大型LNG储罐底部燃爆安全风险分析*

2022-04-29韩继明凌晓东唐晨飞张正红于安峰

安全、健康和环境 2022年4期

韩继明，凌晓东，唐晨飞，张正红，于安峰

(1. 中国石油化工股份有限公司炼油事业部，北京 1007282. 中石化安全工程研究院有限公司化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104 3. 中石化国家石化项目风险评估技术中心有限公司，山东青岛 266071)

0 前言

当前中国能源市场面临着经济快速增长与国内能源供应不足的矛盾，根据中国可持续发展油气资源战略研究报告预测，未来15年天然气的消费量40%左右依赖进口，约800×108m3的供应缺口将由进口的液化天然气(LNG)填补，促进了LNG接收站的发展[1-2]。根据《中国天然气发展报告》白皮书，随着中国绿色低碳能源战略的持续推进，发展清洁低碳能源将成为优化能源结构的重要途径，未来较长一段时间天然气将在中国能源发展中扮演重要角色。通过加大政策支持力度，到2030年，力争天然气在一次能源消费结构中的占比达到15%左右。未来天然气需求增量主要来自城镇燃气、天然气发电、工业燃料和交通运输四大领域。

LNG主要由甲烷(含量为90%～98%)及少量的乙烷、丙烷、丁烷及氮气等组成，爆炸下限为3.6%～6.5%，爆炸上限为13%～17%，遇明火会发生爆炸，且易形成蒸气云爆炸[3-6]。我国正在进行目前世界最大的27×104m3LNG储罐的设计与建设工作，LNG储罐底部承台结构密集，构成高阻塞区，一旦泄漏的LNG进入底部区域，燃爆风险高，事故后果严重。

CFD技术可对多种爆炸风险进行定量评估和科学管理，在石油化工领域有着广泛应用。CFD气体爆炸模拟是基于黏性流体的Navier-Stokes(N-S)方程、连续性方程和能量方程，利用立方体网格将计算区域划分为网格的一种高层次的复杂模拟[7-8]。在蒸气云爆炸模拟时，CFD技术可考虑障碍物布局、空间拥塞度、受约束程度、点火位置、燃料特性、水雾、泄压设施等因素对爆炸的影响，模拟结果更能反映气体爆炸的实际情况，并解释气云流场中的细节问题，可以为安全规划、应急救援及事故调查等提供更准确的依据[9-10]。本文旨在建立CFD技术模拟储罐底部不同工况下的蒸气云爆炸模型，确定其产生最大超压值，为设计者提供可靠的数据，从本质安全上改善LNG储罐性能，以便大大降低LNG储罐风险。

1 数学模型选取

LNG作为低温液体，在泄漏后会迅速吸热成为气体，并在空气中扩散成为预混气体，预混气体遇点火源发生爆炸。如果静止的LNG预混气云在开敞空间中被弱点火源点火，形成的薄层火焰将以层流的形式穿过气云向前传播。在火焰传播过程中，由于火焰的不稳定会褶皱火焰的表面，增大火焰面积，从而导致火焰传播速度加快。但火焰传播速度的增加是有限的，一般情况下不会产生破坏性的压力波。

在合适的刚性边界条件(例如障碍物)作用下，火焰传播速度会进一步加快，这主要是由于障碍物会诱导产生有速度梯度和湍流的膨胀流。当燃烧过程触及到膨胀流内部时，局部燃烧速率将会增加。开始时湍流强度较低，漩涡会褶皱火焰表面，增加火焰燃烧速度，从而产生更强的膨胀流。流速进一步增加，高的流速会加大湍流的强度等级，在高强度湍流的影响下，火焰前驱会逐渐丢失原来光滑的表面，形成湍流火焰，内部也发生变化。由湍流引起的漩涡将分裂火焰前驱，导致更高的燃烧速率，高的燃烧速率又会产生更强的膨胀流和湍流等，最终产生很高的爆炸压力，从而极大地增加气云爆炸的威力。因此，火焰加速和较高爆炸压力的产生主要是由于障碍物诱导的湍流对燃烧过程的正反馈，见图1。

图1 湍流引起的火焰加速正反馈机制

LNG扩散及爆炸过程符合流体力学基本规律，采用数值计算方法直接求解流动主控方程(Euler或Navier-Stokes方程)，研究LNG泄漏扩散流动现象规律。划分计算网格，求解每个单元的运动方程，其中主要利用的流体方程如下[11-12]：

动量能量方程：

(1)

(2)

式中：ρ——密度，kg/m3；

u——速度，m/s；

p——压力，Pa；

μ——流体湍动黏度，Pa·s；

E——能量，J；

keff——有效传导系数，cm2/s；

T——温度，K；

hj——组分j单位质量能量，J/kg；

Jj——组分j的扩散流量，g/(cm2·s)。

湍动能输送方程：

(3)

(4)

式中：ρm——混合密度，kg/m3；

k——湍动能，m2/s2；

μt,m——湍流黏度，Pa·s；

δk——方向梯度，m；

Gk,m——湍动能产生项；

ε——湍流耗散率，m2/s3；

υm——混合速度，m/s；

C1ε,C2ε,σε——模型无量纲常数。

2 燃爆模型建立

2.1 物理模型

按储罐的设置方式及结构形式，LNG储罐可分为地下储罐和地上储罐，其中地上储罐有球形罐、单容罐、双容罐、全容罐及膜式罐。由于全容罐可以承受外来飞行物的攻击和热辐射，对周围的火情具有良好的耐受性，且混凝土对可能的液化天然气溢出提供了良好的防护，所以当前大型的LNG储罐均采用全容罐式。

选取某LNG接收站27×104m3LNG全容罐为研究对象，基本参数为：内罐直径为90 m，外罐直径为92.4 m，内罐壁高度为44.8 m，罐体总高60 m；罐底部由476根(直径为1.2 m)和164根(直径为1.4 m)的短柱支撑，罐底板高出地坪1.5 m，如图2所示。建立该LNG储罐物理模型，如图3所示。

图2 某大型LNG储罐结构

图3 某大型LNG储罐三维模型

2.2 计算参数

考虑极端事故场景，假设储罐底部全部充满化学当量的LNG蒸气云，用长、宽和高分别为92.4 m×92.4 m×1.5 m LNG蒸气云的填充储罐底部。该蒸气云组分(体积分数)为98%CH4、1.8%C2H2、0.2%C3H8。在爆炸模拟中，计算区域内采用0.4 m×0.4 m×0.4 m的网格，总网格数约为430×104个。对3种不同点火位置下的储罐底部爆炸情景进模拟计算，计算场景参数见表1。

表1 模拟计算场景

3 模拟结果与分析

3.1 火焰传播过程

储罐底部中心位置点火后罐底火焰形成发展过程如图4。当发生点火时，气云立刻被点燃。由于火焰不稳定，传播过程中会褶皱火焰表面，增大了火焰面积。到达1.36 s后，火焰逐渐加速，呈雪花形状，并迅速向四周扩展。这是由于罐底支撑短柱的存在，导致局部气体产生膨胀流，并使得湍流强度升高。在高强度湍流的影响下，火焰前驱会逐渐失去原来光滑的表面形成湍流火焰。由湍流引起的漩涡将分裂火焰前驱，导致更高的燃烧速率，高的燃烧速率又会产生更强的湍流，导致火焰进一步加速。1.52 s后火焰达到储罐外边缘并继续向外扩展，由于储罐外部阻碍物较少，火焰逐渐减速，1.86 s时火焰覆盖面积达到最大。

图4 中心点火时火焰发展形态

3.2 温度场

储罐底部点火后不同时刻下储罐底部温度场的传播及变化过程见图5。储罐中心被点燃后，中心区域温度逐渐升高，1.36 s时达到2 000 K以上。随着火焰表面的扩展，高温区域逐渐增大，1.47 s时中心点的最高温度升高至2 700 K，达到最大值。随着中心区域可燃气体的耗尽，中心区域温度逐渐降低，同时高温区域逐渐向储罐外围扩展。

图5 中心点火时不同时刻下罐底温度场分布

3.3 爆炸冲击波

爆炸发生后储罐底部爆炸超压产生、发展和传播过程见图6。可以看出，点火后，点火点附近的爆炸超压升高，随后从中心开始向四周传播。由于罐底部圆柱的阻碍作用，气体湍流增强。当火焰传播至湍流区域时，燃烧速率迅速增加，进而使冲击波前缘的流速和湍流强度增大。爆炸冲击波传播到罐底边缘时，传播路径达最大，并且传播过程中重复遇到障碍物，使得燃烧传播速率持续增大，而燃烧速度的增大会引起爆炸压力的升高。因此，最大超压产生在罐底边缘，最大值超过300 kPa。

图6 中心点火时不同时刻下罐底爆炸超压分布

在储罐底部设置21个监测点，其中监测点1设置在储罐底部中心点，监测点6，11，16，21位于储罐边缘处，各监测点与相邻监测点距离为10 m，具体位置如图7所示，计算结果如图8所示。中心点的爆炸压力最高，最大可达到336 kPa，距离中心点越远，爆炸压力依次降低。边缘处的监测点6爆炸超压远小于其他监测点，约为41 kPa。

图7 储罐底部监测点布局

图8 储罐底部监测点处的爆炸超压时程曲线

3.4 不同点火源位置对爆炸的影响

分别对点火源点距离储罐中心点20，30 m进行模拟计算，并对各监测点的结果进行对比分析，见图9，图10。

图9 点火源距储罐中心点20 m时各监测点的爆炸超压时程曲线

图10 点火源距储罐中心点30 m时各监测点的爆炸超压时程曲线

点火源与中心点的距离对蒸气云爆炸产生的超压影响显著，见图11。从图中可知，离中心点较远产生的超压相对较大。说明蒸气云爆炸受许多因素的综合影响，燃烧路径的长度也是重要影响因素之一。当点火源离中心点30 m时，蒸气云爆炸产生的最大超压达到453 kPa，明显高于其他两种点火情况。这是因为此情况下燃烧路径较长，燃烧产物不能及时泄放，在障碍物的作用下，火焰到达边缘时，燃烧速度和湍流强度更大。