LNG泄漏擴散影響因素模擬研究

于湘　俞志東

摘要：為了研究液化天然氣（LNG）泄漏擴散規律，用PHAST軟件對某150m。LNG儲罐的泄漏擴散過程進行了模擬，分析了LNG儲罐泄漏口徑、環境風速及環境溫度對LNG泄漏擴散過程產生的影響。模擬結果表明，50mm泄漏口徑、100mm³泄漏口徑和災難性破裂時天然氣的擴散距離分別為160、296、365m，泄漏口徑越大，氣云擴散范圍越廣；環境風速在1.5、5和8m/s情況下，天然氣擴散距離達到245、162、146m，環境風速越大，氣云擴散距離越小；環境溫度在283和298K的情況下，天然氣云擴散距離為222和245m，環境溫度越高，氣云擴散距離越大。

關鍵詞：LNG；泄漏擴散；PHAST

中圖分類號：X937，TE 821 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0460（2017）01-0068-04

近年來我國的天然氣行業迅速的興起并持續快速的發展，LNG與我們生活息息相關，其潛在的危險性不容小覷，所以國內學者們開始關注LNG的儲存、加工、運輸等過程的安全性。由于LNG在生產中不免含有一定量CO₂和H₂S腐蝕性氣體，這些氣體在露點溫度下形成濕腐蝕環境，對罐體產生腐蝕作用，使儲罐具有很大危險性。

LNG發生泄漏事故時，造成威脅的主要是大量過冷液體發生的一系列物化反應，如：LNG氣化后濃度稀釋，當其濃度下降到5%～15%遇到明火即可發生爆炸；低溫液體氣化吸收大量熱量，會導致泄漏源附近人畜的凍傷；天然氣中主要的烴類物質雖然本身不具毒性，但其泄漏時產生的大量可燃氣云覆蓋在地面上，導致氧濃度下降，而低氧環境容易使人窒息。研究分析LNG的泄漏擴散，了解其運動規律，有助于我們判斷LNG產生的危害后果。

1 LNG儲罐泄漏擴散數值分析

使用挪威船級社PHAST軟件中UDM（unifiedDispersion Model）模型模擬分析LNG氣云的擴散過程。UDM分析模型是由woodward于20世紀90年代初首先開發，建立在P-G、BM等模型基礎上。由于儲罐等設備在正常工作時本身已具有一定壓力，在與環境的壓力差作用下，LNG將以一定初速度從泄漏口流出。由于LNG儲罐本身與外界的環境之間存在著較大的溫度差和壓力差，泄漏出來的低溫液體將迅速蒸發，形成低溫氣云。且隨著低溫氣云的不斷從周圍環境中吸熱，其與地面、空氣等的溫差逐漸減小，蒸發過程趨于穩定。LNG的泄漏擴散過程主要包括液池的擴展和氣云的擴散兩個過程。

1.1 液相泄漏

LNG儲罐發生泄漏時液體流出速度除與罐內外壓力差有關外，還有影響因素：泄漏口徑大小和液面與泄漏點的高度差，根據伯努利方程，液相泄漏速度計算方程：

（1）式中：Q-液體的泄漏速度。kg/s；

C₀-液體的泄漏系數，指實際流量與理論流量的比，一般取0.65；

A-泄漏口的面積，m²；

ρ-泄漏液體的密度，kg/m³；

P-容器內介質壓力，Pa；

P₀-環境的壓力，Pa；

g-重力加速度，取9.8m/s²；

h-泄漏口與液面高度差，m。

1.2 液池擴展

LNG泄漏到地面之上，在重力、初始速度的作用下進行擴展。如果LNG垂直泄漏于地面之上，將形成圓形的液池，液池半徑隨時間變化而變化。Britter通過建立重力、浮力、阻力、慣性力的平衡方程，求解淺水方程，得出垂直泄漏于地面上的重力流，形成的液池擴展半徑與時間的關系式為：

（2）式中：V₀-是LNG液體的體積流量，m³/s；

t-泄漏發生的時間，s；

g-當量重力加速度（與泄漏液體密度、周圍環境流體的密度以及

當地的重力加速度有關），m/s²。

適用于條件是泄漏源持續不變且泄漏擴散沒有障礙物的阻礙。這是由于當泄漏源不垂直的泄漏到地面上，泄漏出來的流體則具有水平方向上的初速度，在地面上形成的液池將不再是圓形，而且液池在具有初速度的水平方向的擴展距離相較其它方向要更加大；當周圍環境存在障礙物時，液池無法自由擴展，液池的面積與厚度將改變。

1.3 氣云擴散

LNG蒸發過程中，由于甲烷的沸點最低，所以最先氣化，隨著溫度的上升，LNG中的重質組分乙烷、丙烷等相繼蒸發。一般情況下其擴散過程分為四個階段，即：重力沉降階段、空氣卷吸階段、向非重氣擴散轉變階段和被動擴散階段（圖1）。重力沉降階段：LNG蒸汽的密度大于周圍環境中空氣密度，在重力作用下下沉，導致氣云半徑增大，高度降低。在該階段，以重力影響起主導作用。

空氣卷吸階段：由于泄漏擴散的初始階段，低溫重氣云下沉，從而導致氣云的內部產生瑞流，進而氣云的周圍會出現渦旋，進而將空氣卷吸入氣云。卷吸現象主要發生在氣云的上部和側面，在該過程中隨著空氣的進入，氣云不斷被稀釋，濃度降低。

向非重氣擴散轉變階段：由于空氣卷吸作用，氣云被稀釋，同時低溫氣云不斷從周圍環境中吸收熱量。隨著氣云溫度的逐漸升高，氣云密度減小，R數隨之逐漸減小，R直到小于臨界值時（一般情況下取值為10），重氣沉降作用已經完全消失，重氣擴散過過渡到非重氣擴散。R_i數為判斷氣云是否為重氣的依據，其計算公式為：

（3）式中：ρ、ρ_a-分別為擴散氣云、周圍環境空氣的密度，kg/m³；

g-當地的重力加速度，m/s²；

v-環境空氣對氣云的剪切作用所產生的摩擦速度，m/s；

h-氣云的高度，m。

被動擴散階段：在該階段，氣云密度接近或者小于周圍空氣密度，氣云受到浮力作用明顯，在浮力作用下，向著高處擴散運動。大氣湍流在擴散過程中作用明顯。

2 LNG泄漏擴散模擬分析

2.1 模擬分析相關參數

以某市的LNG氣化-加氣加液站為模擬分析對象，該站長度約為200m，寬度約為100m。150m³LNG儲罐泄漏擴散分析是在工作條件下為背景，儲罐壓力為0.3Mp（表壓），儲罐天然氣溫度為111K，泄漏位置在罐體地面高1m處，外界環境為1個標準大氣壓。在上述條件下，研究儲罐泄漏口徑、環境風速及環境溫度對LNG泄漏擴散過程的影響：

（1）儲罐泄漏口徑的影響，保持泄漏位置（距離地面1m）不變，風速為5m/s，大氣穩定度為D。選取災難性破裂、100mm破裂口徑、50mm破裂口徑三種泄漏量參數分別進行模擬。

（2）風速的影響，保持泄漏位置不變，50mm破裂口徑泄漏，選取風速及大氣穩定度為1.5/D、5/D、8/D三種參數分別進行模擬。

（3）50mm破裂口徑泄漏不變，風速及大氣穩定度為5，D，泄漏口位置不變，對外界環境溫度分別為283、298K進行模擬。

2.2 泄漏口徑對氣云擴散的影響

在風速5m/s及大氣穩定度為D情況下，災難性破裂、100mm破裂口徑、50mm破裂口徑最大濃度云團和順風距離關系如圖2所示，氣云外邊界層的濃度為22001.2ppm。

由圖2可以看到，50mm泄漏口徑時液化天然氣的擴散距離只有160m，當泄漏口徑為100mm時，擴散距離已可達到296m遠，而當泄漏為災難性泄漏時，擴散距離已經將要超越365m。由此可知，泄漏口徑因素對泄漏過程的影響很大，泄漏口徑越大，泄漏擴散范圍越廣，造成的危害后果也更加嚴重。

通過對比可以知道，泄漏的天然氣沿著泄漏口方向上向前擴散，這是由于LNG儲罐內部壓強較大（0.3MPa），由式（1）可知，在假定的這幾種泄漏速率下，泄漏口口徑較小，泄漏的LNG從泄漏口射流而出，迅速轉變為氣體，并且擁有向前擴散的初速度。隨著泄漏源口徑增大，泄漏的天然氣向兩側擴散趨勢加大。同時由于低溫氣體不斷的從空氣吸熱，氣云的密度逐漸降低，氣云上浮，即氣云變厚。

2.3 環境風速對氣云擴散的影響

環境風速對LNG泄漏擴散過程的影響主要體現在對氣云的輸送作用以及對加大與氣云的對流，起稀釋作用。研究通過改變風速大小，進而研究風速對氣云運動擴散的影響。模擬了三種不同風速情況下氣云的運動，分別為1.5、5、10m/s大氣穩定度均為D，泄漏口徑為50mm，風流從左側進入，氣云最外層邊界濃度22001.2ppm。

由圖3、圖4可知，環境風速對液化天然氣蒸氣云有明顯的作用。風速在1.5m/s情況下，氣云的寬度接近160m，順風擴散距離達到245m，而風速在5m/s情況下，氣云的寬度只有將近40m，順風擴散距離為162m，在風速為8m/s時，氣云的寬度只有將近36m，順風擴散距離為146m。這是由于在有風情況下，風對氣云有剪切和卷吸作用，在風的作用下，氣云順風傳播，且不斷被稀釋。風速越大，作用效果越明顯，大風有利于液化天然氣云的擴散，使其不容易聚集成易爆氣團。

2.4 外界環境溫度對氣云擴散的影響

環境溫度對LNG泄漏擴散過程的影響主要體現在對氣云的熱傳遞過程。外界環境的溫度時刻在變化，本文假定在泄漏過程中外界環境溫度恒定，溫度為283K（10℃）、298K（25℃），不同風速條件下液化天然氣云濃度分布如圖4、圖5所示。

由圖5、圖6可看出，溫度在283K的情況下，風速為1.5m/s大氣穩定度為D時，液化天然氣云擴散距離為222m、高度為2.8m、寬度為142m；由圖7、圖8可看出，溫度在298K的情況下，風速為1.5m/s大氣穩定度為D時，液化天然氣云擴散距離為245m、高度為3.1m、寬度為125m。從氣云的擴散變化可知，外界環境溫度越高，汽云擴散距離越遠，氣云上升趨勢越明顯，但是汽云寬度變窄。

由此可得出結論：外界環境溫度越高，低溫氣云吸熱越快，由重氣轉變為非重氣的速度更加快，氣云向上空及順風擴散距離越大。低溫環境不利于低溫氣云吸熱，重氣云容易在地面聚集，氣體密度較重不利于汽云擴散，導致在地面上氣云橫向擴散距離較大。

3 結論

本文通過PHAST軟件，實現了對LNG儲罐發生泄漏后氣云擴散的模擬，進而對LNG泄漏擴散過程中對擴散運動產生影響的一些主要因素進行了模擬研究和分析。LNG儲罐泄漏口徑、環境風速、及環境溫度對液化天然氣云擴散的影響如下：

泄漏口徑對擴散泄漏造成的危害后果起決定性作用，泄漏口徑越大，擴散距離越遠，高濃度存在的區域更大，形成的氣云越難擴散，可燃氣團順風移動，可能會在遠離LNG儲罐的下風位置發生爆炸。

環境風速對LNG氣云擴散過程的主要作用是稀釋，且風速越大稀釋作用越明顯。主要是因為在風力作用下，在氣云邊緣，風對氣云起剪切作用，這在一定程度抑制氣云擴展，所以體現出風速越大，氣云擴散距離反而越小。

環境溫度對氣云擴散的影響體現在隨著外界環境溫度的升高，低溫氣云與周圍環境之間的傳熱量增加，此外大氣湍流程度也有增強。外界環境溫度越高，低溫氣云吸熱越快，由重氣轉變為非重氣的速度更加快，氣云擴散速度也更加迅速。低溫環境不利于氣云向上擴散，氣云容易在地面聚集，氣體密度較重不利于汽云擴散，導致在地面上氣云橫向擴散距離較大。