基于FLACS的船對船LNG加注過程中的泄漏擴散分析

黃國良,曹蛟龍,張海濤,周斌，梁斌,馮雨翔

(1.中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452;2.中國船級社 武漢規范研究所，武漢430022;3.武漢理工大學 智能交通系統研究中心，武漢 430063)

隨著液化天然氣(LNG)行業的發展，船舶采用LNG作為動力燃料也越來越普遍[1]，為了減少集裝箱船舶的靠港時間從而提高作業效率，一般加注LNG燃料的同時進行集裝箱起吊同步作業由此帶來的潛在風險不可忽視。未見采用傳統的評估方式對此類作業場景進行精細的量化分析的報道，隨著計算流體力學(CFD)軟件的進一步發展，引入定量計算已經成為行業趨勢[2]。

現有的LNG泄漏擴散計算軟件主要有：TNO EFFECTS，基于TNO黃皮書[3]中公開的理論模型，可用于易燃、火災、爆炸和毒性危害的二維模擬分析；由DNV開發PHAST，基于自有UDM(Universal Dispersion Model)以及內嵌的經驗計算公式組成的擴散計算模型的二維模擬軟件，該模型及公式用戶無法知曉[4]；挪威GEXCON公司開發的FLACS，基于孔隙率(PDR)技術的三維CFD計算軟件，集成近40年的實際試驗的數據修正，用于模擬易燃氣體的釋放、分散、通風和爆炸等[5]。除此以外，一些通用的CFD軟件，例如,Fluent，可以通過自定義參數的方式模擬LNG的泄漏、蒸發、擴散等問題，但是相較以上專業的擴散仿真軟件計，使用過程繁雜且未經過針對LNG物料特性的修正。

針對船對船LNG加注同步作業過程中的泄漏案例，選用FLACS軟件進行模擬。

1 同步作業船舶參數及加注碼頭

國際氣體燃料動力船協會(The Society for Gas as a Marine Fuel)認為同步作業(SIMOP(s))：LNG加注所附加的一個或多個同時進行的其他活動和(或)操作，其相互作用可能對安全、船舶完整性和(或)環境造成不利影響。

本文分析的同步作業指：采用12 000 m3LNG加注船對23 000 TEU集裝箱受注船進行加注的同時進行集裝箱的裝卸作業。

12 000 m3LNG 運輸加注船的主要功能為裝載LNG 進行船對船和船對岸的加注、反輸/補液服務，船舶外形及布置見圖1,基本參數見表1。

表1 12 000 m3LNG運輸加注船參數 m

圖1 12 000 m3LNG運輸加注船

23 000 TEU超大型集裝箱船為受注船，船舶外形見圖2,基本參數見表2。

圖2 23 000 TEU集裝箱運輸船

表2 23 000 TEU集裝箱運輸船參數 m

選取洋山港一期碼頭為作業碼頭，碼頭岸線全長1 600 m，配備5個集裝箱深水泊位，碼頭前沿水深16 m，可停靠第五、第六代集裝箱船。

圖3 洋山港集裝箱裝卸碼頭一期

2 FLACS計算參數、模型及場景

在FLACS軟件中建立加注船、受注船,以及加注碼頭的三維模型(見圖4)，盡可能還原圖紙細節，重點關注加注接頭位置及周圍的布置，以確保計算結果的準確性。

圖4 船舶模型

依據設計選取最大高程差場景進行仿真計算，分別為受注集裝箱船滿載加注船空載，加注接頭高程差4.35 m(加注船高于受注船)；受注集裝箱船空載加注船滿載，加注接頭高程差-2 m(加注船低于受注船)。

加注船采用首部集管區的布置為2液1氣，氣相/液相及接頭均為：8 in(DN200)，LNG溫度為-163 ℃，管路設計壓力1.05 MPa，加注傳輸壓力1.0 MPa以內，分析共涉及18個場景，分別包括氣相、液相管路破裂，破口尺寸包括典型的1/10、1/2及全口徑，風向平行船長(由首至尾)和垂直船長方向，船舶兩種高差(4.35 m和-2.0 m)。

3 計算結果

仿真計算場景見表3。

表3 計算場景描述及結果

計算云圖見圖5。

圖5 計算結果云圖

對比分析計算結果發現：

1)同樣泄漏條件下(泄漏口徑、壓力、物料參數、環境條件等)，液相泄漏的LNG總物質量大于氣相泄漏，液相泄漏擴散到空氣中的量取決于蒸發速率，但受到環境條件影響，泄漏距離與泄漏量并不呈現比例增加。

2)1/10泄漏口徑情況下，液相/氣相的擴散范圍基本可控制在加注平臺范圍內，部分場景由于狹縫效應，會在半圍蔽空間形成不易擴散的可燃蒸氣云。

3)1/2泄漏口徑情況下，液相/氣相的擴散范圍基本可以蔓延至甲板以上范圍，從而對同步作業造成影響。

4)全泄漏口徑情況下，液相/氣相的擴散范圍進一步擴大，風向為船長方向時可蔓延全船長度；風向為船寬方向時，集裝箱滿載可蔓延甲板以上約25 m，集裝箱船空載時刻可蔓延全部甲板寬度。

5)在1/2口徑和全口徑泄漏時，可能會在下風向形成獨立的云團，部分情況可能會飄至船尾甲板，全口徑較為明顯，場景12，見圖6。

圖6 獨立云團

6)基于以上計算擬合出可燃蒸氣云最大擴散范圍，見圖7。

圖7 可燃氣體最大擴散范圍

全口徑泄漏情況下，可燃蒸氣云擴散范圍最大，風向沿船長方向時可蔓延至全船長度；風向沿船寬方向時，集裝箱滿載可蔓延甲板以上約25 m，集裝箱船空載時刻可蔓延全部甲板寬度。

4 結論

1)1/10口徑泄露場景，同步作業基本不受影響；1/2口徑泄露，部分區域受到影響；全口徑泄漏，發生概率極低，但是一旦發生會造成大面積的可燃蒸氣云集聚，應采取保護措施避免此類泄漏，如使用拉斷閥等安全設備。

2)在較大口徑泄露時，由于湍流的存在，部分可燃蒸氣云團可能脫離穩定的擴散區域，形成獨立的云團，此類云團，通常超出使用定性以及二維定量分析方法給出的安全區域，建議采用三維CFD計算方法進行分析。其形成原因推測為，三維風場中部位區域為低風速區，其換氣速度低于環境中的平均值，一旦可燃蒸氣云聚集在此類區域形成獨立的云團，其擴散軌跡則形成了新的危險區域。

3)可參考計算得到的可燃蒸氣云擴散范圍來劃定加注作業的安全區域，在加注作業期間，該區域可能存在NG/LNG泄漏，如遇點火源可發生火災、爆炸等事故。作業期間不允許無關人員進入，且不得有點火源。