LNG連續泄漏擴散過程模擬

李兆慈，張文花，鄭梅，吳鑫

（中國石油大學 （北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室／城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京102200）

引 言

LNG的沸點約為－162℃，泄漏后汽化形成的蒸發氣是一種低溫、易燃、易爆氣體，會向周圍環境擴散，一旦被點燃或引爆將引起大規模的燃燒爆炸事故，給生命財產造成極大損失。自l964年英國開始從阿爾及利亞進口液化天然氣，世界范圍內的LNG貿易經過了將近50年的發展，也發生了多次 LNG 泄漏事故［1－2］。

研究LNG泄漏及擴散的手段主要有實驗和數值模擬。數值模擬耗時短、成本低、可重復性高，是LNG泄漏擴散研究中最廣泛應用的方法。數學模型是數值模擬的基礎，得到認可并廣泛應用的數學模型有：高斯模型、淺層模型、CFD模型、DEGADIS模型等［3－8］。國內一些學者對LNG儲運過程風險因素進行了分析［9－10］，對LNG船泄漏至水面后的蒸發與擴散特性進行了研究［11－12］，對LNG管道在隧道泄漏過程進行了數值模擬研究［13］。少數學者進行了LNG泄漏過程的模擬試驗研究，但研究的工況較簡單［14］。目前對LNG泄漏過程的研究，多局限于對燃燒爆炸范圍，即可燃氣體濃度擴散過程進行數值模擬計算［15－21］，而在 LNG 泄漏時，還需要考慮溫度分布過程，一定范圍內的低溫會對人員和設備造成破壞。

凍傷的產生與人在低溫環境中的暴露時間相關，環境溫度越低時，形成凍傷所需要的暴露時間會越短。溫度為－73℃時，人體暴露12s就會出現凍傷。在－20℃以下的環境中，人體皮膚與金屬接觸時，會與金屬粘貼，是一種特殊的凍傷。本文將－20℃作為發生凍傷傷害的界限，當區域內溫度低于－20℃時認為可能會發生凍傷傷害，區域不安全。

1 計算假設

假設LNG輸送管道泄漏孔徑為φ10、φ30、φ50和φ100mm時，泄漏為連續泄漏。連續泄漏時，管道向外噴射LNG的持續時間較長，泄漏的LNG會迅速汽化，變成天然氣進入空氣中。

當泄漏孔垂直向下時LNG的跡線最短，泄漏的LNG初始時刻在地面的富集最多，形成的蒸氣云團在地面附近擴散時的危險性最大，所以主要對LNG管線垂直向下泄漏的擴散過程進行研究。以壓力0.5MPa、孔徑50mm、風速4.4m·s－1工況下的泄漏為研究對象，分析連續泄漏的計算方法。

2 模型建立

圖1 計算區域示意圖Fig.1 Schematic of calculation area

利用FLUENT軟件，選取圖1所示的楔形空間作為模擬區域。點O為模擬空間坐標原點，泄漏孔圓心位于坐標點P（0，0，10）位置，體ABCGHIJN是80m×100m×20m的長方體，A點坐標為－（－50，0，0），體GDEFNKLM是長720m、上底面寬200m、下底面寬400m、上底面高20m、下底面高40m的棱錐體，F點坐標為（750，0，0）。模擬時假設LNG從泄漏孔泄漏后垂直流向地面，并在接觸到地面時剛好汽化完全，汽化的天然氣從以泄漏跡線為軸線、直徑0.2m、高10m的圓柱面和頂面向周圍環境擴散。

根據離泄漏點的距離，對模擬空間進行網格劃分，距泄漏點近的網格較密，距泄漏點遠的網格較稀疏，如圖2所示。長方體ABCGHIJN進行網格劃分，主要劃分為四面體網格單元，在適當的位置可以包含六面體、錐體或楔形單元；棱錐體GDEFNKLM采用六面體結構化網格。

圖2 計算區域網格劃分Fig.2 Calculation area meshing

初始速度根據天然氣泄漏速度進行設置，詳見表1（根據不同管壓、不同泄漏孔徑下的LNG泄漏質量流量換算的112K、常壓下天然氣的氣化速度），典型孔徑50mm、典型壓力0.5MPa時，天然氣汽化速度為13.2m·s－1，甲烷氣體的初始溫度設為112K。

表1 不同壓力和漏孔下天然氣泄漏速率Table 1 NG release rate under various pressure and leaking hole／m·s－1

3 連續泄漏影響因素分析

LNG蒸氣云有低溫、易燃、易爆等固有特性，擴散過程中會造成燃燒爆炸和低溫凍傷等危害，而且受到泄漏條件和環境因素的影響。因此，有必要考慮不同條件下LNG泄漏擴散的濃度分布、溫度分布、燃燒爆炸危害和凍傷危害范圍。

3.1 泄漏壓力影響

假設風速為4.4m·s－1，泄漏孔徑為50mm，當泄漏壓力分別為0.10、0.25、0.45和0.60MPa時，可以計算得到甲烷濃度分布和溫度分布。

由圖3看出，隨著管內壓力的增大，燃燒爆炸范圍增加，其中燃燒爆炸下限 （CH4體積濃度5%）的范圍增加明顯，長度由240m增加到400m，寬度從60m增加到110m，而燃燒爆炸上限（CH4體積濃度15%）的范圍增加不明顯，長度由50m增加到100m，寬度由20m增加到55m。從可燃氣體濃度分布圖可以看出，CH4氣體的范圍擴大非常明顯，濃度大于2%的范圍的長度從510m增大到整個計算區域，寬度增加不明顯，從90m增加到125m。

圖4是凍傷范圍和溫度分布圖。隨管內壓力增大，凍傷范圍增加不顯著，長度從60m增加到100m，寬度由20m增加到50m。但溫度分布中較高溫度的影響范圍增加明顯，其中290K的影響范圍從385m×85m增加到580m×125m。

圖3 不同壓力下的可燃范圍和CH4濃度分布Fig.3 Flammable range and CH4density distribution

圖4 不同壓力下凍傷范圍和溫度分布Fig.4 Frostbite range and temperature distribution

圖5顯示了不同管道壓力下天然氣燃燒爆炸下限范圍的立體圖，隨著壓力增大，燃燒爆炸下限范圍擴展明顯，影響高度也變高，同時表面也變得越來越不平滑。

圖6顯示了不同管道壓力下凍傷范圍的立體圖，隨著壓力增大，凍傷范圍也明顯擴展。

從以上管內壓力對泄漏擴散結果的影響可以看出，管道壓力增大時，天然氣的氣化速度增大，其他條件一定時，低溫天然氣的量增加，顯然會導致燃燒爆炸范圍和凍傷范圍的增加。

3.2 泄漏孔徑影響

假設環境風速為4.4m·s－1，管內壓力為0.45MPa，當泄漏孔徑為φ10、φ30、φ50和φ100 mm 時 泄 漏 速 率 分 別 為 0.529、4.76、13.2 和52.9m·s－1，可以計算得到甲烷濃度分布和溫度分布。

圖5 不同壓力下可燃范圍立體圖Fig.5 Three－dimensional flammable range under different pressure

圖7 不同泄漏孔徑可燃范圍立體圖Fig.7 Three－dimensional flammable range under different leaking hole

圖7是泄漏孔徑不同時天然氣燃燒爆炸下限范圍的立體圖，隨泄漏孔徑增大，燃燒爆炸范圍的擴展非常顯著，而且隨著擴散進行，燃燒爆炸下限范圍的影響高度也顯著增加，同時表面也變得越來越突起。

圖8是泄漏孔徑不同時凍傷范圍的立體圖，隨泄漏孔徑增大，凍傷范圍的擴展也非常顯著，整個范圍的長度、寬度、高度都有顯著增加。

從以上泄漏孔徑對泄漏擴散結果的影響可以看出，泄漏孔徑增大時，同樣引起天然氣汽化速度的增大，環境條件一定時，低溫氣體量的增加就會顯著增加計算區域的燃燒爆炸范圍和凍傷范圍。

3.3 風速影響

假設管內壓力為0.45MPa，泄漏孔徑為50 mm，由表4.2知，天然氣汽化速度為13.2m·s－1，研究不同的環境風速對LNG泄漏擴散的影響，不同風速分別為0、2.5、4.4、6.7、9.4和12.3m·s－1。

圖8 不同泄漏孔徑時凍傷范圍立體圖Fig.8 Three－dimensional frostbite range under different leaking hole

圖9是不同風速條件下天然氣燃燒爆炸下限范圍的立體圖，隨風速增大，燃燒爆炸下限范圍明顯縮小。風速為0時，燃燒爆炸下限范圍最大，高度也最高，表面起伏較大。隨風速增大，空氣的湍流擾動作用越明顯，擴散過程中蒸氣云團卷吸空氣的速度增加，使得天然氣的濃度快速降低，燃燒爆炸范圍也迅速減小。

圖10是不同風速條件下凍傷范圍的立體圖，與燃燒爆炸下限范圍的變化類似，隨風速增大，凍傷范圍會縮小。風速為0時，凍傷范圍最大。隨風速增大，LNG云團與空氣的換熱速率增加，云團溫度上升變快，則凍傷范圍就會減小。

從以上環境風速對泄漏擴散結果的影響可以看出，環境風速增大時，天然氣汽化速度一定，其他環境條件也一定的情況下，LNG云團卷吸空氣的速度增加，云團與空氣的換熱速率也增加，從而使計算區域的燃燒爆炸范圍和凍傷范圍都不斷減小。

圖10 不同風速下凍傷范圍立體圖Fig.10 Three－dimensional frostbite range under different wind speed

4 結 論

利用FLUENT軟件對設定工況下LNG泄漏到計算區域后的擴散過程進行模擬，得到泄漏擴散過程達到穩定以后計算區域內天然氣濃度分布、燃燒爆炸范圍、溫度分布和凍傷范圍。

研究了不同管道壓力、泄漏孔徑、環境風速條件下的LNG泄漏擴散特性。研究發現，當管道壓力或泄漏孔徑增大時，都會引起天然氣氣化速度的增大，其他條件一定時，低溫天然氣的量增加，導致計算區域內燃燒爆炸范圍和凍傷范圍的增加；當環境風速增大時，空氣湍流的擾動作用加強，此時低溫天然氣的量相同，其他條件一定時，LNG蒸氣云卷吸空氣的速度增加，而且云團與空氣的換熱速率也增加，導致計算區域內燃燒爆炸范圍和凍傷范圍都不斷減小。

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