基于PHAST软件的LNG接收站泄漏扩散模拟分析

2022-04-28中海油石化工程有限公司济南250101

化工设计 2022年2期

昃彬中海油石化工程有限公司济南 250101

近年来，国家非常重视LNG产业的发展，在沿海地区相继规划和建设了多个LNG接收站。LNG接收站的主要功能包括：LNG的接收、储存和增压气化。LNG是以甲烷为主要组分的烃类混合物，另外还有少量的乙烷、丙烷、氮等组分，具有火灾爆炸的危险性，另外，还可能引起人员冻伤、窒息。

因此，分析研究LNG的泄漏扩散问题，了解其运动规律，有助于为LNG接收站的布置、LNG泄漏后应急处置措施的确定及警戒范围的划定等提供依据。LNG泄漏扩散过程较复杂，涉及气液相变、多组分输送、湍流流动、热量传递等动态过程。目前对LNG泄漏扩散的研究主要集中在泄漏源大小、环境条件(如风速、温度、湿度、大气稳定度)等对泄漏扩散的作用效果上，但针对LNG接收站在不同压力状态下的LNG泄漏、是否能到达地面形成液池，以及集液池收集对扩散的影响研究较少。

由DNV开发的工艺危险源分析软件工具(Process Hazard Analysis Software Tool，简称PHAST软件)，是基于自有UDM(Universal Dispersion Model)以及内嵌经验计算公式组成扩散计算模型的二维模拟软件[1]。本文运用PHAST 8.0版本，以某LNG接收站为模拟分析对象，选取在不同压力状态下的LNG泄漏单元，对泄漏扩散进行模拟研究，较全面地分析在连续泄漏、瞬时泄漏工况下，泄漏扩散的影响因素。

1 LNG泄漏扩散机理分析

本文主要研究的是液化天然气(LNG)以液相流出。泄漏流出的驱动力是与环境之间的压差，并与储存物质的热力学状态有关。因LNG的储存温度高于正常沸点，因此，泄漏的LNG会发生闪蒸，泄漏后最终温度是其正常沸点温度(-161℃左右，还与其组分有关)。

LNG蒸发的气体为无色，但因为温度很低，使得卷吸进入气云的水蒸气发生冷凝，形成可见气云。蒸气云从周围环境卷吸空气，不断沿着地面扩散并向着下风方向运动。一般认为扩散过程分为四个阶段：重力沉降阶段、空气卷吸阶段、重气扩散向非重气扩散转变阶段和被动扩散阶段[2]。

LNG泄漏工况通常分为瞬时泄漏和连续泄漏两种[3]。瞬时泄漏是指容器或管道由于人为或者自然灾害的破坏瞬间完全失效；连续性泄漏是指泄漏口面积远小于容器或管道的横截面积，与LNG存量相比是相对较小的流出率(泄漏速率)，可认为是准平稳的连续泄漏[4]。

不论是瞬时泄漏还是连续泄漏，应判断是否能到达地面形成液池。若形成液池，LNG会吸收地面热量，继续蒸发，返回到气云中。液池的蒸发率受平均液池温度、液池表面积和传热系数等因素控制。泄漏到地面的液池会以泄漏源为圆心向四周扩展。若泄漏源周围不存在障碍物，液池表面积会不断增大，此时液池表面积是泄漏时间的函数[5]。

2 LNG泄漏模拟分析

2.1 泄漏模拟分析相关参数

目前大型LNG储罐均采用全容式混凝土储罐，即使内罐发生泄漏，外罐也能够容纳泄漏的物料，可以起到物理隔离的作用，因此，不考虑LNG储罐本身的事故破裂。泄漏单元的划分，需考虑工艺单元的介质相态、操作参数、设备布置、紧急切断阀的布置等因素。

本文以某接收站为模拟分析对象，选取在三个不同压力状态下的LNG泄漏单元，各泄漏单元操作条件见表1。

表1 各泄漏单元的操作条件

模拟所用的LNG摩尔组成为甲烷：86.35%、乙烷:8.25%；丙烷:3.05%；丁烷:2.25%、氮气:0.1%。大气环境温度为21.6℃，太阳热辐射强度为0.2kw/m2，相对湿度为80%。

2.2 连续泄漏工况模拟结果与分析

2.2.1 不同泄漏孔尺寸的影响

为研究不同泄漏孔尺寸的影响，本节根据《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》(GB/T 37243-2019)6.4.4节对各泄漏孔径的取值范围划分，分别选择小孔泄漏(5mm)、中孔泄漏(50mm)、大孔泄漏(100mm)进行模拟，结果对比见表2。

表2 各泄漏单元不同泄漏孔尺寸下的泄漏结果(泄漏高度1m)

结果表明，对同一泄漏单元，泄漏孔尺寸越大，泄漏速率越大。在相同泄漏孔尺寸下，泄漏前系统压力越高，泄漏速率越大。

泄漏后最终温度是其正常沸点温度，另外泄漏结果还包括闪蒸后的液体质量百分比、平均液滴尺寸等。由表2可知，同一泄漏单元不同泄漏孔尺寸的液体质量百分比、液滴平均尺寸均相同，说明闪蒸后的液体质量百分比、平均液滴尺寸与泄漏孔尺寸无关；液体质量百分比、液滴平均尺寸与泄漏前后介质的热力学状态有关，泄漏前系统压力越高，形成的液滴尺寸越小。

2.2.2 不同泄漏单元、不同风速对液池形成的影响

在相同泄漏高度下，本节模拟了不同风速(2、5、10m/s)，各泄漏单元小孔泄漏(5mm)、中孔泄漏(50mm)、大孔泄漏(100mm)是否可形成液池，结果对比见表3。

LNG闪蒸后会形成具有一定速度的两相喷射流。随后在环境中可不断卷吸、夹带空气。PHAST软件可计算泄漏后液滴的平均尺寸，并跟踪其轨迹，以确定是否能到达地面形成液池。

对比结果表明，泄漏单元3形成的平均液滴尺寸足够小(95.20μm)，可在空气中形成气溶胶，直接在空气中蒸发，不会在地面形成液池。泄漏单元1、2的小孔泄漏(5mm)，虽然形成的液滴尺寸较大(341.59μm、261.53μm)，但因泄漏速率小，液滴在到达地面前可完全蒸发。泄漏单元2的中孔泄漏(50mm)，当风速到达10m/s时,无液池形成，说明风速越大，可加大与空气对流，有利于液滴在到达地面前完全蒸发。

表3 不同泄漏单元、不同风速对形成液池的影响(泄漏高度1m)

2.2.3 不同泄漏高度对液池形成的影响

本节选取泄漏单元2的中孔泄漏(50mm)模型，模拟了不同泄漏高度对液池形成的影响，分别选取了60m、5m、1m的泄漏高度。模拟结果见表4。

表4 不同泄漏高度对形成液池的影响(风速2m/s)

结果表明，若泄漏高度足够高，液滴可在降落过程中可完全蒸发。因此，对于连续泄漏工况，能否形成液池受平均液滴尺寸大小、泄漏高度、泄漏速率、环境风速等因素的影响。若液滴足够小或在到达地面前完全蒸发，则无法形成液池。

2.3 瞬时泄漏工况模拟结果与分析

各泄漏单元若发生瞬时泄漏(完全破裂)，泄漏模拟结果见表5。

表5 不同泄漏单元瞬时泄漏结果(泄漏高度1m，风速2m/s)

根据TNO黄皮书《Methods for the calculation of physical effects》，发生瞬时泄漏时，能否形成液池取决于瞬时闪蒸率。带到空气中的液体量等于2倍的闪蒸量，若闪蒸率大于0.5，则液体全部带走，地面无液池形成[6]。

由表5结果可知，若发生瞬时泄漏(完全破裂)，泄漏量大，各泄漏单元以液体为主，均在地面形成液池。

3 气云扩散模拟分析

3.1 泄漏量对气云扩散的影响

对于连续泄漏工况，本节首先模拟了不同泄漏孔尺寸对气云扩散的影响，选取泄漏单元1，小孔泄漏(5mm)、中孔泄漏(50mm)、大孔泄漏(100mm)的气云扩散情况见表6。

表6 连续泄漏工况不同泄漏孔尺寸对气云扩散的影响(风速2m/s，泄漏高度1m)

由表6可知，连续泄漏工况下，泄漏孔尺寸越大，泄漏速率(单位时间泄漏量)越大，气云扩散的影响距离越远。

对于瞬时泄漏工况，各泄漏单元气云扩散情况见表7。

表7 瞬时泄漏工况气云扩散影响距离(风速2m/s，泄漏高度1m)

由表7可知，瞬时泄漏工况下，泄漏量(系统存量)越大，气云扩散的影响距离越远。

3.2 集液池收集作用对气云扩散的影响

LNG接收站设置了泄漏收集系统，将泄漏到地面上的液体收集到集液池中，此时泄漏液体的扩展受到限制。本节选取泄漏单元1的中孔泄漏(50mm)模型，模拟了无集液池、不同集液池尺寸情况下的气云扩散情况，见表8。

表8 集液池收集作用对气云扩散的影响(风速2m/s，泄漏高度1m)

由于集液池的存在，可通过限制液池的表面积来降低蒸发率，并且提供了泄漏液体与地面之间更长的接触时间。结果表明，无集液池收集情况下，气云到达爆炸下限的扩散最远距离为130.4m，设置长宽深分别为6.5×6.5×4.3m的集液池后，影响距离可降至50.1m，集液池的收集作用可明显减低气云扩散的影响距离。另外，在集液池容积相同(180m3)的情况下，集液池表面积越小，气云扩散的影响距离越小。

3.3 环境风速对气云扩散的影响

本节选取泄漏单元3的中孔泄漏(50mm)模型，模拟了三种不同风速情况下的气云扩散情况，分别为2、5、10m/s，详见图1。

图1 环境风速对气云扩散的影响

由图1可知，环境风速对气云扩散有明显的作用。风速在2m/s情况下，气云的宽度接近120m，气云顺风到达50%爆炸下限的扩散最远距离为392.3m；风速在5m/s情况下，气云的宽度只有将近48.2m，气云顺风到达50%爆炸下限的扩散最远距离降至276.8m。因此，环境风速对气云扩散的影响主要体现在对气云的输送作用以及对加大与气云的对流，起稀释作用[7]。风速越大，越有利于气云扩散，使其不容易聚集成易爆气云团。