立式液化天然氣儲罐泄漏數值模擬及分析

張水平， 張馳

(江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州341000)

立式液化天然氣儲罐泄漏數值模擬及分析

張水平， 張馳

(江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州341000)

為了更好地研究立式液化天然氣儲罐泄漏擴散規律，采用Fluent軟件對立式液化天然氣儲罐泄漏擴散過程進行數值模擬.文章進行了立式液化天然氣儲罐泄漏過程的三維仿真模擬，以及儲罐順風泄漏與逆風泄漏兩種不同情況下的泄漏模擬分析.同時，針對立式液化天然氣儲罐罐體較高的情況分析了不同泄漏口位置對泄漏的影響，并且分析了泄漏口口徑大小對泄漏危險性的影響.結果表明:在風流的作用下，燃氣儲罐逆風泄漏時的危險性要遠大于順風泄漏的情況.泄漏口位置位于儲罐壁高處時，泄漏氣體擴散快;而泄漏口位置靠近地面的情況下，泄漏氣體會沉積在地面不易擴散，危險性更大;泄漏口口徑越大，泄漏所造成的危險性也隨之增大.

液化天然氣;儲罐;泄漏擴散;泄漏口位置;泄漏口口徑;數值模擬

0 引 言

近幾年天然氣在一次能源的消費比重中逐年提高，2011年、2012年和2013年天然氣的消費比例[1]分別為4.9%、5.5%和5.8%，天然氣在調整能源結構、促進節能減排上發揮了重要的作用.處于城市中的液化天然氣站作為燃氣的樞紐，具有著調峰、調壓和配氣的作用，而且儲罐區是液化天然氣站的重要組成部分.液化天然氣站尤其是儲罐區的安全與否在很大程度上影響了城市燃氣供應系統的管理與運行，同時也是一個重大危險源[2].目前，隨著城市區域越來越大，部分原本處于城市周邊的燃氣站如今也位于城區，并且常年運行，天然氣儲罐區已經暴露出了許多的安全問題，將會嚴重危害人們的社會環境安全和生命財產安全[3-4].

眾多學者曾對燃氣管道的泄漏進行了模擬研究[5-9]，得出了較為成熟的結果，可預測泄漏的擴散狀況和危險區域，并且掌握障礙物高矮不同、離泄漏口距離不同的情況下氣體泄漏、擴散的規律.并且文獻[10-13]分析了儲罐壓力、泄露孔大小、泄露孔位置以及風速的不同對儲罐泄漏所產生的影響，給相關部門對泄漏后的人員疏散和搶修提供參考.本文基于Fluent軟件對立式液化天然氣儲罐泄漏進行了數值模擬，對其擴散規律進行了合理的分析，并得出了相關結論，為采取應急救援措施提供參考依據.

1 數學模型

1.1 組份運輸模型

Fluent可以通過求解來描述每種組分物質的對流、擴散和反應源的守恒方程;并且可以模擬組分物質的混合和運輸.對于有毒有害氣體泄漏擴散問題，Fluent通過解算有毒有害氣體的對流擴散方程得到其質量分數，本文假設立式液化天然氣儲罐在空氣中的擴散過程中并不發生化學反應，因此選用無反應多組分輸運模型來求解這種無化學反應的物質混合問題.

其中:Ri表示第i種物質的化學反應凈源項，Si表示離散相和用戶定義源項的產生率.

1.2 湍流模型——Realizable k－ε模型

立式液化天然氣儲罐泄漏滿足能量守恒、動量守恒、質量守恒和化學組分平衡方程，本文選用Realizable k-ε湍流模型對儲罐泄漏過程中的湍流變化進行求解.

Realizable k-ε模型中關于k和ε的輸運方程如下:

上述方程中，k是指湍流脈動動能，J;ε是指湍流脈動動能耗散率，%;t表示時間，s;p表示氣體密度，kg/m3;μt為湍流黏性系數;Gk由平均速度梯度引起的湍動能產生;Gb由浮力影響引起的湍動能產生;YM為可壓速湍流脈動膨脹對總耗散率的影響;C2和C1ε是常數，σk和σε分別是湍動能與耗散率的湍流普朗特數.在Fluent中，作為默認常數: C1ε=1.44，C2=1.9，σk=1.0，σε=1.2.

1.3 泄漏模型

1)氣體泄漏模型

氣體為音速流動狀態時的泄漏量計算式為:

氣體為亞音速流動狀態的泄漏量計算式為:

其中:Qm為氣體泄漏的質量流速，kg/s;Cdg是氣體泄漏系數，本次模擬泄漏口為圓形，故取1;k為擴散氣體絕熱指數，取1.3;M為泄漏氣體的分子量，此處取0.016 kg/mol;P0為儲罐內工作壓力，Pa;P為周圍環境壓力，Pa;T為氣體溫度，K;A為泄漏口截面積，m3.

2)氣液兩相流泄漏模型

當儲罐中的LNG發生泄漏時，LNG從液態到氣態的轉變將會激烈的沸騰蒸發，使得擴散現場環境溫度降低，低溫的LNG泄漏擴散具有明顯的多相流特征;均勻兩相流動的泄漏質量流速可以按照以下式子進行計算:

其中:Qo為氣液兩相流的泄漏質量流速，kg/s;Cd為氣液兩相流的泄漏系數，取0.8;A為泄漏口面積，m3;P為氣液兩相混合物的壓力，Pa;PC為臨界壓力，Pa，此處取0.55P;p為氣液兩相混合物的平均密度，kg/m3，由下式計算:

其中:p1為甲烷在25℃，標準大氣壓下的密度，p1為0.668 kg/m3;p2為LNG的密度，為422.5 kg/m3;F為蒸發的發占泄漏LNG總量的比例，當F＞1時，表明泄漏的LNG全部蒸發為氣體，此時應該按照氣體泄漏公式進行計算;當0.2＜F＜1時，F與蒸發液體之比成線性關系;當F趨近于0時，泄漏的質量流速可近似按照液體泄漏公式計算;此處取0.15進行計算.

本次模擬是以100 m3立式儲罐為對象，最高工作壓力為0.8 MPa，正常操作時的LNG儲罐溫度為-162.3℃;內罐直徑為3000 mm，外罐直徑為3200 mm，罐體加支座的高度為17100 mm，儲罐幾何容積達到105.28 m3[14].經過計算得出泄漏口質量流量為0.5 kg/s.

2 立式液化天然氣儲罐泄漏數值模擬

2.1 順風泄漏過程模擬

利用Fluent軟件對立式燃氣儲罐進行順風三維數值模擬，風速設置為10 m/s，溫度300 K，泄漏口處于立式儲罐罐體距離地面1.5 m處.儲罐順風泄漏過程如圖1所示:儲罐泄漏時有大量燃氣聚集在泄漏口方向上，并且形成氣云，隨著泄漏時間的增加，燃氣氣云逐漸增大，泄漏燃氣的危害范圍不斷擴大.由于泄漏氣體處于順風狀態，因此泄漏的氣體在風流的作用下使得擴散加劇，泄漏氣體并沒有出現聚而不散的情況，泄漏氣體會由于順風擴散而迅速流出模擬的計算區域.泄漏事故一旦發生將會嚴重影響到人的生命安全.

圖1 儲罐順風泄漏過程氣體分布情況云圖

為了探究儲罐順風泄漏時泄漏氣體的濃度分布情況，下面采用水平方向上二維模擬的方式對其進行研究.水平方向上，儲罐順風泄漏過程如圖2所示，風流由左側進入:順風泄漏時，形成的氣云處于泄漏口方向上，儲罐周圍無氣云存在.當風速為2 m/s時，泄漏氣體的影響范圍較廣，形成的氣云呈現濃度較高的態勢，泄漏口附近最高濃度在0.4左右，氣云邊緣濃度達到了0.05左右.當風速為5 m/s時，泄漏氣體的影響范圍較風速2 m/s時要縮小了許多，這是因為隨著風速的增大，泄漏氣體在風流的影響下擴散速度增加，并且氣云的濃度也隨之下降，泄漏口附近濃度下降至0.3左右.風速增加到10 m/s時，泄漏氣體在風流的作用下擴散更快，氣云縮小的態勢更加明顯，泄漏氣體的體積分數也比風速5 m/s時要小更多.從圖2的速度矢量圖中可以看到，隨著風速增大，原本由于泄漏口氣體速度較大而產生的明顯渦流逐漸減小最后消失，使得泄漏氣體不會在泄漏口沉積，會隨著風速的增大，擴散速度也隨之增大;由圖2的濃度等值線圖中也可以看到，泄漏口周圍濃度下降至0.2，泄漏氣云影響的相同范圍上風速5 m/s時濃度為0.15，而風速10 m/s時濃度則降低至0.05.

圖2 順風泄漏不同風速下氣體體積分數云圖、濃度等值線圖與局部速度矢量圖

2.2 逆風泄漏過程模擬

圖3為儲罐逆風泄漏時的三維模擬圖.逆風泄漏時，泄漏氣體形成的氣云主要集中在儲罐的周圍，由于是逆風擴散，泄漏氣體在反向風的作用下，并沒有像順風泄漏情況那樣快速擴散出計算區域，而是呈大量聚集并在儲罐周圍沉積的趨勢，氣云濃度非常高，泄漏時的危險性較順風泄漏時要大上許多.

同樣，為了研究逆風泄漏時的泄漏氣體濃度分布，采用二維模擬的方式對其進行分析.圖4分別為逆風2 m/s、5 m/s以及10 m/s時，泄漏氣體的體積分數云圖、濃度等值線圖與局部速度矢量圖，風流由右側進入.從圖4中可以看出，儲罐周圍泄漏氣體濃度很高，且濃度較順風泄漏時要明顯高出很多，泄漏口周圍濃度更是至少達到了0.6以上，逆風2 m/s時泄漏口周圍濃度高達0.9.同樣隨著風速的增大泄漏氣體所形成的氣云呈縮小趨勢，泄漏氣體的體積分數也隨著風速的增加而明顯減小，但是順風泄漏情況下，隨著風速增加泄漏口周圍濃度可以降低至0.2以下，而逆風泄漏時，泄漏口周圍濃度則居高不下.對比順風時與逆風時的速度矢量圖，可以發現逆風泄漏時泄漏口速度矢量并不像順風泄漏那樣呈層流擴散態勢，而是隨著逆風風速的不斷增大，泄漏口湍流越加明顯.因此逆風泄漏下，泄漏氣體不易擴散，并且在泄漏口附近聚集嚴重.

圖3 儲罐逆風泄漏過程氣體分布情況云圖

圖4 逆風泄漏不同風速下氣體體積分數云圖、濃度等值線圖與局部速度矢量圖

2.3 泄漏口位置不同的情況分析

1)圖5為泄漏口位于儲罐體12 m高處時的泄漏情況.由于泄漏口位置較高，在風流的影響下，泄漏氣體擴散初期從速度矢量圖中可以明顯看到是呈向上方擴散的態勢，而且有明顯的湍流.隨后，垂直方向上由于有重力的影響，所以泄漏氣體擴散后期有向下沉積的趨勢;但是，泄漏氣體由于在高處泄漏并且在風流的作用下，泄漏氣體擴散較快，氣體不易集聚，近地側的氣體濃度較低.可以從濃度等值線圖中看到，儲罐泄漏口周圍泄漏氣體體積分數較小，濃度為0.2～0.3左右;泄漏口上方濃度較高，達到了0.35，近地側濃度則低至0.1.

圖5 泄漏口位于儲罐壁12 m處氣體體積分數云圖、濃度等值線圖與局部速度矢量圖

2)圖6為泄漏口位于儲罐體7 m高處時的泄漏情況.可以看到隨著泄漏口位置的降低，泄漏氣體受風流影響減小，導致泄漏氣體不易擴散，泄漏氣體在儲罐周圍開始出現明顯的沉積，近地側氣體濃度開始增大.從濃度等值線圖中可以看出，泄漏口周圍濃度與12 m高處相比沒有太大變化，依舊是0.3左右;但是近地側濃度則明顯增大，濃度為0.2～0.25，這是因為泄漏口位置靠近地面，泄漏氣體更加容易到達地面，地面對泄漏氣體的擴散有一定的阻礙作用.從速度矢量圖中可以看出，泄漏口處泄漏氣體呈層流狀態，并沒有在風流的作用下形成湍流.

圖6 泄漏口位于儲罐壁7 m處氣體體積分數云圖、濃度等值線圖與局部速度矢量圖

3)圖7為泄漏口位于儲罐體2 m高處的泄漏情況.由于泄漏口位置更加接近地面，泄漏氣體泄漏擴散的近地層流效應更加顯著，泄漏氣體在地面產生大量堆積，并且沿著地面擴散，泄漏口位置附近泄漏氣體濃度極高.從濃度等值線圖中可以看到泄漏口周圍濃度高達0.4，地面周圍濃度也達到了0.25以上.此時的燃燒爆炸危險性遠遠要比在泄漏口處于儲罐體上部泄漏時的大，對人的生命財產安全的威脅性也更大.從速度矢量圖中看到，泄漏口附近泄漏氣體初始是以湍流形式在儲罐周圍不斷聚集，不易擴散.隨后沿著地面開始以層流的狀態蔓延，致使在近地側以及儲罐的周圍泄漏氣體濃度較高，危險性很大.

2.4 泄漏口口徑大小對泄漏擴散的影響分析

將泄漏口邊界條件設置為壓力入口，壓力設定為正常工作壓力0.8 MPa，左側入口風速設置為0 m/s.圖8為泄漏口口徑為50 mm時的泄漏情況，當泄漏口口徑較小，沒有風流作用影響下，泄漏的LNG在泄漏口方向上直線擴散，這是由于內部壓強較大而泄漏口口徑較小，導致泄漏的LNG快速轉變為甲烷氣體，并且從泄漏口射流而出，形成的氣云寬度窄，厚度小.圖9為泄漏口口徑100 mm時的泄漏情況，隨著泄漏口口徑的變大，泄漏的LNG開始以氣液兩相的狀態泄漏，在沒有風流的作用下不規則擴散，所形成的氣云與口徑50 mm時相比較，影響范圍更廣，氣云厚度更大.圖10為泄漏口口徑150 mm時的泄漏情況，此時泄漏的LNG與泄漏口口徑100 mm時相比，在相同的時間內泄漏的LNG的量更多，并且LNG在儲罐周圍快速大量聚集，形成的氣云濃度更高，厚度更大，影響范圍更廣，此時的危險性與前兩種情況相比也更大.

圖7 泄漏口位于儲罐壁2 m處氣體體積分數云圖、濃度等值線圖與局部速度矢量圖

圖8 泄漏口口徑50 mm時泄漏氣體體積分數云圖

圖9 泄漏口口徑100 mm時泄漏氣體體積分數云圖

圖10 泄漏口口徑150 mm時泄漏氣體體積分數云圖

3 結 論

通過進行立式液化天然氣儲罐泄漏數值模擬并對模擬結果進行分析，得出了以下結論:

1)采用Fluent軟件Realizable k-ε湍流模型能夠很好的對立式液化天然氣儲罐泄漏過程以及泄漏氣體影響區域進行三維模擬與二維模擬.

2)立式液化天然氣儲罐泄漏時，泄漏氣體會在泄漏口方向上隨泄漏時間的增加而堆積蔓延，泄漏氣體的影響區域主要集中在泄漏口方向上，泄漏氣體的體積分數在泄漏口方向上最高.

3)順風下泄漏時泄漏氣體在風流影響下擴散較快，并隨著風速的增大效果愈加明顯，因此當風速較大時，對泄漏的危害有一定的緩解作用;逆風泄漏的危害遠遠要比順風泄漏時嚴重的多，逆風泄漏時大量泄漏氣體由于逆風作用，沉積在儲罐周圍不易擴散，并且濃度很高.所以逆風泄漏的危害遠遠高于順風泄漏，會給應急救援帶來很大的困難.

4)泄漏口位置較高時泄漏氣體受到風流作用大，擴散快，氣體不易聚集.當泄漏口靠近地面時，泄漏氣體受到風流作用小，擴散慢，大量氣體堆積在泄漏口位置附近.由于泄漏口靠近地面，泄漏氣體近地層流效應明顯，并且沿著地面擴散，泄漏氣體濃度高，較泄漏口位置高時危害更大.

5)泄漏口口徑對LNG儲罐泄漏的危險性有較大的影響.隨著泄漏口口徑的增大，泄漏擴散的LNG所能影響的范圍也逐漸增大;在相同的泄漏時間內，口徑較大時，泄漏的LNG越多，擴散的氣體量也越大，因此泄漏所影響的范圍和濃度也隨之增加.

[1]孫慧，周璇，高鵬，等.2011年中國天然氣行業發展動向及2012年展望[J].國際石油經濟，2012(6):45-50.

[2]周德紅.化學工業園區安全規劃與風險管理研究[D].北京:中國地質大學，2010.

[3]湯東亞.天然氣球罐區風險評價技術研究[D].成都:西南石油大學，2012.

[4]吳斌，趙云勝，劉祖德.輸氣站場風險分析[J].安全與環境工程，2007，14(2):113-116.

[5]于洪喜，李振林，張建，等.高含硫天然氣集輸管道泄漏擴散數值模擬[J].中國石油大學學報(自然科學版)，2008，32(2):119-122，137.

[6]肖淑衡，梁棟.廠區天然氣泄漏擴散的數值模擬研究[J].廣州大學學報(自然科學版)，2007，6(2):68-73.

[7]葉峰，廖開貴，張亞明，等.天然氣管道泄漏數值模擬研究[J].油氣田地面工程，2008，27(6):19-20.

[8]李振林，姚孝庭，張永學，等.基于FLUENT的高含硫天然氣管道泄漏擴散模擬[J].油氣儲運，2008，27(5):38-41.

[9]魏利軍.重氣擴散過程的數值模擬[D].北京:北京化工大學，2000.

[10]莊學強.大型液化天然氣儲罐泄漏擴散數值模擬[D].武漢:武漢理工大學，2012.

[11]吳斌，趙云勝，劉祖德.輸氣站場風險分析[J].安全與環境程，2007，14(2):113-116.

[12]周超，王志榮.立式儲罐液體泄漏過程的模擬實驗[J].油氣儲運，2011，30(4):308-311.

[13]王建.儲罐區可燃氣體泄漏擴散模擬及爆燃災害評估 [D].大連:大連理工大學，2013.

[14]吳創明.液化天然氣供氣站的工藝設計[J].天然氣工業，2006，26 (1):116-119.

Numerical simulation and analysis of vertical LNG storage tank leak

ZHANG Shuiping，ZHANG Chi
(School of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)

In order to study the vertical liquefied natural gas leakage and diffusion regular pattern，the threedimensional simulation on vertical liquefied natural gas leakage and diffusion process was completed by software Fluent.This paper simulated the leakage process of vertical LNG storage tank and analyzed two situations on upwind and downwind.At the same time，since the vertical LNG containers are higher，analyzed the effects of leaking holes in different positions and sizes were analyzed.The results show:under the influence of the wind，downwind leakage is much danger than upwind leakage.When the leaking holes are located in the tank wall high，the diffusion of gas is fast;the leaking gas can’t spread and will be deposited;when the leaking holes are closed to the ground，this situation is much more dangerous;The wider the caliber of the leaking hole is，the more danger the leak will cause.

LNG;storage tank;leakage and diffusion;leaking hole position;caliber of the leaking hole; numerical simulation

2095-3046(2015)01-0024-08

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.01.005

X937;TE82

A

2014-09-17

江西省創新專項資金項目(YC2013-S185)

張水平(1965- )，男，博士，教授，主要從事人工智能在安全工程中的應用等方面的研究，E-mail:zhsp@mail.jxust.cn.