LNG儲罐泄漏擴散危險模擬分析

史 雷

（沈陽祥盛悅誠商貿有限公司，遼寧 沈陽 110122）

沒有顏色、沒有氣味、沒有毒害和腐蝕作用的液化天然氣（LNG）是由大部分的甲烷所組成的，其中的雜質可以忽略不計。所具有的性質使得它成為一種清潔能源，并越來越受到人們的喜愛。全國范圍內使用的綠色能源其中三分之一以上的為液化天然氣（LNG），而且在美國、中國等國家，在燃料使用中大多都選擇液化天然氣（LNG）。人們使用液化天然氣的量以顯著的速度上升，目前在眾多的能源行業和領域中，液化天然氣顯然是最火熱和便捷的能源之一［1］。從2000年之后這二十年的時間里，LNG的銷量與生產一年比一年增多，正因為如此，LNG泄漏災害事故發生的頻率也逐年升高，這也不得不成為了世界能源工業引人注目的問題［2］。本文以CFD軟件為基礎，采用數值模擬的方法，模擬LNG儲罐泄漏擴散，分析不同條件對LNG儲罐泄漏擴散的影響效果并找出規律。

1 泄漏孔徑對LNG泄漏范圍的影響

以某一LNG儲配站為例，該儲配站內主要參數為：儲罐容積為100 m3，儲罐設計壓力為1.6 M Pa，操作壓力為1.2MPa，儲罐內溫度為-162℃。平均大氣溫度為23℃，平均空氣濕度為75%。泄漏孔徑的不同會影響其泄漏范圍，本文以泄漏孔徑尺寸作為主要變量，在風速為1.5m／s，大氣穩定度為D，泄漏口高度為1 m，水平順風方向泄漏的條件下選取30mm、60mm、90mm、120mm四種不同泄漏孔徑進行泄漏擴散模擬，分析每種泄漏孔徑下的擴散距離大小見圖1。

圖1 泄漏孔徑對擴散距離的影響

從圖1看出，泄漏孔徑對LNG的擴散距離是有一定的影響的。LNG儲罐發生泄漏時，在以同樣的濃度釋放的條件下，一般到達50000mg／kg后濃度不再改變，LNG蒸氣下風向擴散距離到達89 m左右時的泄漏口直徑為30mm，但當泄漏孔徑增加到120mm時，此時LNG下風向的擴散距離已經延長至670 m。由此可見，隨著泄漏孔徑尺寸的增加，LNG下風向擴散的距離也在顯著增加。泄漏孔徑不同對LNG泄漏后在空氣中的蒸氣擴散面積也有顯著的影響。當泄漏孔徑為30mm時，其云層寬度達到了75m，泄漏孔徑為60mm時，云層寬度為140 m。隨著泄漏孔徑尺寸的加大，泄漏后所形成的云層寬度不斷增加，故而發生事故危害的概率也在增加。

2 泄漏源位置對LNG泄漏范圍的影響

泄漏源位置的不同能夠導致LNG擴散距離的長遠以及擴散濃度的大小不同。本文以泄漏高度作為主要變量，在風速為1.5m／s，大氣穩定度為D，泄漏孔徑為30mm，水平順風方向泄漏的條件下選取泄漏高度為1，3，5，7，11m進行泄漏擴散模擬，研究泄漏源位置的高低對LNG泄漏范圍的影響。見圖2。

圖2 泄漏源位置對下風向擴散距離的影響

圖2表明，泄漏源位置對LNG儲罐泄漏擴散的距離有微弱的影響，當泄漏高度分別為3，5，7 m和11 m時，LNG泄漏擴散的距離相比于泄漏高度為1 m時要短一些，能夠擴散至190 m左右；而當泄漏高度為1 m時，LNG擴散的距離最遠，長達350 m。以上數據表明，隨著儲罐泄漏高度的增加，蒸氣擴散的濃度不斷增加，即擴散蒸氣的面積越大，但隨著泄漏時間的延長，泄漏出的蒸氣濃度也漸漸的到達了穩定值，而在泄漏高度為1 m時對于其擴散距離影響效果較顯著。

3 風速對LNG泄漏范圍的影響

風速對LNG泄漏擴散的影響主要體現在對蒸氣氣云的影響，通過研究風速對泄漏蒸氣擴散的影響，可以控制泄漏后LNG氣云分布的狀況。本文以風速作為主要變量，在大氣穩定度為D，泄漏孔徑為30mm，水平順風方向泄漏，泄漏高度為1 m的條件下選取風速為1.5m／s，2.5m／s，3m／s，4m／s，5m／s進行泄漏擴散模擬，研究風速對LNG泄漏范圍的影響。

LNG濃度超過了液化天然氣的爆炸極限范圍，故在此范圍內的危險程度最小，不會造成特別大的傷害，但是由于濃度較高會使人員缺少氧氣而窒息。黃色區域部分的LNG濃度恰巧處于液化天然氣的爆炸極限范圍內，該區域內一旦出現微小的點火源，氣體就會起火爆炸；藍色區域部分為安全區域，LNG的濃度低于液化天然氣的爆炸極限范圍，不會發生燃燒爆炸等災害，也不會使人員中毒窒息。當風速為1.5m／s時，準危險區域的面積最大，為273.498㎡；當風速增加到3m／s時，其準危險區域的面積也縮小到了211.364㎡，減少了62㎡的面積，發生火災爆炸等危害的概率也在不斷降低；風速最大為5m／s時，準危險區域的面積最小，為110.68㎡。由此可見，隨著風速的增加，LNG泄漏后的影響范圍在不斷降低。同樣通過橫坐標下風向擴散距離我們也可以看出，隨著風速的增加，其準危險區域能夠影響到的距離長遠也在逐漸減小，由39 m縮減到了28 m。

在相同泄漏條件下，風速與LNG泄漏影響范圍呈負相關，風速增加，其危險程度較小的區域面積減小，發生事故后果的概率降低。這主要是因為當LNG儲罐發生泄漏后，LNG會從地面吸收熱量，LNG液體溫度升高會出現液相到氣相的一個轉變.由于空氣中存在氣流流動就是我們所說的風，LNG蒸氣得以擴散開來，故LNG蒸氣在空氣的作用下濃度減小.那么風速越大，氣云與空氣之間對流擴散換熱速率越快，當氣云受熱后，此時擴散方式容易由重氣轉換為輕氣擴散，故而風對LNG的濃度稀釋作用越來越明顯，則LNG在下風向上的擴散距離越來越短。

4 結論

1）LNG蒸氣擴散的距離長遠和泄漏孔徑尺寸的大小有關，泄漏孔徑尺寸越大，泄漏物質越多，其蒸氣擴散的距離越遠，泄漏影響范圍越大，發生事故的可能性越大。泄漏源位置即泄漏高度的高低對泄漏時擴散距離和蒸氣擴散面積大小影響效果較顯著，隨著泄漏源高度的增加，氣云的蒸氣擴散面積越大，而隨著泄漏源高度的降低，氣云在地面的擴散距離越明顯。

2）風速的大小主要影響LNG蒸氣氣云的擴散范圍，隨著風速不斷增高，LNG泄漏后的影響范圍在不斷降低，而且容易發生事故災害的準危險區域能夠到達的最遠距離也在逐漸減小。大氣穩定度影響著LNG蒸氣在空氣中的擴散，隨著大氣穩定度的增加，LNG蒸氣云層寬度不斷增加，下風向蒸氣擴散距離不斷縮短。