海岛环境下LNG泄露扩散分析

2022-10-28宁浩淼吕青青叶继红

工业安全与环保 2022年10期

宁浩淼吕青青叶继红

（浙江海洋大学石油化工与环境学院，浙江舟山 316022）

0 引言

根据2020年中国统计年鉴显示，2017年天然气消费总量为31452万t标准煤，占2017年能源消费总量的6.9 %；2018年天然气消费总量为35 866万t标准煤，占2018年能源消费总量的7.6%，同比增长14.03%；2019年天然气消费总量为39 447万t标准煤，占2019年能源消费总量的8.1%，同比增长9.98%，天然气目前已成为重要能源之一。

LNG发生泄漏时，会迅速扩散到空气中，体积膨胀为原来的600倍，LNG蒸汽在-162℃下的密度约为空气的1.5倍，形成的蒸气云受重力作用积聚在地表附近，当扩散的天然气蒸气云体积分数达到爆炸极限时（体积分数为5%~15%），遇明火则会发生燃烧。蒸气云燃烧过程中若没有及时切断LNG泄漏源，则火灾有可能蔓延至液池内，形成池火。通常空气中的含氧量为20.9%，当LNG泄漏扩散到空气中会使大气中的氧气含量降低，此时可以对人体造成伤害，如下表1所示。

20世纪70-80年代，国外针对LNG泄漏扩散进行了一系列现场试验，20世纪90年代，借助风洞试验研究LNG的泄漏扩散。同时，其他科研工作者利用获得的实验数据研究LNG泄漏的扩散模型［1-6］，另有科研工作者在此基础上同计算机结合，对LNG进行数值模拟。近年来国内的专家学者在传统的扩散模型和数值模拟软件上进行改进［7-12］，使其更好地模拟LNG的泄漏扩散。

CALAY R K等［13］利用FLUENT软件中的欧拉-拉格朗日模型对LNG圆孔喷射泄漏后的蒸发扩散过程进行了模拟分析；GAVELLI F等［14］利用FLUENT软件模拟了障碍物对LNG蒸气云扩散的影响；崔铁军等［15］提出使用CA（细胞自动机）将连续性的扩散云分离成气团，通过气团的重叠或融合表示扩散云，并以此建立了气团的运动模型。李悦等［16］改进了SLAB模型，使其可以计算不断变化的风向风速条件下的气体扩散计算；鲁盈利等［17］利用MATLAB软件计算研究了LNG加注趸船的蒸气云爆炸后果。

海岛地区远离城市居住区，人烟稀少，海岛型石化基地有助于石化企业原料运输和减少事故危害。同时，海岛型石化基地交通不便，一旦发生泄漏、火灾爆炸事故，若发现不及时，难以救援，因此，本文针对海岛型石化基地事故进行LNG泄漏扩散分析有助于在事故发生时在有效时间内对事故进行控制。

1 LNG泄漏过程计算

1.1 源强计算

LNG泄漏属于可压缩气体的流动，源强计算遵循机械能守恒方程，要先判断气体流动属于声速流动还是塞流运动。

声速流动条件以及源强计算如下：

塞流运动条件以及源强计算如下：

式中，p为大气压强，101 325 Pa；p0为储罐内绝对工作压力，Pa；为比热容比，LNG取1.27；Qm为质量流量，kg/s；C0为释放系数，声速流动取0.61，塞流运动取1.0；A为泄漏孔面积，m2；g为重力加速度，取值9.8 m/s2；M为泄漏气体或蒸气的相对分子质量；Rg为理想气体常数，此处取8.314 J/（mol·K）；T0为释放源温度，K。

1.2 重气云扩散模型

LNG储罐破损发生泄漏时，泄漏的低温LNG液体会迅速从周围环境中吸收大量热量形成密度约为空气密度的1.5倍的重气云团，此时重气云受到的主要作用力是大气湍流作用力和重气云自身重力，重气云在重力的影响下向地面下沉，直径增加而高度减小。

使用Britter-McQuaid模型对前期重气扩散进行计算，要先做出如下假设：假设泄漏释放发生在周围环境温度下，并且没有小液滴生成。

连续泄漏的特征源尺寸定义为：

判断是否属于重气释放：

气体连续泄漏浓度关系公式为：

初始气云浮力因子：

式中，Dc为重气连续释放的特征源尺寸，m；V0为瞬时释放的重气物质的初始体积，m3；qc0为连续泄漏气云初始体积流量，m3/s；Cm为气云垂直截面上的浓度，kg/m3；C0为气云垂直截面上的初始浓度，kg/m3；fc为普遍化无因次系数；u为10 m高处的风速，m/s；g0为初始气云浮力因子，m/s2；g为重力加速度，m/s2；0为释放物质的初始密度，kg/m3为周围环境空气的密度，kg/m3。

求得相应参数后根据图1以及表2计算气体浓度。

对于非等温释放，需要对计算得到的浓度进行修正：

式中，C*为修正后的浓度；C为计算得到的浓度；Ta为环境温度，K；T0为释放源温度，K。

表2 描述连续泄漏关系曲线的近似方程

在重气云扩散过程中，周围空气的周围环境地面发生热量传递，使重气云温度逐渐升高，并且受到周围大气的湍流扰动作用，重气云顶部和侧面受到周围空气的卷吸、稀释和冲淡，并与周围空气进行混合，密度逐渐降低，慢慢转化为非重气扩散。

假设释放转变点的位置为xt，则在xt处有：

式中，C0为释放点处的浓度，kg/m3；Cx为距离释放点下风向x处的质量浓度，kg/m3。

根据转变图可知，非重气扩散气体浓度计算是从转变点上风向xv距离处某虚拟点开始的，以该虚点为释放源，使用非重气扩散气体模型计算得到的转变点处的浓度等于重气扩散模型计算得到的转变点处的浓度。

1.3 非重气云扩散

高斯烟羽模型中LNG泄漏扩散气体的浓度表示为：

式中，C（x，y，z，H）为气云内部浓度，kg/m3；Qm为泄漏源的瞬时泄露流量，kg/s；H为泄漏源的有效高度，m；u为环境风速，m/s；t为泄漏时间，s ；为分别为x、y、z方向的扩散系数。

表3 大气稳定度等级分级

2 实例计算

某海岛型石化基地天然气储罐为球罐，假设储罐发生小孔泄漏，泄漏孔口位于液面以下，且罐内液体不会达到过热状态，罐内气压也不随时间发生变化。球罐的设计参数如下：设计容积为5000m3，储罐底部距离地面高度为1.8 m，基础中心圆直径为21.2 m；LNG密度为424 kg/m3，假设LNG球罐罐体发生小孔泄漏，泄漏孔直径为0.02 m，距地面为12.4 m，地面粗糙度Z0取1.0 m。以泄漏口方向为下风向，风向沿泄漏口背面向下风向，假设无侧风。

LNG爆炸极限浓度范围为5%~15%，参考瑞士甲烷职业接触极限值标准，LNG最低接触限值浓度为1%，所以以体积浓度15%、5%、1%画等浓度线确定危险区域范围。