基于可見蒸汽云對LNG噴射泄漏爆炸下限區域的預測

張乾熙梁棟

（1廣東海洋大學工程學院，廣東 湛江524088；2中山大學工學院，廣東 廣州510006；3廣東省消防科學技術重點實驗室，廣東 廣州510006）

引 言

天然氣作為一種優質潔凈的化石能源，得到了越來越廣泛的應用。在美國，2009年天然氣在能源中的比重已達到25%，歐洲LNG市場近年雖然沒有大幅提升，但2013進口量也多達4000萬噸（包括再出口份額）。日趨嚴重的大氣污染使得中國加快發展清潔能源，天然氣在中國經濟和環境改善等方面的應用價值得到進一步重視。中國新建多個LNG接收站，2013年LNG進口量較2012年增長超過20%，到2015年，中國天然氣占一次能源消費比重將提高到7.5%。液化天然氣是天然氣開發利用的一項關鍵技術，在國內外已形成一個產業，每年以平均8%的速度增長［1］。與此同時，LNG在液化、儲運和使用過程中的安全性也逐漸引起了人們的極大關注。一旦LNG發生泄漏，可以引起低溫凍傷、窒息等人員傷害，泄漏氣體達到燃燒極限時遇到點火源容易發生著火、爆炸事故，造成巨大的經濟損失和人員傷亡。噴射泄漏在LNG泄漏事故中比較常見，由于其蒸汽本身無色無味，很難從感觀上判斷其泄漏擴散范圍。

國內外許多學者針對LNG泄漏擴散進行許多相關研究，常見的數學模型有積分模型、箱板模型、淺層模型和CFD模型等。其中一維積分模型是最早用于LNG泄露擴散模擬，該類模型有SLAB、 HEGADAS、 DEGADIS 等［2－4］， 且DEGADIS得到美國消防協會推薦。后來，Chan等［5－8］建 立 了 基 于 Navier－Stokes方 程 的 FEM3 模型，并對BURRO系列LNG泄漏實驗進行數值模擬分析研究。國內相關研究多集中在相關模型的應用，如唐建峰等［9－14］采用積分模型對LNG垂直噴射連續泄漏擴散進行模擬和風險評估。但是，鮮見對LNG在不同噴射泄漏速度和不同泄露環境下擴散總體規律研究，而針對可見蒸汽云與濃度之間關系的研究均采用一維積分模型［15］，在精度和過程描述等方面有很大改進空間。

近年來，隨著計算機技術進步，使用計算流體力學 （CFD）來解決復雜的流體流動問題變為現實。CFD模型能夠有效模擬LNG泄漏擴散，可用于液化天然氣蒸汽云分散在特定場地的風險分析。基于此，本文釆用計算流體動力學方法，以計算流體軟件ANSYS FLUENT 11.0為平臺，通過建立LNG噴射泄漏計算流體力學模型，對不同環境條件和噴射速度下的擴散情形進行數值模擬，得到LNG泄漏擴散區域的溫度場和濃度場。LNG溫度低，噴射泄漏會使周邊環境空氣中水蒸氣液化成可見蒸汽云。根據環境條件、溫度場分布和露點溫度，可得到可見蒸汽云區域范圍，并總結出可見蒸汽云區域范圍與爆炸下限區域范圍的函數關系。

1 LNG噴射泄漏數值模擬

1.1 LNG水平噴射計算域建模

現實中LNG噴射泄漏處在一個完全開放的大氣邊界層中，但不可能對整個大氣邊界層的流動風場進行仿真計算，更關心的是LNG噴口下風向的風場以及LNG蒸汽擴散情況。同時，計算流域也不能設定太小，因為這不但會影響局部風場和濃度場的計算結果，而且會在計算流域邊界面上出現回流現象，導致計算很難收斂。LNG噴射出口直徑取LNG儲罐常用泄壓閥出口直徑 （DN25mm），綜合文獻中對計算區域尺寸確定的研究結果，根據本研究對象的實際尺寸，選擇計算流域的長和高分別為300m和32m，噴射出口水平高度為2m。在Fluent的前處理模塊ICEM中，建立幾何模型并劃分網格。計算網格的確定需經過網格優化和無差別計算，最終確定計算域內網格總數為163822。

1.2 計算模型

LNG噴射泄漏后LNG蒸汽的流動屬于湍流流動，其控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程、湍流動能方程和湍流動能耗散率方程。這些方程統一可寫成式 （1）的通用形式

1.3 邊界類型指定

CFD流動問題的求解是將邊界線或邊界面上的數據外推擴展到計算流域內部的過程。邊界面類型和邊界條件的設置如果不符合實際問題或不合適，將導致CFD仿真計算失去模擬精度與可信度。因此，設置符合實際物理情況且合適的邊界條件非常關鍵。在本文建立的計算流域中，需要設定的邊界及邊界的類型如表1所示。計算之前，首先應當求解穩態的環境風場，通過風場模擬可以驗證計算流域尺寸設置是否合理，同時也有利于泄漏擴散計算的收斂。對于風入口面設置按平均風速剖面，選擇指數方法計算，風入口面平均風剖面和湍流參數采用自編程序通過UDF接口同Fluent連接。

1.4 LNG噴射泄漏模擬基礎條件

不同產地的天然氣成分略有差別，但LNG主要成分是甲烷。本文以甲烷為噴射泄漏的模擬對象，其主要物理性質如表2［1］所示。

表1 LNG泄漏擴散計算流域的邊界類型Table 1 Boundary conditions

表2 甲烷物性參數Table 2 Gas properties

同時，本文對影響LNG噴射泄漏擴散主要因素，如源項強度、環境風速、環境溫度和相對濕度等，分別取值模擬計算，其取值范圍如表3所示。

表3 變量取值Table 3 Varieties

2 LNG噴射泄漏數值計算結果

為研究LNG擴散形態，計算得到溫度場、濃度場、壓力場及組分分布等結果。本文研究的主要目的是探討可見蒸汽云與爆炸下限擴散范圍的關系。為此，本計算特意輸出不同計算條件下的組分濃度云圖和溫度云圖，以便談到兩者變化趨勢的規律及兩者的關系，為基于可見蒸汽云預測爆炸下限擴散范圍提供計算基礎。

2.1 泄漏強度對泄漏擴散的影響

保持環境溫度、環境風速不變，通過改變LNG噴射泄漏強度，可以得到不同泄漏強度下的濃度場和溫度場，如圖1和圖2所示。可以看出，隨噴射泄漏強度的增大，達到爆炸下限濃度的氣體擴散范圍也逐漸向前推進，低溫范圍也逐漸擴大，兩者的變化規律具有較好的一致性。

圖2 4種噴射強度下甲烷溫度分布云圖Fig.2 Contours of temperature under 4release rates

2.2 環境溫度對泄漏擴散的影響

保持LNG噴射泄漏速度、環境風速不變，通過改變環境溫度，可以得到不同情形下的濃度場和溫度場，如圖3和圖4所示。可以看出，隨環境溫度的升高，達到爆炸下限濃度的擴散范圍逐漸收縮，低溫范圍也逐漸縮小。這主要因為，環境溫度升高后，加快了低溫天然氣與空氣的換熱，從而加快了天然氣由重氣到輕氣的轉變速度，使之沿垂直方向的擴散份額增加，從而減小了下風向的擴散距離。但在其濃度場和溫度場變化規律仍然保持很好的一致性。

2.3 環境風速對泄漏擴散的影響

保持LNG噴射泄漏速度、環境溫度不變，通過改變環境風速，可以得到不同泄漏源強度下的濃度場和溫度場，如圖5和圖6所示。可以看出，隨環境風速的升高，達到爆炸下限濃度的擴散范圍不斷增大，低溫范圍也逐漸增大。這主要因為，本文模擬的LNG噴射泄漏速度較大，環境風速升高后，水平方向的擴散份額增加，加大了低溫天然氣的傳播距離，濃度場和溫度場變化規律仍然保持很好的一致性。

圖3 4種環境溫度下甲烷濃度分布云圖Fig.3 Contours of mole fraction of CH4under 4 air temperatures

圖4 4種環境溫度下溫度分布云圖Fig.4 Contours of temperature under 4air temperatures

圖5 4種環境風速下甲烷濃度分布云圖Fig.5 Contours of mole fraction of CH4under 4 average wind speed

3 結果分析

通過對不同條件下LNG噴射泄漏擴散情形數值模擬結果進行分析，可以發現不同噴射泄漏擴散情形下，泄漏擴散的濃度場和溫度場是不同的。即使是泄漏源強度不變，環境因素改變后，濃度場和溫度場也會隨之改變。天然氣是無色無味氣體，這為事故救援，特別是隔離范圍的劃定增加難度。

圖6 4種環境風速下溫度分布云圖Fig.6 Contours of temperature under 4average wind speed

在對上述模擬結果的分析過程中，發現溫度場和濃度場變化規律體現高度的一致性。LNG泄漏后，由于其本身的低溫特性 （111.7K），將冷卻周邊環境空氣并使其含濕量達到飽和，達到露點溫度 （Tdew）后，將產生可見蒸汽云。而露點溫度是環境溫度和相對濕度等因素的函數，可由經驗公式（2）得出［15］

計算出不同環境下的露點溫度，由溫度場分布可得出可見蒸汽云下風向的擴散距離Dcloud，將天然氣爆炸下限沿下風向擴散的距離DLFL與Dcloud的比值定義為系數f，即

對LNG噴射泄漏數值模擬結果進行整理分析，可得到不同空氣濕度下的DLFL與Dcloud值，根據式 （3）可得系數f在不同空氣濕度情況下的分布散點圖，如圖7所示。

從圖中可以看出，當空氣相對濕度大于50%時，系數f取值約為1，即天然氣爆炸濃度下限擴散范圍與可見蒸汽云基本一致。而當空氣相對濕度處于10%～50%范圍時，經對數據進行擬合，系數f與空氣相對濕度滿足以下關系

由式 （3）可知

當環境相對濕度已知時，則根據可見蒸汽云擴散范圍，由式 （5）可直接估算出DLFL。

圖7 相對濕度對系數f的影響Fig.7 Relationship between fand relative air humidity

4 結 論

本文對LNG噴射泄漏擴散過程進行了數值模擬，對擴散場的溫度場和濃度場進行分析，得到以下結論：

（1）CFD方法能夠用于LNG噴射泄漏擴散過程的數值模擬，并通過改變泄漏強度、環境溫度、風速和空氣相對濕度等，模擬LNG噴射泄漏的不同情形，發現泄漏擴散場的溫度場和濃度場在不同泄漏情形下的變化趨勢是一致的。

（2）當空氣相對濕度大于50%，天然氣爆炸濃度下限濃度擴散距離與可見蒸汽云擴散距離基本一致，當空氣相對濕度處于10%～50%范圍時，天然氣爆炸濃度下限濃度擴散距離與可見蒸汽云擴散距離滿足一定函數關系。

（3）當發生LNG噴射泄漏事故時，根據上述的函數關系和事故現場可見蒸汽云擴散距離，可迅速估算出天然氣蒸汽擴散的范圍，這將有助于事故處理和消防救援。

符 號 說 明

Dcloud——可見蒸汽云沿下風向擴散距離，m

DLFL——天然氣爆炸濃度下限濃度擴散距離，m

f——系數

HR——空氣相對濕度，%

Tdew——露點溫度，℃

下角標

cloud——可見蒸汽云

LFL——天然氣爆炸濃度下限

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