液化天然氣水平連續泄漏重氣的擴散過程

唐建峰，蔡 娜，2，郭 清，王等等，3

（1中國石油大學（華東）儲建學院，山東 青島 266555；2青島武船重工有限公司，山東 青島 266555；3中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

研究開發

液化天然氣水平連續泄漏重氣的擴散過程

唐建峰1，蔡 娜1，2，郭 清1，王等等1，3

（1中國石油大學（華東）儲建學院，山東 青島 266555；2青島武船重工有限公司，山東 青島 266555；3中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

結合 SLAB穩態煙羽模型，針對液化天然氣（LNG）連續泄漏、水平噴射源的重氣擴散過程進行了模擬研究，分析了液化天然氣泄漏后混合云團擴散形成的濃度場、溫度場和其它特征參數。利用MATLAB語言編制液化天然氣連續泄漏擴散模擬程序，對兩種試驗環境條件（不同風速、大氣溫度、大氣穩定度、相對濕度和地表粗糙度等環境參數）下擴散云團的特性參數進行模擬計算，得到各云團參數隨下風向距離的變化規律。

液化天然氣；連續泄漏；水平噴射源；重氣擴散；SLAB模型

隨著液化天然氣（LNG）在全球能源系統的應用發展，其在儲存與利用過程中的安全問題也逐漸成為世界關注的焦點。在液化天然氣站場、接收站等場所，由于管道超壓及安全閥失靈、墊片老化或損壞、管道腐蝕穿孔或焊縫開裂、外力撞擊管道或工人操作失誤等，會導致連續泄漏事故的發生，本文中的連續泄漏指 LNG經由小孔口、泄漏持續時間較長的情形。LNG泄漏容易引起凍傷、低溫麻醉、窒息等人員傷亡事故，同時損壞周邊工藝設備和機械器材。LNG汽化產生的氣體擴散到場區內，碰上火源后容易產生火災和爆炸事故，對人員生命安全及周邊設備、建筑環境造成巨大危害[1-8]。

LNG泄漏擴散的研究方式主要有現場試驗、實驗室模擬、風洞實驗和數值模擬幾種方式。鑒于現場試驗的種種缺憾以及日益發達的現代計算機技術，LNG的泄漏擴散研究已從現場試驗層面發展到了數值模擬階段。結合大氣污染擴散理論和數值計算方法國內外學者已研究出一系列用于氣體泄漏擴散過程模擬的數學模型，較為經典的模型有B-M模型、箱板模型、淺層模型和CFD模型等[9-14]。SLAB模型是一種典型的淺層模型，是基于Zeman[15]提出的空氣卷吸和重氣云團擴展概念上發展起來的，能夠模擬連續泄漏的重氣云團擴散過程。應用建立的數學模型，可以對液化天然氣的擴散行為進行模擬研究，了解泄漏形成的混合云團空間形狀、到達范圍及泄漏氣體在混合云團中的濃度分布、擴散云團溫度分布等。

1 LNG泄漏擴散影響因素

LNG泄漏擴散過程的影響因素分為氣象因素、地理因素和泄漏參數等。氣象因素包括環境風、大氣湍流、溫度層結、太陽光熱輻射、云和環境大氣壓力；地理因素包括地形、地物與局地氣流；泄漏參數包括泄漏氣體的參數、泄漏氣體的初始狀態和泄漏形式[16-19]。對 LNG擴散過程的影響因素并非單一作用，本文將針對這些影響因素對液化天然氣連續泄漏的擴散行為進行綜合分析。

2 SLAB重氣擴散模型

在常溫常壓下，氣態天然氣密度比空氣小，屬于輕質氣體，但是液化天然氣的儲存溫度為-160 ℃左右，其在發生泄漏時首先吸收環境中熱量，急劇蒸發汽化，與環境大氣之間發生熱量交換與質量交換，形成氣體-液滴混合云團，混合云團密度大于空氣密度，屬于重質氣體，擴散過程與輕質氣態天然氣不同，帶有明顯的重氣擴散特點。

本文結合適用于重氣擴散過程模擬的SLAB穩態煙羽模型[19]進行LNG泄漏擴散研究。SLAB穩態煙羽模型考慮了氣體擴散過程中的重力作用與空氣卷吸作用，計算相對CFD模型簡單，且對氣體擴散過程中的云團寬度、高度及泄漏氣體濃度隨下風向距離的變化規律進行了計算，具有擬三維的特點。該模型是基于定常態、橫風向上各參數均勻一致的質量、動量和組分守恒方程基礎上建立起來的，能夠模擬云團在平坦地面無障礙物情況下的擴散行為，其主要的控制方程如式（1）～式（10）所示。

組分守恒方程

質量守恒方程

能量守恒方程

X方向動量守恒方程

Y方向動量守恒方程

Z方向動量守恒方程

求解控制方程式（1）～式（10），可以得到混合云團參數（ρ,m,T,U）和云團的形狀與尺寸參數（B,b,h,Zc）等，模型中各具體參數的計算見參考文獻[20]。

云團中泄漏氣體的體積濃度計算公式如式（11）所示。

3 重氣擴散過程模擬程序設計

3.1 模擬參數確定

重氣擴散過程模擬需要必要的基礎參數，直接影響模擬效果，下文就模擬程序建立過程中幾個重要參數的選取進行具體闡述。

（1）大氣穩定度 大氣穩定度指環境大氣的穩定程度，其對泄漏氣體在環境中的擴散有重要影響。本文中的大氣穩定度s采用文獻[20]中的標準帕斯奎爾-吉福德法對大氣穩定程度進行分級。

（2）地表粗糙度 地表粗糙度Z0的選取是根據下墊面的地形地貌來確定的。對于連續泄漏情形，平均時間為10 m in的情況下，地表粗糙度的取值范圍取自文獻[21]。另外一些典型下墊面的粗糙度按文獻[20]選取。

3.2 模擬程序實現

本文利用MATLAB語言，根據重氣擴散階段程序框圖進行了模擬程序的編制，可以計算擴散階段云團內各項參數的變化規律，程序框圖如圖 1所示。

4 重氣擴散過程模擬

下文針對水平噴射泄漏源，使用編制的連續泄漏擴散模擬程序，分析在不同環境條件下，液化天然氣連續泄漏重氣擴散階段的擴散行為特點。

4.1 模擬基礎數據

水平噴射泄漏在本文中指液化天然氣經由孔口水平沿下風向噴射漏出，該種形式下，由于液氨具有與液化天然氣相似的擴散特性，因此，本文采用1985年勞倫斯立威爾莫國家實驗室（LLNL）組織進行的Desert Tortoise 4號現場泄漏試驗的基礎數據進行模擬研究。在該試驗中，使用液氨作試驗介質，液氨帶壓儲存，初始泄漏相態為兩相流（液滴與蒸氣的混合物），泄漏源為水平噴射連續泄漏，泄漏速率107.87 kg/s，環境風速4.5 m/s，環境溫度306.2 K，相對濕度21.3%，地表粗糙度0.003 m。泄漏氣體參數、泄漏形式及環境大氣參數等基礎數據取自文獻[20]。

另外，采用 1980年在加利福尼亞州中國湖（China Lake）進行的Burro系列第8號試驗現場基礎參數，對液氨水平噴射泄漏過程進行對比研究分析，該試驗是由美國勞倫斯立威爾莫國家實驗室和海軍武器中心聯合完成的，主要環境參數見文獻[20]。

模擬計算中假設泄漏源位置（x，y，z）=（1,0,0），計算從下風向距離x=1 m處開始，選取步長h=0.001 m，模擬計算結果均采用半對數坐標系對各參數的變化規律進行展示。

4.2 模擬計算結果

根據選擇的試驗環境條件進行擴散行為模擬計算，得到了液氨泄漏后形成的擴散云團內密度ρ、溫度T、體積濃度Cv、干空氣mda、液氨蒸氣mev、水含量mw、云團高度h和橫截面半寬B等參數隨下風向距離x的變化規律。

圖1 重氣擴散階段程序框圖

圖2 兩種試驗條件下h隨下風向距離x的變化曲線

（1）云團高度h隨下風向距離x的變化 圖2為兩種試驗條件下液氨泄漏后擴散云團高度隨下風向距離x的變化曲線圖?？梢钥闯鲈趦煞N試驗條件下，液氨自噴射口水平噴出后，云團高度都是逐漸增大的。泄漏初始時云團高度變化比較緩慢，后期變化逐漸加劇，且重氣擴散階段接近結束時Desert Tortoise 4號試驗條件下的云團高度要大于Burro 8號試驗條件下的云團高度。這種變化趨勢的主要原因是液氨的液相含量很高（為0.81），泄漏初期云團濕而冷，密度較大，重氣效應占據了絕對領導地位，使擴散云團緊緊貼近地表運動，從而抑制了云團向高空的發展。而重氣擴散階段接近結束時，重氣效應逐漸消失，大氣湍流占據了主導地位，云團高度迅速增大。造成兩種環境條件下云團高度差別的主要原因是，Burro 8號試驗條件的環境溫度與Desert Tortoise 4號試驗相同，但環境風速較低，導致大氣湍流運動相對于Desert Tortoise 4號試驗較弱，重氣擴散階段接近結束時的云團高度較低。

（2）云團半寬B隨下風向距離x的變化 圖3為兩種試驗條件下液氨泄漏后擴散云團橫截面半寬隨下風向距離x的變化曲線圖。由圖3可知，兩種試驗條件下，擴散云團橫截面的半寬度隨著下風向距離x的增大都是逐漸增大的。泄漏初期的增長較為緩慢，重氣擴散末期的增長較快。主要原因是泄漏初期重氣效應占據主導地位，擴散云團在重力的作用下貼近地表向四周擴展。且Burro 8號試驗環境條件下擴散云團的半寬要大于 Desert Tortoise 4號試驗環境條件下的半寬。在環境溫度相同的條件下，Burro 8號試驗的環境風速和地表粗糙度相對較小，導致重氣效應相對Desert Tortoise 4號試驗要強，重氣擴散末期擴散云團橫截面的半寬度更大。

（3）云團密度ρ隨下風向距離x的變化 圖4為兩種試驗條件下擴散云團密度隨下風向距離x的變化規律?？梢钥闯?，擴散云團的密度隨下風向距離x的增大逐漸降低，最后云團密度接近空氣密度，表示重氣擴散階段在該點結束。兩種試驗條件下擴散云團的密度變化趨勢基本相同。

（4）云團溫度T隨下風向距離x的變化 圖5為兩種試驗環境條件下擴散云團整體溫度隨下風向距離x的變化規律。可以看出，隨著下風向距離x的增大，擴散云團溫度上升，并逐漸接近環境空氣溫度。經計算可知，Desert Tortoise 4號試驗條件下，下風向距離在x=1～25.67 m處，擴散云團的溫度介于-34～0 ℃之間，Burro 8號試驗條件下，下風向距離在x=1～24.18 m處，擴散云團溫度介于-34～0℃之間，兩個區域內的環境溫度低于0 ℃，屬于低溫區域。

圖3 兩種試驗條件下B隨下風向距離x的變化曲線

圖4 兩種試驗條件下ρ隨下風向距離x的變化曲線

圖5 兩種試驗條件下T隨下風向距離x的變化曲線

工作人員在低溫環境下進行較長時間作業時，會逐漸出現呼吸、心率加快、顫抖、頭痛等癥狀，缺少防護情況下會造成窒息、低溫麻醉等危害，與低溫云團以及被云團包裹的工藝設備接觸會造成人體皮膚撕裂和凍傷。因此，發生液化天然氣泄漏事故時工作人員和急救人員應采取必要的低溫防護措施。

（5）云團中液氨蒸氣含量mev隨下風向距離x的變化 圖6為兩種試驗環境條件下擴散云團中液氨蒸氣含量隨下風向距離x的變化規律?？梢钥闯鰞煞N環境條件下隨著下風向距離x的增大，伴隨擴散云團與環境大氣之間的質交換，云團體積逐漸膨脹，液氨蒸氣含量逐漸降低。

（6）云團中含水量mw隨下風向距離x的變化圖7為兩種試驗環境條件下，液氨泄漏后擴散云團中的水含量隨下風向距離x的變化曲線圖。由圖可知，隨下風向距離x的增大，混合 云團中的水含量逐漸增大，這是由于初始泄漏時云團中不含水，隨著空氣卷吸效應的發生，空氣中水分伴隨湍流運動進入混合云團中。在模擬結束時，Desert Tortoise 4試驗條件下云團中水含量遠高于Burro 8試驗條件，原因是兩種環境條件下，大氣溫度相同（為306.2 K），但相對濕度差別較大，分別為21.3%和4.6%，這樣氣體擴散過程中云團與環境間水的質交換也就不同。重氣階段模擬結束時，混合云團中的水含量均接近于兩種環境條件下的空氣含水量，說明相對濕度對泄漏氣體的擴散具有重要影響。

（7）云團中空氣含量mda隨下風向距離x的變化 圖8為兩種試驗環境條件下，液氨泄漏后擴散云團中的空氣含量隨下風向距離x的變化曲線圖。通過該圖可以看出，混合云團中的空氣含量隨著下風向距離的增大逐漸增大。氣體泄漏后，在大氣湍流和空氣卷吸的影響下會發生質交換，該圖就很好的解釋了這一現象。起初在重氣效應影響下，云團與環境間空氣卷吸作用較弱，隨著大氣湍流逐漸占據主導地位，空氣大量進入擴散云團，將云團稀釋，擴散云團中液氨含量幾乎為零。

（8）云團中液氨體積分數Cv隨下風向距離x的變化 圖9為兩種試驗環境條件下擴散云團中液氨體積含量隨下風向距離x的變化曲線圖?？梢钥闯?，隨下風向距離x的增大，液氨體積含量逐漸降低。重氣擴散結束時，兩種環境下的體積分數分別達到0.0415（Desert Tortoise 4號）和0.0459（Burro 8號）。由于水平噴射連續泄漏使用的介質是液氨，而液氨蒸氣與空氣混合時，燃燒極限為16%～25%，經模擬計算可知，Desert Tortoise 4號和Burro 8號試驗環境條件下，在下風向距離泄漏點分別為28.1～34.27 m和26.67～33.97 m的范圍內是有燃燒爆炸危險的，應該注意該區域的防護疏導工作。

圖6 兩種試驗條件下mev隨下風向距離x的變化曲線

圖7 兩種環境條件下mw隨下風向距離x的變化曲線

圖8 兩種環境條件下mda隨下風向距離x的變化曲線

圖9 兩種試驗環境條件下Cv隨下風向距離x的變化曲線

5 結 論

（1）結合 SLAB穩態煙羽擴散模型對液化天然氣重氣擴散階段的云團特性進行了研究，通過求解方程組，可以得到下風向任意距離x處的云團參數和形狀尺寸參數，研究了液化天然氣泄漏后與外界環境間的熱、質交換規律以及重氣效應等對擴散的影響。

（2）在建立數學模型的基礎上，利用MATLAB語言編制了連續泄漏重氣擴散模擬程序，計算擴散階段云團各項參數的變化規律，能夠為事故的預警和人員疏導工作提供幫助。

（3）通過對擴散云團參數的變化規律分析，得到氣體泄漏后的危險區域主要發生在重氣擴散階段。

（4）通過模擬計算得到，兩種試驗條件下云團高度h、橫截面半寬度B、溫度T、含水量mw和空氣含量mda隨下風向距離x的增大逐漸增加，而擴散云團密度ρ、云團中液氨蒸氣含量mev和液氨體積含量Cv隨下風向距離x的增大逐漸減?。槐ㄎｋU區分別為距離泄漏點 28.1～34.27m和 26.67～33.97 m處，低溫危險區為別為下風向距離x=1～25.67 m和x=1～24.18 m處。

符 號 說 明

b—— 云團半寬參數，m

B—— 云團半寬，m

cp—— 比熱容，J/(kg?K)

f—— 能量，J/(m?s)

h—— 云團高度，m

M—— 分子質量，kg

m—— 泄漏氣體質量濃度，kg/m3

T—— 溫度，K

U—— 云團沿風向上速度，m/s

V—— 水平方向上速率，m/s

W—— 垂直方向上速率，m/s

x—— 下風向距離，m

Z—— 云團高度參數，m

ρ—— 云團密度，kg/m3

下角標

a —— 空氣

g —— 重力

p —— 定壓

pc —— 相變

t —— 地表熱

u —— 下風向摩擦

vg —— 橫風向摩擦

w —— 泄漏源

ε —— 卷吸

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Research on the LNG dense gas diffusion: A continuous horizontal jet release

TANG Jianfeng1，CAI Na1,2，GUO Qing1，WANG Dengdeng1,3
（1College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，Shandong，China；2Qingdao Wuchang Shipbuilding Industry Company Limited，Qingdao 266555，Shandong，China；3Third Harbor Consultants Company，China Communications Construction Company Lim ited，Shanghai 200032，China）

Horizontal jet continuous release was studied through SLAB steady plume dispersion model. The concentration field, temperature field and other characteristics were calculated and analyzed. A MATLAB based program was developed to simulate the continuous leakage diffusion. The characteristics of the diffusion cloud under two different environment conditions were calculated. The environmental conditions included different w ind speeds, temperatures, atmospheric stabilities, relative humanities and surface roughness. Changing trends of the diffusion clouds were predicted.

LNG；continuous leakage；horizontal jet release；heavy gas diffusion；SLAB model

TE 88

A

1000–6613（2012）09–1908–06

2012-06-09；修改稿日期：2012-07-09。

及聯系人：唐建峰（1973—），男，博士，副教授，主要從事液化天然氣、天然氣輸配、天然氣水合物及油氣田地面集輸等工作。E-mail tang_jf@126.com。