基于FLACS的LNG船舶泄漏爆炸過程數值模擬研究*

徐大用，蔣會春，沈贛蘇，習樹峰，張禮敬，潘旭海

(1.南京工業(yè)大學 安全科學與工程學院，江蘇 南京 211800；2.深圳市城市公共安全技術研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

近年來，液化天然氣(LNG)作為1種高效安全、環(huán)境友好型清潔能源，在改善全球能源消費結構的過程中起到關鍵性作用[1-3]。隨著全球LNG產量持續(xù)增長，我國的LNG資源需求日益增長，提升國內天然氣調峰儲備能力變得至關重要，LNG接收站和LNG船舶的數量和規(guī)模不斷擴大，LNG海上運輸的頻次隨之增加[4-6]。但是，LNG全球化、規(guī)模化的同時，帶來了不可忽視的安全風險，尤其是LNG船舶靠離泊、裝卸貨作業(yè)過程中的碰撞、泄漏、火災、爆炸等事故風險，多元風險交織，潛在事故發(fā)生可能性較高[7-8]。

針對LNG船舶靠離泊、裝卸貨作業(yè)過程中的復雜安全風險問題，于文杰[9]基于模糊故障樹分析法分析LNG船舶裝卸貨風險；王海東等[10]基于情景構建理論分析LNG船舶碰撞發(fā)生LNG泄漏、火災、爆炸的危險性；鄭曉云等[11]采用PHAST軟件定量計算浮式LNG平臺串靠卸載時的LNG泄漏事故后果；鄭慶功等[12]采用Fluidyn軟件數值模擬內河LNG動力船機艙LNG泄漏過程和爆炸過程，并評估事故造成的人員損傷后果。但是，目前的研究鮮有考慮環(huán)境氣象、地形建筑等因素對事故演變過程的影響，尤其是在環(huán)境復雜、障礙物多的大型港口區(qū)域，需借助專業(yè)數值仿真軟件和建模工具。劉自亮等[13]采用計算流體力學FLACS軟件模擬研究泄漏孔徑、泄漏時長、輸氫壓力和環(huán)境風速對埋地輸氫管道泄漏爆炸后果的影響規(guī)律；周沈楠等[14]利用FLACS軟件模擬研究風場、建筑物對化工園區(qū)公共管廊內丙烯和氫氣管道泄漏爆炸后果的影響。

本文構建某LNG接收站的實景化三維場景模型，選用FLACS軟件數值模擬LNG船舶卸貨作業(yè)過程中發(fā)生泄漏爆炸事故，可視化事故演化過程，量化評估事故后果，為提升LNG船舶卸貨作業(yè)安全風險防控和事故應對能力提供科學依據。

1 數值模擬

1.1 情景設計

模擬選取LNG船舶卸貨作業(yè)過程中發(fā)生泄漏爆炸事故作為研究對象，并作如下情景假定：1艘滿載90 000 m3LNG船舶正在進行卸貨作業(yè)，同時1艘滿載50 000 t液化石油氣(LPG)船舶正在靠泊作業(yè)，突然卸料臂與LNG船對接法蘭面完全拉斷發(fā)生LNG泄漏。由于船上的ESD系統(tǒng)因不明原因失效，LNG在對接法蘭面以7 500 m3/h速率持續(xù)泄漏；岸上ESD系統(tǒng)迅速關斷，卸料臂內LNG泄漏量忽略不計；5 min后船上人為停泵關閥，泄漏中止。

1.2 模型構建

場景模型包括90 000 m3LNG和50 000 t LPG船舶各1艘、接收站(含碼頭)4座、鄰近社區(qū)2個、高速公路高架橋1座、周邊山體及海洋，區(qū)域面積20.5 km2、凈高0.5 km，模型如圖1所示。其中，地形導入模型1個、構筑物模型203 932個，其他模型(樹木群)408 808個，共計612 740個模型。

圖1 場景模型

1.3 數學模型

天然氣的擴散過程遵守質量守恒定律、能量守恒定律、動量守恒定律、組分傳輸模型、源項模型、JET射流模型、壁面方程、狀態(tài)方程、可壓求解方程、湍流模型等。預混可燃氣云被點燃后可能會升級為爆炸，在升級為爆炸之前，燃料與空氣以相對穩(wěn)定的非湍流預混，層流燃燒速率如式(1)所示:

(1)

爆炸過程中，火焰會加速為湍流，湍流燃燒速率遠低于層流。在實際工業(yè)應用中，與網格尺寸相比，預混火焰的反應區(qū)域更薄，因此需要對火焰進行模型化處理，在FLACS中，通過給擴散系數增加β和反應速率系數減小1/β來加厚火焰區(qū)域，因此FLACS中的火焰模型也稱之為β模型[15]。

模型中燃料擴散系數D如式(2)所示:

(2)

式中：D為燃料擴散系數，m2/s；μeff為有效黏度，Pa·s；σeff為燃料的應力張量，N/m2。

β模型進一步定義了無量綱燃燒速率W，并且對W和擴散系數D進行了校正。模型中燃料的反應速率Rfuel如式(3)所示:

Rfuel=-W*ρmin(δH(χ-χq),χ,9-9χ)

(3)

式中：Rfuel為燃料的反應速率，kg/(m3·s)；W*為β模型中修正的無量綱燃燒速率；ρmin為最小密度，kg/m3；δH為單位階躍函數；χ為燃料燃燒的過程變量；χq為χ的淬熄極限。

當χq=0.05時，W與D之間關系如式(4)所示：

WD=1.37Su2=W*D*

(4)

式中：W為無量綱燃燒速率；D為燃料擴散系數，m2/s；Su為燃燒速率，m/s；W*為β模型中修正的無量綱燃燒速率；D*為β模型中修正的擴散系數，m/s2。

層流燃燒速率由燃料類型、燃料與空氣混合情況和壓強決定，與壓強P相關的層流燃燒速率SL關系表達式如式(5)所示:

(5)

式中：SL為層流燃燒速率，m/s；P為表壓，Pa；P0為空氣壓強，Pa；γP為燃料的固有參數。

準層流燃燒階段的湍流燃燒速率SQL如式(6)所示:

(6)

式中：SQL為湍流燃燒速率，m/s；SL為層流燃燒速率，m/s；R為火焰半徑，m；χmin為χ的最小值。

湍流階段的湍流燃燒速率ST表達式如式(7)所示:

(7)

式中：ST為湍流燃燒速率，m/s；SL為層流燃燒速率，m/s；u′為速度均方根，m/s；K為伸展因子，計算表達式如式(8)所示：

(8)

式中：RT為湍流雷諾數；u′為速度均方根，m/s；SL為層流燃燒速率，m/s。

當運動黏度v為常數時，F(xiàn)LACS根據式(9)的原則來選擇燃燒速率：

Su=max(SQL,ST)

(9)

1.4 網格劃分

在完成區(qū)域場景模型構建之后，需根據模擬計算的要求劃分網格。FLACS軟件在結構笛卡爾網格上求解，為最大程度地提高計算精度，同時兼顧計算效率，以LNG泄漏點為中心劃分內核心區(qū)、外核心區(qū)、非核心區(qū)和其他區(qū)域等4種尺寸網格，各計算區(qū)之間用1.2倍系數作平滑過渡。其中，內核心區(qū)的網格精度最高，尺寸設置為1.0 m×1.0 m×0.5 m；外核心區(qū)的網格精度次之，尺寸設置為5.0 m×5.0 m×1.0 m；非核心區(qū)和其他區(qū)域的網格精度較低，網格尺寸分別設置為10.0 m×10.0 m×5.0 m和20.0 m×20.0 m×10.0 m。網格總數為26 786 968個。

1.5 參數設置

泄漏物質為LNG，是以甲烷為主要組份的烴類混合物。在模擬中，組份設置為97.032 mol%甲烷、2.014 mol%乙烷、0.346 mol%丙烷、0.07 mol%異丁烷、0.078 mol%正丁烷、0.002 mol%異戊烷、0.002 mol%正戊烷、0.451 mol%氮及0.000 35 mol%硫化氫。環(huán)境參數設置為：大氣溫度15.4 ℃，海水溫度16.3 ℃，東南風向1 m/s，大氣穩(wěn)定度F，太陽輻射739 W/m2，初始湍流強度0.1，湍流長度尺度0.01，地面粗糙度0.01 m。

1.6 監(jiān)測點設置

針對關鍵防護目標，設置3類爆炸超壓監(jiān)測點，如圖2所示。1類監(jiān)測點為高速公路高架橋(3個監(jiān)測點)，2類監(jiān)測點為接收站(4個監(jiān)測點)，3類監(jiān)測點為周邊建筑物(3個監(jiān)測點)。

圖2 監(jiān)測點設置

2 結果與討論

2.1 擴散過程模擬分析

模擬中，選用FLACS軟件的“Pool Model 3”模型模擬LNG泄漏擴展和蒸發(fā)擴散的動態(tài)過程。

2.1.1 液池擴展過程

LNG液池擴展過程模擬結果如圖3所示，當LNG從法蘭面泄漏后，首先在70 m3積液池內形成小型液池。LNG在滿輸壓力下向前噴射，一部分LNG在噴射過程中發(fā)生汽化，另一部分LNG仍以液態(tài)形式噴射至卸貨平臺及海面上，并形成液池向四周流淌擴展。液池擴展過程中，由于LNG與海水熱交換，LNG大量汽化，使得液池面積呈先擴大、后縮小的變化趨勢，且擴展過程中液池厚度逐漸變薄。模擬621 s時，海面上的LNG液池面積達到最大17 047 m2；至1 200 s時，海面上的LNG液池已不可見，即泄漏出來的LNG完全汽化。

圖3 液池擴展過程

2.1.2 蒸氣擴散過程

當LNG從卸料臂與船對接法蘭面泄漏到環(huán)境中，LNG在海面及海面上空大量汽化，蒸氣與空氣劇烈混合形成可燃氣云。可燃蒸氣在水平方向上的擴散過程模擬結果如圖4所示，可燃蒸氣在垂直方向上的擴散過程模擬結果如圖5所示。為便于區(qū)分，將蒸氣濃度劃分為10個區(qū)間。

圖4 氣云水平擴散過程

圖5 模擬1 200 s時氣云垂直分布

LNG蒸發(fā)過程中，總體汽化速率呈先增后降的變化趨勢，在410 s時達到最大汽化速率350 kg/m3。由圖4可知，由于LNG/LPG船舶及棧橋碼頭等障礙物影響，可燃氣云繞障礙物擴散現(xiàn)象明顯[15]，使得可燃氣云在水平方向上的擴散區(qū)域總體呈啞鈴狀，隨著時間推移在LPG棧橋與成品油棧橋中間海域發(fā)生氣云重疊現(xiàn)象。模擬900 s時，可燃氣云向北到達海岸線，并在海岸及高架橋下方區(qū)域不斷積聚；至1 200 s時，可燃氣云完全覆蓋LNG/LPG船舶、LNG/LPG/成品油棧橋。LNG在超低溫(-162 ℃)條件下泄漏，在空氣中快速相變，汽化產生的氣體密度約為空氣密度的1.5倍，低溫的重氣云團將會發(fā)生重力沉降。同時，由于大氣湍流將空氣卷吸進入云團內部，低溫重氣云團會被加熱，向正浮性氣體擴散轉變。圖5為模擬1 200 s時不同高度的可燃氣云剖面圖，可以發(fā)現(xiàn)可燃氣云主要集中在海面上方0.5 m高度處，但大部分區(qū)域的氣云濃度低于爆炸下限。當提升剖面高度，可燃氣云分布區(qū)域大幅減小；至剖面高度2.0 m時，可燃氣云幾乎不可見。

2.1.3 氣云溫度分布

LNG蒸發(fā)擴散過程中的溫度變化情況如圖6所示，將LNG沸點(-162 ℃)～海水溫度(16.3 ℃)范圍內的溫度劃分為10個區(qū)間，并以不同顏色區(qū)分。由圖6可知，LNG蒸氣與空氣混合形成可燃氣云，氣云溫度由內向外呈溫度升高趨勢，氣云中心區(qū)域溫度最低，接近泄漏溫度(-162 ℃)，該區(qū)域氣云濃度最高，局部形成超低溫環(huán)境；隨著LNG蒸氣與空氣邊擴散邊混合，氣云溫度逐漸變高，直至邊緣溫度等于大氣溫度。

圖6 氣云溫度分布

2.2 爆炸過程模擬分析

選用FLACS軟件的“Gas explosion(DDT)”模型模擬LNG蒸氣云爆炸的動態(tài)過程。假設可燃氣云在LNG卸貨平臺處因不明火源被點爆，發(fā)生氣云爆炸，整個爆炸過程持續(xù)12 s，如圖7所示。至模擬結束，爆炸形成火球高度約340 m。

圖7 氣云爆炸三維過程

LNG蒸氣云爆炸火焰陣面壓力隨時間變化曲線如圖8所示。爆炸壓力呈梯度式增長，最高壓力約為250 kPa。首先是LNG蒸氣云一次爆炸階段，壓力曲線呈鋒形，壓力在0.38 s內迅速攀升至68 kPa，隨后降至約3 kPa。隨后發(fā)生二次爆炸，壓力在1.5 s內升至約100 kPa。二次爆炸之后，在極短時間內(約1 s)發(fā)生了三次爆炸，壓力值驟升至約250 kPa，并維持該壓力至模擬結束(12 s)。

圖8 不同時刻火焰陣面壓力變化曲線

2.3 爆炸后果分析

2.3.1 人員傷害后果

依據《化工企業(yè)定量風險評價導則》(AQ/T 3046—2013)中爆炸超壓對人員傷害的閾值范圍，劃分輕傷區(qū)(2 kPa≤超壓<10 kPa)、重傷區(qū)(10 kPa≤超壓<30 kPa)和死亡區(qū)(超壓≥30 kPa)，如圖9所示。爆炸形成半徑380 m輕傷區(qū)，該范圍內棧橋及海上救援人員將受到輕傷；爆炸形成半徑150 m重傷區(qū)，該范圍內LPG船及卸貨平臺、LNG船及LNG碼頭緊急疏散集合點、相鄰棧橋等區(qū)域的人員將受到重傷；爆炸形成半徑60 m死亡區(qū)，該范圍內LNG卸貨平臺、LPG碼頭緊急疏散集合點等區(qū)域的人員死亡概率100%。

圖9 爆炸超壓對人員傷害分布

2.3.2 建構筑物損壞后果

依據《化工企業(yè)定量風險評價導則》(AQ/T 3046—2013)中爆炸超壓結構破壞閾值劃分建構筑物損傷范圍，如圖10所示。爆炸造成半徑90 m范圍內的LNG船及卸貨平臺、LPG船及卸貨平臺、相鄰棧橋管線的結構嚴重破壞，可能導致LPG船甲板懸掛敷設的輸送管線、正在卸貨作業(yè)的LPG卸料臂及輸送管線破裂發(fā)生物料泄漏，擴大事故后果。爆炸造成半徑550 m范圍內棧橋、泊位等建構筑物不同程度的結構損壞，幾乎不會對接收站的儲罐、充裝區(qū)、辦公樓等關鍵防護目標造成超壓破壞。各監(jiān)測點的壓力變化情況如圖11所示，瞬時壓力隨爆炸進行而逐漸降低，最高壓力(約1.8 kPa)出現(xiàn)在鄰近的成品油碼頭監(jiān)測點，其次是高速公路高架橋監(jiān)測點。除鄰近的成品油碼頭監(jiān)測點外，其余監(jiān)測點的壓力均低于1 kPa，即LNG蒸氣云爆炸幾乎不會對監(jiān)測目標造成損壞。

圖10 爆炸超壓對建構筑物傷害分布

圖11 各監(jiān)測點壓力變化曲線

3 結論

1)LNG卸料臂以滿輸速率持續(xù)泄漏5 min情景下，形成的最大液池面積17 047 m2，最大汽化速率350 kg/m3。

2)LNG蒸氣云爆炸產生最大超壓0.25 MPa，形成半徑380 m輕傷區(qū)、150 m重傷區(qū)和60 m死亡區(qū)，該預測結果可以指導LNG事故現(xiàn)場區(qū)域劃分和人員應急疏散規(guī)劃。

3)LNG蒸氣云爆炸產生超壓可能造成半徑90 m范圍內輸送管線結構嚴重破壞導致物料泄漏，引發(fā)二次爆炸擴大事故后果。