管輸LNG泄漏部位熱力學分析

宮克勤，王卓智，賈永英

（東北石油大學 土木建筑工程學院， 黑龍江 大慶 163318）

天然氣相對煤炭和石油，具有熱值高、清潔環保和應用廣泛等優勢，隨著天然氣深冷工藝、天然氣動力等方面的研究不斷加深，天然氣工業在全球范圍內的諸多領域體現出廣闊的發展空間。隨著LNG應用技術的快速發展，對于 LNG儲存和運輸技術的要求也在不斷提高。由于LNG存在滾騰現象和快速相態轉變等特性，使得LNG泄漏過程的熱力學研究，對液化天然氣安全運輸和高效存儲具有重要意義。

1 LNG相關性質

1.1 LNG定義及物理性質

液化天然氣LNG：從氣田開采的天然氣或油田伴生氣，經過脫水、脫酸性氣體和重烴類，然后經過壓縮、膨脹和液化過程制得的低溫液體。LNG主要成分包括，甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、戊烷和氮；常壓下沸點為-162 ℃；爆炸極限為3.6%～17%；燃點為650 ℃；密度為430～460 g·L-1；無色無味透明液體。

1.2 滾騰現象[1]

滾騰現象多發生于儲罐、槽車或LNG運輸船等存儲設備中，LNG存儲過程為超低溫過程，原液由于長期蒸發和吸熱的影響，本身性質發生一定變化。向罐中注入新液的過程，與將不同成分的超低溫液體混合過程相似，由于密度不同形成兩層液體，發生層化現象。在吸熱和蒸發的持續作用下，兩層液體將發生傳熱傳質現象。當兩種液體密度接近相等的平衡點時，上下兩種液體劇烈混合產生大量蒸汽，使存儲設備內壓急劇變化，產生泄漏危險。

1.3 快速相態轉變RPT現象[2]

LNG在與水發生接觸時會發生強烈的換熱過程，迅速產生大量蒸汽，發生快速的相態轉變過程。例如LNG運輸船、LNG埋地管道以及LNG終端接收設備浸沒燃燒式汽化器的內部等設備泄漏時，都可能導致LNG與水接觸發生RPT現象，RPT現象的發生極有可能導致冷爆炸造成巨大危害，應嚴格避免。

2 泄漏過程熱力學分析

LNG以液態流體的形式存儲和運輸，由于其沸點與外界環境溫差巨大且LNG相態轉變迅速，因此在對LNG泄漏過程進行熱力學分析時將其泄漏后汽化比設為100%。通過建立具有相變潛熱的能量方程，分析各個熱力學參數對泄漏過程的影響，確定LNG泄漏過程的主要影響因素。

2.1 LNG各組分蒸發焓的確定

對于LNG蒸發焓的求解關鍵在于各組分蒸發焓的確定，通過Vetere改進的Kistiakowsky方程對LNG的烴類組分蒸發熵和蒸發焓進行求解，公式如下：

式中：ΔHVb—各組分的蒸發焓；

Tb—沸點；

ΔSVb—蒸發熵；

M—相對分子質量。

通過文獻[3]查詢天然氣各主要組分的沸點，進而求解出各組分的蒸發焓匯總于表1中。

2.2 LNG蒸發焓的確定

LNG為混合物，各主要組分的蒸發焓已求得，結合如下計算式求解LNG的蒸發焓。

式中：ΔHVbm—混合物摩爾蒸發焓；

xi—混合物摩爾分數；

ΔHVbi—響應組分摩爾蒸發焓。

應用上式，結合表1中數據即可求解出不同組分LNG的摩爾蒸發焓。

表1 LNG各組分數據Table 1 LNG each component data

表2 LNG各組分參數值及比熱容Table 2 LNG each component parameter value and the specific heat capacity

2.3 理想氣體比熱容求解

對于各組分在沸點狀態時的比熱容，可以結合下列經驗關聯式進行求解：

式中：T取各組分沸點溫度，如表1所示；參數A、B、C、D可在文獻[3]中查得，取值如表2所示。

LNG為混合物，而且主要組分都為飽和烴類，屬于性質相近的同系物質，計算式如下：

式中：Cpm—天然氣混合物的定壓比熱容；

xi—各組分摩爾分數；

Cpi—某一組分的定壓比熱容。

通過上式，即可計算天然氣的比熱容，為后面能量方程的建立和求解奠定基礎。

2.4 建立能量方程

下圖為泄漏管道部位斷面示意圖，選取泄漏口附近為研究區域。設LNG泄漏過程為兩部分組成，首先液態流體經過泄漏口泄漏至泄漏口外部，然后經過吸熱汽化和傳熱過程，迅速獲得熱量升溫至外界溫度。LNG泄漏過程發生變化的是動能、位能、熱力學能、壓力做功以及相變吸熱幾部分，現求解各部分能量表達式。選擇一個泄漏模型如圖1所示，內部流體壓力為P1、溫度為T1、速度為c1，泄漏部位流體參數為P2、c2、T2，外界環境參數為Pw、Tw、cw。

圖1 LNG泄漏過程示意圖Fig.1 LNG leak process diagram

考慮LNG在泄漏部位完全相變，在附近區域充分膨脹，即壓力由1P快速變化為wP，下面對各部分能量進行求解。

由于假設工況的分析范圍是泄漏部位附近區域，因此位能變化量對系統影響很小，不作考慮。將上述各部分能量匯總成為：

式中：c1—流體初速度；

c2—流體末速度；

ρl—LNG 密度；

ρg—天然氣密度；

hw—局部阻力；

cp—氣體定壓比熱容；

M—LNG相對分子質量。

通過對上述方程進行分析可以看出，對于初態確定的泄漏過程，流體初始各參數、汽化潛熱和局部阻力均不變化，因此泄漏后發生變化的僅為流體泄漏速度和壓力。當LNG可以充分膨脹時，膨脹后壓力即為外界大氣壓力，此時泄漏速度最大；當膨脹空間有限時，泄漏速度減小局部壓力增大；當泄漏空間很小時，泄漏速度項擴大受限，壓力項迅速增大，極易發生爆炸。分析可以發現，當LNG泄漏事故發生時，泄漏的劇烈程度取決于LNG的初態參數壓力和溫度。泄漏所導致的結果主要受泄漏外環境的影響，即外部溫度、壓力以及空間大小等，其直接體現為LNG的泄漏速度和泄漏局部壓力增。

3 LNG危險性及泄漏防治措施

3.1 LNG危險性分析

LNG的運輸和存儲均為常壓超低溫儲運過程，一旦發生泄漏將會導致諸多危險的發生和嚴重的事故后果：(1)由前文和推導出的能量方程可以看出，LNG一旦泄漏將伴隨劇烈的換熱和汽化過程，極易發生高壓爆炸或冷爆炸。(2)汽化后的天然氣密度比空氣密度低，因此極易擴散。同時天然氣為可燃性氣體，當天然氣遇到明火并且濃度達到爆炸極限時，會發生劇烈爆炸。(3)LNG的主要成分是甲烷，甲烷是一種強力的溫室效應氣體，對臭氧層具有很強破壞性。甲烷導致溫室效應的能力是二氧化碳的 22倍[4]，LNG泄漏對大氣環境具有很的大破壞性，因此從環保的角度出發，也要預防控制LNG的泄漏。(4)LNG屬于超低溫流體，含有大量的冷能，一旦發生泄漏事故，液化天然氣沸騰釋放大量冷能，極易對附近人員造成嚴重凍傷。

3.2 LNG泄漏預防措施

由能量方程可看出，LNG泄漏的主要影響因素是內部壓力和溫度，泄漏的結果是導致泄漏部位的溫度、壓力以及局部氣流速度產生劇烈變化。當發生泄漏時，最先過發生變化的是泄漏部位的溫度和壓力。因此可在易發生泄漏的部位即LNG運輸船、槽車、儲罐以及節流等部位采取加裝泄壓閥和局部保溫材料等措施來預防泄漏事故發生。通在易發生泄漏的閥門連接處、變徑等部位加裝溫度和壓力等監測裝置，實時監控這些部位的運行情況，當參數發生突然變化時起到報警的作用，從而第一時間對泄漏事故做出反應、進行處理，將事故危險性降至最低。

4 結束語

2011-2013年注定是中國LNG行業快速發展階段。江蘇如東 LNG、大連 LNG已陸續投產，福建莆田LNG擴建工程投產，唐山LNG、海南LNG紛紛開工建設[5]。盡管LNG為低溫存儲和運輸流體，技術要求苛刻，危險性高。但LNG體積約為同質量天然氣體積的 1/600，具有巨大的存儲和運輸高效性，這一優勢加速了LNG在各領域的應用和發展。由于我國 LNG相關技術處于起步階段，對于 LNG泄漏的研究還不深入，從能量守恒角度建立并分析LNG泄漏能量方程，分析發生泄漏事故時各熱力學參數的變化和影響因素，為泄漏事故防治和處理提供參考。除此之外，更應該加強工作者的培訓和教育，增強安全生產觀念和維護意識，解決LNG企業發展隱患，促進我國液化天然氣行業安全高速發展。

［1］袁宗明,謝英,梁光川.城市配氣[M].北京:石油工業出版社,2004:259-261.

［2］王泓.LNG 潛在的危害及其預防措施[J].天然氣與石油,2007,25(1):1-2.

［3］童景山.流體熱物性基本理論與計算[M].北京:中國石化出版社,2008:126-128.

［4］高露,梁光川,彭波,等.液化天然氣的泄漏與防護[J].天然氣與石油,2008,26(1):28-30.

［5］付子航,宋坤,單彤文.空氣熱源式氣化技術在大型LNG接收終端的應用[J].天然氣工業,2012,32(8):100-104.