变率,kg/(m3·s);mv→l为气相转化为液相的相变率,kg/(m3·s);r为控制相变强度的因子,根据Schepper S C K D等[22]对烃原料流动蒸发过程的模拟将r取为0.1 s-1;αl、αv分别为液相、气相的表面张力,N/m;ρl、ρv分别为液相、气相的密度,kg/m3。

2 结果与分析

2.1 各因素对LNG储罐泄漏扩散的影响

2.1.1 风速

风对LNG泄漏扩散会产生两方面的影响:一方面,风的平流输送作用会使LNG气云随风向远处运动;另一方面,风会对LNG气云起到混合稀释作用,有助于高浓度气云的扩散。通常天然气的爆炸上限(UFL)为15 %,爆炸下限(LFL)为5 %,安全区域分界线为1/2 LFL。对比四种风速下气云随时间到达下风向的最远距离见图3～4,大风速可加快下风向气云的扩散速度,使得1/2 LFL气云到达更远距离,而UFL气云则会因稀释速度的加快呈现与之相反的趋势。由此可见,风对高浓度气云产生的平流输送作用较弱,对其产生的混合稀释作用较强。

图3 不同风速下UFL气云到达下风向最远距离曲线图Fig.3 The farthest downwind distance UFL gas cloud can reach under different wind speeds

图4 不同风速下1/2 LFL气云到达下风向最远距离曲线图Fig.4 The farthest downwind distance 1/2 LFL gas cloud can reach under different wind speeds

在连续泄漏80 s内,UFL气云到达下风向最远距离总体呈现出随时间小波动上升的趋势,但其随风速的变化趋势最初却并不稳定。这是由于此时的气云仍处于储罐背风接近罐壁处,储罐的阻挡使得此处风速整体较低,差异性不明显,同时此处的紊流作用也使得气云扩散变得更加复杂,扰乱固有的流动趋势。但随着连续泄漏的进行,风速的影响逐渐凸显,直到泄漏80 s时,3 m/s风速下的UFL最远距离达到82 m,而10 m/s风速下则刚至53.5 m。高风速使得UFL气云在未达到较远距离时即稀释为低浓度气云,缩短了高浓度气云的存在时间。就1/2 LFL气云而言,风对气云的平流输送作用非常显著,80 s时的最远距离已经有很大差距,3 m/s风速下为156 m,10 m/s风速下已达到367 m。因此,在气云分布未达到稳定状态时,高风速促进了气云的顺风扩散,同一时刻的1/2 LFL气云随风速增大能够到达更远的距离,变化趋势显著且变化幅度均匀。

LNG的泄漏与扩散在达到平衡时,气云分布不再出现大幅度变化,基本趋于稳定。表1显示,3 m/s风速下的1/2 LFL气云在泄漏580 s时能够到达下风向最远距离554 m;风速大于3 m/s时,1/2 LFL气云到达下风向最远距离均低于554 m,且随风速增大而减小,同时,1/2 LFL气云到达下风向最远距离时间缩短,表明大风速不仅能够促进气云扩散,减小其分布范围,还能够使气云更快达到稳定状态。

表1 不同风速下1/2 LFL气云到达下风向最远距离及时间表

Tab.1 The farthest downwind distance and time 1/2 LFL gas cloud can reach under different wind speeds

风速/(m·s-1)1/2LFL气云到达下风向最远距离/m1/2 LFL气云到达下风向最远距离时间/s35545805492500744947010405450

2.1.2 风向

上述研究场景均是基于泄漏孔在背风侧的假设,为详细分析风向对大型LNG储罐泄漏扩散的影响,选取顺风、侧风和逆风三个典型风向进行模拟对比。

在LNG连续泄漏至80 s时,顺风泄漏产生的1/2 LFL气云体积为24 229.9 m3,侧风泄漏产生的1/2 LFL气云体积为22 680.9 m3,逆风泄漏产生的1/2 LFL气云体积为21 905.4 m3。根据图5顺风泄漏到逆风泄漏的结果,同一时刻的气云体积逐渐减小,这是由于储罐本身对气云扩散的阻碍作用逐渐加强,风对气云的输送作用逐渐减弱,导致气云扩散速度减慢。对长时间泄漏而言,顺风泄漏时泄漏速率与蒸发速率能最快达到稳定,而逆风泄漏时则最迟达到稳定,同时缓慢的扩散速度会使得高浓度气云的存在时间延长进而导致危险气云体积增加,危险区域增大。

a)顺风泄漏a)Downwind leakage

b)侧风泄漏b)Crosswind leakage

c)逆风泄漏c)Upwind leakage

2.1.3 障碍物

储罐周围还有一些如办公楼、控制室等较大的建筑物,为了说明储罐周边建筑物对储罐泄漏扩散的影响,在储罐下风向50 m处设置障碍物(挡板),宽100 m,高25 m。

在LNG重气云翻越障碍物之前,受扩散及复杂风场影响,气云内部浓度分布非常不均,会在储罐与障碍物之间短期聚积,形成高浓度气云,这是由于储罐与障碍物的双向阻挡限制了气云的流动,导致气云稀释作用减弱。在LNG气云翻越障碍物之后,大部分重气云仍会受重力影响向下沉降,但其扩散速度大大加快,云团迅速向下风向扩展。根据图6可知,障碍物除了能够使中间部分重气云沿障碍物向上攀爬,直至翻越障碍物,还能够使得重气云在顺风扩散的过程中分流,呈现出“钳”状,“钳”代表的两个分支云团会随着LNG的泄漏扩散不断增大,最终融合为一体。

因此,重气云绕过障碍物存在攀爬和分流两种形式,为了防止泄漏形成的蒸汽云集聚在办公行政楼、员工宿舍、控制室等引起危险,接收站建筑物建设布局必须经过严格计算得出站内各设施的最小安全距离,再进行总平面布置设计。

a)50 s

b)70 s

2.2 单罐及罐区泄漏扩散分析及对比

LNG泄漏扩散在大气环境中进行,受到大气流动的影响,在单个储罐周围没有其他障碍物的情况下,空气从X负方向朝正方向流动,图7显示风场分布仅受储罐自身影响。储罐迎风面气流部分沿储罐轮廓向上抬升,其余向储罐两侧分流,流线相对规则;储罐背风面气流受到储罐自身阻挡出现明显的漩涡及回流,流线紊乱。

图7 单罐风场流线图Fig.7 Wind field streamline figure of single tank

常温常压下空气密度约为1.225 kg/m3,LNG从罐壁泄漏后与空气进行强烈快速的热交换,部分气化形成高浓度低温蒸汽云,其初始密度约为空气的1.5倍,从图8显示的气云分布可见,在扩散的同时受重力影响向地面沉降。由于储罐背风侧气流的漩涡及回流作用,部分气云逆风向罐壁处扩散,导致罐壁壁面形成大量高浓度气云,罐壁温度降低。而大部分气云受顺流风场的影响向远离储罐的方向扩散,因气云对空气有卷吸作用,高浓度气云逐步扩散为低浓度气云,因而随着时间的进行,低浓度气云的面积逐步增大,爆炸浓度区域增大。气云浓度降低会导致其密度降低,当与空气密度相差较小甚至低于空气密度时,气云受大气浮力影响,在顺风扩散的同时向上部空间流动。

a)10 s

b)20 s

c)30 s

d)40 s

目前国内LNG接收站罐区大多具备2座及2座以上的大型LNG储罐,LNG泄漏扩散过程中遇到的罐区内部最大障碍物即是其他未发生泄漏的大型储罐。以南方沿海某罐区分布为例,除发生泄漏的储罐外还有3座相同储罐。根据图9的风场分布情况可见,每座储罐背风侧均会产生漩涡及回流,两罐之间的风场更因双重阻挡导致紊流作用加强,回流增多,流动更加复杂。

图9 罐区风场流线图Fig.9 Wind field streamline figure of tank farm

罐间空气回流导致罐区1/2 LFL气云在未到达下风向储罐时超前抬升,此后大量气云沿罐壁被动向上扩散并受风场影响继续向下风向运动。从图10中两个时刻的气云分布来看,顺风向气云由于储罐的阻挡未到达罐区外部,但竖直向气云却因此高达一百多米,使得罐区危险气云体积增多,增加了发生火灾爆炸的危险,但从另一方面看,储罐的阻挡延长了危险气云到达罐区外部的时间。

泄漏80 s时1/2 LFL气云分布见图11,对比可见两种几何模型的模拟结果差异巨大,开敞空间单罐泄漏后的气云体积远小于罐区气云。一方面,罐区风场比单罐风场复杂得多,存在更多的回流,高浓度气云停滞时间增加,气云向下风向扩散的速度减慢;另一方面,下风向储罐对气云的阻挡导致气云沿储罐向两侧扩散,风对横向气云扩散的抑制作用减弱,气云宽度不断增加。以此可见,储罐对气云扩散的阻挡作用非常大,罐区应尽量远离周围建筑,内部安装高敏感性报警器,以便能够快速采取安全防护措施,在堵漏的同时利用水幕稀释高浓度气云。

a)40 s

b)60 s

a)单罐a)Single tank

b)罐区b)Tank farm

3 结论

1)风能有效促进气云的扩散,且对高浓度气云产生的混合稀释作用较强,而对低浓度气云产生的平流输送作用较强,在LNG泄漏及扩散达到稳定之前,风速越大,UFL气云到达下风向距离越短,1/2 LFL气云到达下风向距离越远。在3 m/s低风速下,1/2 LFL气云在泄漏580 s时能够到达下风向最远距离554 m。

2)储罐本身对气云扩散起阻挡作用,泄漏80 s时的1/2 LFL气云体积从顺风24 229.9 m3,侧风22 680.9 m3,直至逆风21 905.4 m3,阻碍作用逐渐加强,气云扩散速度逐步减慢。因此,逆风泄漏最不利于气云扩散,稳定后形成的危险区域最大。

3)障碍物阻挡重气云扩散,使得高浓度气云短期聚积,增大火灾爆炸危险性;LNG重气云绕过障碍物存在攀爬和分流两种形式,气云短时间内会呈现“钳”状。

4)LNG泄漏后初始气云密度大于空气,呈重气扩散特征,同时风场分布影响气云扩散,建筑分布越复杂,出现漩涡和回流的情况越多,高浓度气云停滞时间越长,气云扩散减慢,因此,同一时刻单罐泄漏形成的危险区域远小于罐区储罐泄漏形成的危险区域。