針對浮式液化天然氣生產裝置不同形狀儲罐的重氣泄漏擴散研究

余建星，張 龍，劉 源，周清基

（天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072）

目前在海洋工程領域，有超過10 000座固定的、浮體的和水深達1 000 m的移動式海洋平臺。除此之外，還有超過3.2×105km的海管和5 000只船舶作為這些海洋平臺開發、鉆探、生產和運輸的輔助設備。然而與此同時，各種海難事故（船舶的碰撞、擱淺、腐蝕疲勞破壞、沉船、火災、爆炸等）不斷發生，其中尤以重氣泄漏造成的后果最為突出，如1988年Piper Alpha鉆井平臺的爆炸，引發了海洋工程界對重氣泄漏的研究。

部分有毒有害氣體泄漏到空氣中后，會由于物質的分子量比空氣的大（如氯氣）、較低的環境溫度（如液化天然氣，以下簡稱LNG）、較高的儲存壓力（如氨氣泄漏形成的煙霧）、化學轉變（如氟化氫的聚合）等原因形成了比空氣重的氣云，稱為重質氣體（簡稱重氣，heavy gas）。對于浮式儲卸油生產系統（即FLNG），當它的儲罐發生泄漏時，由于儲罐內的LNG處于低溫高壓狀態，當泄漏發生后會在高壓作用下從泄漏點噴射到空氣中。當其接觸周圍暖空氣時，會迅速閃蒸，一部分物質形成蒸氣，其余部分呈現液體狀態，以保持氣液平衡，但同時相當一部分的液態物質以液滴的方式霧化在蒸氣介質中，形成含有液滴夾帶的混合蒸氣云團，使得云團平均密度大于空氣密度，形成重氣。在實際發生的氣體泄漏擴散事故中，在泄漏源或擴散過程中往往存在不同類型的障礙物（如建筑物等），由于障礙物的存在，改變了大氣的流動，使得有障礙物情況下的重氣擴散過程更為復雜[1-5]。

國外對氣體泄漏的研究由來已久，也形成了成熟的理論體系，并建立了詳細的分析模型，如高斯模型（包括高斯煙羽模型、高斯煙團模型、高斯軌跡煙云模型等）、FEM3模型、BM模型等。但這些模型一般僅考慮常規氣體，大多并未涉及重質氣體，因此對于分析重氣擴散存在一定的局限性[6-8]。

隨著人們逐漸認識到研究重氣在泄漏問題中的重要性，各國開始紛紛針對重氣進行相應的試驗，其中最著名的重氣試驗就是Thorney Island系列實驗。Thorney Island系列實驗是在英國南海岸的一個廢棄的空軍基地Thorney Island上進行的。該系列試驗證明，由于建筑物的存在，迎風面距離地面較高的位置氣云的濃度要比靠近地面背風面位置的濃度高，但在高處高濃度的停留時間要比低處高濃度的停留時間短，完全和平坦地形時的情況相反。主要原因有：建筑物的存在改變了大氣的流動，同時由于氣體的浮力作用，產生了向上的速度，使得氣云會沿著建筑物前沿向上方擴散，形成局部的高濃度區，增大了重氣在垂直方向的危害范圍；重氣的重力作用和空氣的稀釋作用使得氣體上升的趨勢減弱，同時由于風遇到建筑物壁面后產生了橫向的左右分流，使得風夾帶的氣體在遷移擴散過程中也產生了橫向的左右分流，在縱向和橫向渦旋的共同作用下，氣體會繞過建筑物。當氣流繞過建筑物后，在背風區產生了速度虧損和渦旋現象，形成一個空腔區，空腔區內的回流作用使重氣長時間積聚在此處而不易擴散開來，形成了高濃度區。在重氣擴散過程中，重力擴展階段及障礙物附近會產生回流。這就是重氣理論中著名的低壓卷吸理論[9-11]。

從低壓卷吸的理論中可以看出，在重氣擴散過程中一旦遇到障礙物就會形成低壓卷吸，障礙物是決定低壓卷吸的關鍵要素。本文針對FLNG上儲罐，分別對矩形儲罐和圓柱形儲罐這兩種常用形狀儲罐進行模擬，得出決定低壓卷吸形成的要素，從而為儲罐形狀的選擇提供參考。

1 模型建立

分別建立矩形儲罐及擴散區域模型和圓柱形儲罐及擴散區域模型。由于在考慮泄漏問題中，主要研究的是泄漏氣流動的流域，需要的模型是船體除去甲板上設備的區域。因此需要在擬擴散區域內減去各儲罐，從而得到泄漏區域計算模型，如圖1～圖2所示。矩形儲罐長、寬、高均為10 m，圓柱形儲罐半徑5.65 m，高10 m，保證矩形儲罐與圓柱形儲罐容量相同；最外層為模擬擴散區域，長100 m，寬60 m，高50 m，保證研究范圍的充分，避免因為研究范圍過小導致的結果誤差。

圖1 矩形儲罐及擴散區域模型

圖2 圓柱形儲罐及擴散區域模型

2 模擬結果

由于LNG在儲罐中屬于高壓儲存，泄漏后會瞬間高速噴射，因此設定LNG的泄漏速率為20 m/s。模擬結果如圖3～圖6所示。

圖3 矩形儲罐泄漏后的速度分布云圖

圖4 矩形儲罐泄漏后的速度矢量圖

從圖3、圖4可以看出，在矩形儲罐背風處有一塊區域的風速很低，這將造成此處氣壓很低。當重氣云團穿越儲罐達到該區域時，由于氣體黏度，高能氣會向低能氣轉向逐漸改變運動方向；接觸過程中高能氣會與低壓區內的低能氣交換能量，低能氣獲得能量后開始沿風場風向運動，高能氣損失能量速度逐漸降低，直至能量平衡。這在宏觀上表現為繞過障礙物的高能氣開始向低能區中心轉向，速度降低直至被吸入該區域，并長期停留在此，形成局部高濃度區域。這一結果也驗證了Thorney Island系列實驗對背風處低壓卷吸的結論。

從圖5、圖6中可以看出，在泄漏剛開始的階段，由于儲罐的存在，儲罐背風處的空氣速度近似為零。隨著擴散的進行，在空氣黏度的影響下，繞過儲罐邊緣的高能氣逐漸將動能傳遞給背風處的空氣，使得背風處空氣開始逐漸運動。此時的空氣速度方向是向前的，并沒有回旋形成卷吸。這與矩形儲罐的情況是完全不同的。

矩形儲罐的情況下，由于沒有曲率，繞過儲罐的空氣會第一時間在空氣湍流的作用下，向低壓區移動，改變運行方向，并迅速將能量傳遞給低能氣，從而造成速度虧損，形成儲罐背風處的低壓卷吸成。但在圓柱形儲罐和球形儲罐的情況下，由于儲罐存在大曲率，導致迎風面空氣速度在湍流作用下沿儲罐表面運動，不斷改變運動方向，因此在繞過儲罐后，空氣速度在空氣黏度的影響下直接傳遞給低能氣，但卻并沒有明顯的速度方向的改變。這一情況就會形成圖5、圖6的結果，即在繞過儲罐后，泄漏氣體在邊緣區會有小幅的速度衰減，這是因為能量傳遞；而原本靜止在背風處的靜止空氣則在空氣黏度的影響下獲得了初始動能，開始沿泄漏空氣場運動，并且速度從外到內逐漸降低，從而形成圖5、圖6中的虛擬風場源。

圖5 圓柱形儲罐泄漏后的速度分布云圖

3 結論

圖6 圓柱形儲罐泄漏后的速度矢量圖

（1）本文建立的模型所得結果符合重氣擴散過程的低壓卷吸理論，能夠在一定程度上較為準確地反映重氣泄漏后擴散的真實物理情況，對海上平臺安全具有一定的指導意義。

（2）通過模擬計算結果可以看出，不同形狀的障礙物對于重氣擴散的低壓卷吸有影響，矩形儲罐背風處形成了低壓卷吸區，而圓柱形儲罐背風處并沒有形成低壓卷吸區，而是形成了局部的虛擬泄漏源，兩者有本質不同。

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