開敞空間液化天然氣泄漏低溫擴散及爆炸傳播規律*

任少云

(中國人民武裝警察部隊學院消防指揮系，河北 廊坊 065000)

液化天然氣(liquefied natural gas， LNG)作為能源給工業生產和日常生活提供了極大便利，然而，一旦發生泄漏，卻給人身安全帶來危害。LNG泄漏后：一方面從環境中吸收大量的熱，使空氣溫度急劇下降，形成低溫凍傷區域；另一方面與空氣混合達到爆炸極限，形成可燃性混合氣體。因此，在LNG泄漏后的救援過程中，必須考慮低溫凍傷的可能性以及可燃性混合氣體爆炸的危害效應。

目前，人們已廣泛研究了LNG連續泄漏擴散過程[1-3]，并探討了LNG爆炸后的超壓和溫度分布規律[4]。在這些研究中，一般假定天然氣濃度均勻分布。但是事實上由于重力和擴散作用，LNG泄漏后其濃度分布并不均勻[5]，而濃度分布不均勻將直接影響可燃氣體的爆炸規律，因此研究濃度分布不均勻天然氣的爆炸傳播規律具有實際意義。考慮到數值方法已在液體吸熱汽化和氣體爆炸特性研究中得到了廣泛應用[1-2，6-7]，為了降低成本、減小風險，本研究中選擇數值方法研究LNG泄漏及爆炸傳播規律。

本文中采用計算流體力學軟件Fluent建立LNG泄漏汽化模型和氣體爆炸模型，利用Burro實驗數據[8]驗證數值模型，由此探討開敞空間LNG泄漏汽化過程中的低溫規律、甲烷與空氣混合形成可燃性氣體濃度分布規律，以及遇到火焰后爆炸壓力場和溫度場的變化規律。

1 數值模型和實驗驗證

1.1 數值模型

利用國際上比較流行的計算流體力學軟件——Fluent進行數值模擬。采用兩相流模型模擬氣體混合，采用k-ε湍流模型模擬湍流流動，采用組分傳遞方程計算燃燒，采用Arrhenius方程計算化學反應速率，采用P-1模型計算輻射傳熱，采用耦合壁面求解固體壁面散熱。

利用Gambit軟件建立幾何模型，并將幾何模型劃分合適的網格；將網格導入Fluent軟件，設置參數，開始計算。由于氣體的混合和爆炸為瞬態過程，時間步長影響計算結果的準確性、穩定性和計算時間，因此綜合考慮計算結果的準確性和計算時間，設時間步長為10 μs。選用壓力基求解器，壓力-速度耦合采用Simple算法。

1.2 數值方法驗證

依據Burro實驗[8]建立計算域，如圖 1所示。計算域的長和寬均為1 000 m，高為50 m；中心泄漏源直徑為56 m。左側為入風口，底部為地面。網格劃分采用四面體非結構化網格，尺寸為10 m。為了驗證網格尺寸相關性，采用10 m(Grid 1)和5 m(Grid 2)兩種網格尺寸對氣體混合過程進行模擬計算，對應的網格數分別為343 659和2 746 910。模擬計算得到LNG以16 m3/min速率泄漏時距離泄漏中心57 m處甲烷體積分數-時間曲線，如圖2所示。可見，在不同網格尺寸條件下，甲烷體積分數隨的時間變化基本一致，相同時刻體積分數差值小于0.5%，相對偏差小于5%。

實驗Burro 8和Burro 9[8]中LNG泄漏擴散測試參數如表 1所示。采用表1所示的初始條件和邊界條件進行數值模擬，將計算結果與Burro實驗數據[8]進行對比，如圖 3所示。可以看出：甲烷體積分數和溫度變化的數值模擬結果與實驗結果較吻合。兩者存在差異的主要原因如下：(1) 甲烷濃度檢測系統和溫度檢測系統存在系統誤差，在Burro實驗中采用標準鎳鉻(K型)熱電偶測量氣云溫度，但是對于500 ℃以下的中低溫，熱電偶的熱電勢較小，對儀器抗干擾能力的要求較高；(2) 模擬過程中氣體為理想氣體，流動速度較快，而實際氣體存在黏性，在氣體混合過程中黏性力會降低氣體的運動速度；(3) 模擬過程中假定地面為光滑無摩擦，而實際地面卻是粗糙的。

實驗泄漏速率/(m3·min-1)泄漏時間/s2m高處平均風速/(m·s-1)環境溫度/K環境壓力/kPaBurro 816.01071.8306.2594.1Burro 918.4795.7308.5594.0

2 LNG泄漏后低溫區域的影響因素分析

2.1 擴散距離對低溫區域的影響

為了考察擴散距離對低溫區域的影響，將溫度監測點設在距泄漏源中心57、140、200、300、400和800 m處。設氣體為理想氣體；風速為3 m/s，初始壓力為0.1 MPa，環境溫度為300 K，泄漏時間為100 s，泄漏速率為16 m3/min；中心泄漏源直徑為56 m，地面光滑、絕熱。

圖4(a)顯示了不同監測點溫度隨時間變化曲線。可見，距離泄漏源越近，低溫區域的溫度谷值越低，出現谷值的時間越短。這是由于LNG泄漏后，從周圍環境中吸熱汽化，距離泄漏源越近，溫差越大，熱交換越快。

當人的皮膚組織溫度降至冰點(273 K)以下時，就可以導致凍傷。圖4(b)顯示了溫度谷值隨距離變化趨勢。很明顯，隨著擴散距離的增大，低溫區域溫的溫度谷值升高，且溫度谷值的升高趨勢變緩，擬合公式如下：

式中：Tmin為溫度谷值，K；x為擴散距離(即距泄漏源中心的距離)，m。

根據式(1)，LNG大面積泄漏時(直徑為58 m)，距離泄漏源中心110 m處的溫度為273 K。說明當處置人員距離泄漏源中心110 m范圍內時，需要做好防凍保護。

2.2 風速對低溫區域的影響

為了考察風速對低溫區域的影響，取風速為1.8、3.0、5.0和7.0 m/s，擴散距離取140 m，泄漏時間為100 s，其余條件與2.1節一致。

圖5(a)顯示了不同風速條件下溫度隨時間變化曲線。可以看出，風速增大，低溫區域的溫度谷值下降，溫度谷值出現的時間縮短。這是因為風速越大，對流換熱系數越大，氣溫下降得越快。圖 5(b)顯示了低溫區域溫度谷值隨風速變化趨勢。可見，低溫區域的溫度谷值隨風速呈線性下降，風速越大，低溫區域的溫度谷值越低，其擬合公式為：

式中：Tmin為溫度谷值，K；v為風速，m/s。

2.3 泄漏時間對低溫區域的影響

為了考察泄漏時間對低溫區域的影響，設泄漏時間分別為50、100、150和200 s，取擴散距離為140 m，風速為3 m/s，其他條件與2.1節一致。

圖6(a)顯示了不同泄漏時間條件下的溫度變化曲線。泄漏時間增長，低溫區域溫度谷值降低，出現溫度谷值的時間也延長。其原因是：泄漏時間越長，泄漏的LNG量越多，汽化時從環境中吸收的熱量也越多，導致環境溫度越低。圖6(b)顯示了低溫區域的溫度谷值隨泄漏時間變化趨勢。隨著泄漏時間的增長，低溫區域的溫度谷值降低，且下降趨勢變緩，其擬合公式為：

式中：Tmin為溫度谷值，K；t為泄漏時間，s。

3 非均勻分布可燃氣云爆炸壓力場和溫度場

可燃氣體的濃度分布影響其燃燒反應速率。研究發現，在氣體的實際擴散過程中，氣體濃度分布不均勻[5]。因此，研究濃度分布不均勻時LNG可燃氣云的爆炸壓力場具有實際意義。

3.1 非均勻分布可燃氣云爆炸壓力和溫度變化規律

LNG泄漏后汽化為氣態甲烷，甲烷與空氣混合后形成可燃氣云。為了準確模擬可燃氣云爆炸壓力和溫度變化規律，先采用液體汽化模型模擬可燃氣云的甲烷濃度分布。計算域如圖1所示，濃度監測點分別設在距泄漏源中心57、140、200、300、400和800 m處，距地面高1 m；風速為3 m/s，初始壓力為0.1 MPa，環境溫度為300 K，泄漏時間為100 s，泄漏速率為16 m3/min。假設氣體為理想氣體，地面光滑、絕熱。

圖7(a)為不同監測點處甲烷體積分數隨時間變化曲線。圖7(b)顯示了泄漏100 s時距地面1 m高處甲烷分布。可以看出：甲烷的體積分數隨時間增加先升高后降低；距離泄漏源越遠，體積分數越低。同一時刻不同監測點處甲烷的體積分數不同，這是由于距離泄漏源中心越遠，擴散到該處的時間越長，因此甲烷濃度形成梯度。為了便于對比分析，以下的甲烷體積分數均采用本節數據。

LNG泄漏100 s時點火，點火源距離泄漏中心下風向57 m，距地面高1 m，點火半徑為5 mm，初始溫度為2 500 K，初始壓力為0.1 MPa，環境溫度為300 K。

圖8顯示了點火后不同監測點處壓力和溫度隨時間變化曲線。由圖8(a)可知：壓力場由超壓階段發展到負壓階段；距離泄漏源中心57 m處的甲烷體積分數為16%，爆炸后超壓峰值為0.64 kPa；距離泄漏源中心140 m處的甲烷體積分數為10%，爆炸后超壓峰值最大，為1.04 kPa；距離泄漏中心由200 m增大到400 m時，超壓峰值由0.27 kPa降到0.001 kPa。由圖8(b)可知：距泄漏源中心57 m(點火位置)處的溫度最高；距離泄漏源中心400 m處的高溫峰值下降至環境溫度。

非均勻分布的混合氣體爆炸后，隨著與泄漏中心距離的增加，爆炸后超壓峰值先增大后減小，如圖9(a)所示。這是因為：距離泄漏中心較近時，甲烷濃度較高，屬于富燃料燃燒，燃燒不充分，爆炸超壓峰值較低；距離泄漏中心較遠時，當甲烷濃度降低到當量比濃度時，爆炸超壓峰值最大；距離泄漏中心更遠時，甲烷濃度很低，爆炸超壓峰值隨之降低。圖9(b)展示了溫度峰值-距離曲線。可見，距離泄漏中心越遠，溫度峰值越低。距離泄漏源中心200 m范圍以內，爆炸產生的高溫超過960 K，會對人員造成傷害。

3.2 點火時刻對爆炸壓力場和溫度場的影響

為了研究不同點火時刻對爆炸壓力場的影響，設點火時刻分別為50、100、150和200 s；點火源距泄漏中心下風方向57 m，距地面高1 m；點火半徑為5 mm；初始溫度為2 500 K，初始壓力為0.1 MPa，環境溫度為300 K。

圖10顯示了距泄漏源中心140 m處不同點火時刻爆炸壓力和溫度隨時間變化曲線。當點火時刻為100 s時，甲烷濃度達到爆炸極限的區域最大(如圖7所示)，因此爆炸超壓峰值和溫度峰值最高；當點火時刻為200 s時，甲烷濃度接近爆炸下限，因此爆炸超壓峰值和溫度峰值最低。

4 結 論

以LNG泄漏后吸熱汽化形成的混合氣體為研究對象，探索LNG大面積泄漏汽化過程、氣體混合過程和爆炸過程，主要結論如下：

(1) 隨著擴散距離的增大，低溫區域的溫度谷值升高，且升高趨勢變緩，在LNG大面積泄漏時處置人員距泄漏源中心110 m范圍內時需要做好防凍防護；

(2) 低溫區域的溫度谷值隨風速的增加呈線性下降，隨泄漏時間的增加而降低，并且降低趨勢變緩；

(3) 隨著距泄漏中心距離的增加，爆炸后超壓峰值先增大后降低，距泄漏源中心200 m范圍內，爆炸產生的高溫超過960 K，會對人員造成傷害。

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