基于FLACS的船对船LNG加注过程中的泄漏扩散分析

黄国良,曹蛟龙,张海涛,周斌，梁斌,冯雨翔

(1.中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452;2.中国船级社 武汉规范研究所，武汉430022;3.武汉理工大学 智能交通系统研究中心，武汉 430063)

随着液化天然气(LNG)行业的发展，船舶采用LNG作为动力燃料也越来越普遍[1]，为了减少集装箱船舶的靠港时间从而提高作业效率，一般加注LNG燃料的同时进行集装箱起吊同步作业由此带来的潜在风险不可忽视。未见采用传统的评估方式对此类作业场景进行精细的量化分析的报道，随着计算流体力学(CFD)软件的进一步发展，引入定量计算已经成为行业趋势[2]。

现有的LNG泄漏扩散计算软件主要有：TNO EFFECTS，基于TNO黄皮书[3]中公开的理论模型，可用于易燃、火灾、爆炸和毒性危害的二维模拟分析；由DNV开发PHAST，基于自有UDM(Universal Dispersion Model)以及内嵌的经验计算公式组成的扩散计算模型的二维模拟软件，该模型及公式用户无法知晓[4]；挪威GEXCON公司开发的FLACS，基于孔隙率(PDR)技术的三维CFD计算软件，集成近40年的实际试验的数据修正，用于模拟易燃气体的释放、分散、通风和爆炸等[5]。除此以外，一些通用的CFD软件，例如,Fluent，可以通过自定义参数的方式模拟LNG的泄漏、蒸发、扩散等问题，但是相较以上专业的扩散仿真软件计，使用过程繁杂且未经过针对LNG物料特性的修正。

针对船对船LNG加注同步作业过程中的泄漏案例，选用FLACS软件进行模拟。

1 同步作业船舶参数及加注码头

国际气体燃料动力船协会(The Society for Gas as a Marine Fuel)认为同步作业(SIMOP(s))：LNG加注所附加的一个或多个同时进行的其他活动和(或)操作，其相互作用可能对安全、船舶完整性和(或)环境造成不利影响。

本文分析的同步作业指：采用12 000 m3LNG加注船对23 000 TEU集装箱受注船进行加注的同时进行集装箱的装卸作业。

12 000 m3LNG 运输加注船的主要功能为装载LNG 进行船对船和船对岸的加注、反输/补液服务，船舶外形及布置见图1,基本参数见表1。

表1 12 000 m3LNG运输加注船参数 m

图1 12 000 m3LNG运输加注船

23 000 TEU超大型集装箱船为受注船，船舶外形见图2,基本参数见表2。

图2 23 000 TEU集装箱运输船

表2 23 000 TEU集装箱运输船参数 m

选取洋山港一期码头为作业码头，码头岸线全长1 600 m，配备5个集装箱深水泊位，码头前沿水深16 m，可停靠第五、第六代集装箱船。

图3 洋山港集装箱装卸码头一期

2 FLACS计算参数、模型及场景

在FLACS软件中建立加注船、受注船,以及加注码头的三维模型(见图4)，尽可能还原图纸细节，重点关注加注接头位置及周围的布置，以确保计算结果的准确性。

图4 船舶模型

依据设计选取最大高程差场景进行仿真计算，分别为受注集装箱船满载加注船空载，加注接头高程差4.35 m(加注船高于受注船)；受注集装箱船空载加注船满载，加注接头高程差-2 m(加注船低于受注船)。

加注船采用首部集管区的布置为2液1气，气相/液相及接头均为：8 in(DN200)，LNG温度为-163 ℃，管路设计压力1.05 MPa，加注传输压力1.0 MPa以内，分析共涉及18个场景，分别包括气相、液相管路破裂，破口尺寸包括典型的1/10、1/2及全口径，风向平行船长(由首至尾)和垂直船长方向，船舶两种高差(4.35 m和-2.0 m)。

3 计算结果

仿真计算场景见表3。

表3 计算场景描述及结果

计算云图见图5。

图5 计算结果云图

对比分析计算结果发现：

1)同样泄漏条件下(泄漏口径、压力、物料参数、环境条件等)，液相泄漏的LNG总物质量大于气相泄漏，液相泄漏扩散到空气中的量取决于蒸发速率，但受到环境条件影响，泄漏距离与泄漏量并不呈现比例增加。

2)1/10泄漏口径情况下，液相/气相的扩散范围基本可控制在加注平台范围内，部分场景由于狭缝效应，会在半围蔽空间形成不易扩散的可燃蒸气云。

3)1/2泄漏口径情况下，液相/气相的扩散范围基本可以蔓延至甲板以上范围，从而对同步作业造成影响。

4)全泄漏口径情况下，液相/气相的扩散范围进一步扩大，风向为船长方向时可蔓延全船长度；风向为船宽方向时，集装箱满载可蔓延甲板以上约25 m，集装箱船空载时刻可蔓延全部甲板宽度。

5)在1/2口径和全口径泄漏时，可能会在下风向形成独立的云团，部分情况可能会飘至船尾甲板，全口径较为明显，场景12，见图6。

图6 独立云团

6)基于以上计算拟合出可燃蒸气云最大扩散范围，见图7。

图7 可燃气体最大扩散范围

全口径泄漏情况下，可燃蒸气云扩散范围最大，风向沿船长方向时可蔓延至全船长度；风向沿船宽方向时，集装箱满载可蔓延甲板以上约25 m，集装箱船空载时刻可蔓延全部甲板宽度。

4 结论

1)1/10口径泄露场景，同步作业基本不受影响；1/2口径泄露，部分区域受到影响；全口径泄漏，发生概率极低，但是一旦发生会造成大面积的可燃蒸气云集聚，应采取保护措施避免此类泄漏，如使用拉断阀等安全设备。

2)在较大口径泄露时，由于湍流的存在，部分可燃蒸气云团可能脱离稳定的扩散区域，形成独立的云团，此类云团，通常超出使用定性以及二维定量分析方法给出的安全区域，建议采用三维CFD计算方法进行分析。其形成原因推测为，三维风场中部位区域为低风速区，其换气速度低于环境中的平均值，一旦可燃蒸气云聚集在此类区域形成独立的云团，其扩散轨迹则形成了新的危险区域。

3)可参考计算得到的可燃蒸气云扩散范围来划定加注作业的安全区域，在加注作业期间，该区域可能存在NG/LNG泄漏，如遇点火源可发生火灾、爆炸等事故。作业期间不允许无关人员进入，且不得有点火源。