基于PHAST軟件的LNG接收站泄漏擴(kuò)散模擬分析

昃 彬 中海油石化工程有限公司 濟(jì)南 250101

近年來，國家非常重視LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在沿海地區(qū)相繼規(guī)劃和建設(shè)了多個(gè)LNG接收站。LNG接收站的主要功能包括：LNG的接收、儲(chǔ)存和增壓氣化。LNG是以甲烷為主要組分的烴類混合物，另外還有少量的乙烷、丙烷、氮等組分，具有火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)性，另外，還可能引起人員凍傷、窒息。

因此，分析研究LNG的泄漏擴(kuò)散問題，了解其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有助于為LNG接收站的布置、LNG泄漏后應(yīng)急處置措施的確定及警戒范圍的劃定等提供依據(jù)。LNG泄漏擴(kuò)散過程較復(fù)雜，涉及氣液相變、多組分輸送、湍流流動(dòng)、熱量傳遞等動(dòng)態(tài)過程。目前對LNG泄漏擴(kuò)散的研究主要集中在泄漏源大小、環(huán)境條件(如風(fēng)速、溫度、濕度、大氣穩(wěn)定度)等對泄漏擴(kuò)散的作用效果上，但針對LNG接收站在不同壓力狀態(tài)下的LNG泄漏、是否能到達(dá)地面形成液池，以及集液池收集對擴(kuò)散的影響研究較少。

由DNV開發(fā)的工藝危險(xiǎn)源分析軟件工具(Process Hazard Analysis Software Tool，簡稱PHAST軟件)，是基于自有UDM(Universal Dispersion Model)以及內(nèi)嵌經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式組成擴(kuò)散計(jì)算模型的二維模擬軟件[1]。本文運(yùn)用PHAST 8.0版本，以某LNG接收站為模擬分析對象，選取在不同壓力狀態(tài)下的LNG泄漏單元，對泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬研究，較全面地分析在連續(xù)泄漏、瞬時(shí)泄漏工況下，泄漏擴(kuò)散的影響因素。

1 LNG泄漏擴(kuò)散機(jī)理分析

本文主要研究的是液化天然氣(LNG)以液相流出。泄漏流出的驅(qū)動(dòng)力是與環(huán)境之間的壓差，并與儲(chǔ)存物質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)有關(guān)。因LNG的儲(chǔ)存溫度高于正常沸點(diǎn)，因此，泄漏的LNG會(huì)發(fā)生閃蒸，泄漏后最終溫度是其正常沸點(diǎn)溫度(-161℃左右，還與其組分有關(guān))。

LNG蒸發(fā)的氣體為無色，但因?yàn)闇囟群艿停沟镁砦M(jìn)入氣云的水蒸氣發(fā)生冷凝，形成可見氣云。蒸氣云從周圍環(huán)境卷吸空氣，不斷沿著地面擴(kuò)散并向著下風(fēng)方向運(yùn)動(dòng)。一般認(rèn)為擴(kuò)散過程分為四個(gè)階段：重力沉降階段、空氣卷吸階段、重氣擴(kuò)散向非重氣擴(kuò)散轉(zhuǎn)變階段和被動(dòng)擴(kuò)散階段[2]。

LNG泄漏工況通常分為瞬時(shí)泄漏和連續(xù)泄漏兩種[3]。瞬時(shí)泄漏是指容器或管道由于人為或者自然災(zāi)害的破壞瞬間完全失效；連續(xù)性泄漏是指泄漏口面積遠(yuǎn)小于容器或管道的橫截面積，與LNG存量相比是相對較小的流出率(泄漏速率)，可認(rèn)為是準(zhǔn)平穩(wěn)的連續(xù)泄漏[4]。

不論是瞬時(shí)泄漏還是連續(xù)泄漏，應(yīng)判斷是否能到達(dá)地面形成液池。若形成液池，LNG會(huì)吸收地面熱量，繼續(xù)蒸發(fā)，返回到氣云中。液池的蒸發(fā)率受平均液池溫度、液池表面積和傳熱系數(shù)等因素控制。泄漏到地面的液池會(huì)以泄漏源為圓心向四周擴(kuò)展。若泄漏源周圍不存在障礙物，液池表面積會(huì)不斷增大，此時(shí)液池表面積是泄漏時(shí)間的函數(shù)[5]。

2 LNG泄漏模擬分析

2.1 泄漏模擬分析相關(guān)參數(shù)

目前大型LNG儲(chǔ)罐均采用全容式混凝土儲(chǔ)罐，即使內(nèi)罐發(fā)生泄漏，外罐也能夠容納泄漏的物料，可以起到物理隔離的作用，因此，不考慮LNG儲(chǔ)罐本身的事故破裂。泄漏單元的劃分，需考慮工藝單元的介質(zhì)相態(tài)、操作參數(shù)、設(shè)備布置、緊急切斷閥的布置等因素。

本文以某接收站為模擬分析對象，選取在三個(gè)不同壓力狀態(tài)下的LNG泄漏單元，各泄漏單元操作條件見表1。

表1 各泄漏單元的操作條件

模擬所用的LNG摩爾組成為甲烷：86.35%、乙烷:8.25%；丙烷:3.05%；丁烷:2.25%、氮?dú)?0.1%。大氣環(huán)境溫度為21.6℃，太陽熱輻射強(qiáng)度為0.2kw/m2，相對濕度為80%。

2.2 連續(xù)泄漏工況模擬結(jié)果與分析

2.2.1 不同泄漏孔尺寸的影響

為研究不同泄漏孔尺寸的影響，本節(jié)根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》(GB/T 37243-2019)6.4.4節(jié)對各泄漏孔徑的取值范圍劃分，分別選擇小孔泄漏(5mm)、中孔泄漏(50mm)、大孔泄漏(100mm)進(jìn)行模擬，結(jié)果對比見表2。

表2 各泄漏單元不同泄漏孔尺寸下的泄漏結(jié)果(泄漏高度1m)

結(jié)果表明，對同一泄漏單元，泄漏孔尺寸越大，泄漏速率越大。在相同泄漏孔尺寸下，泄漏前系統(tǒng)壓力越高，泄漏速率越大。

泄漏后最終溫度是其正常沸點(diǎn)溫度，另外泄漏結(jié)果還包括閃蒸后的液體質(zhì)量百分比、平均液滴尺寸等。由表2可知，同一泄漏單元不同泄漏孔尺寸的液體質(zhì)量百分比、液滴平均尺寸均相同，說明閃蒸后的液體質(zhì)量百分比、平均液滴尺寸與泄漏孔尺寸無關(guān)；液體質(zhì)量百分比、液滴平均尺寸與泄漏前后介質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)有關(guān)，泄漏前系統(tǒng)壓力越高，形成的液滴尺寸越小。

2.2.2 不同泄漏單元、不同風(fēng)速對液池形成的影響

在相同泄漏高度下，本節(jié)模擬了不同風(fēng)速(2、5、10m/s)，各泄漏單元小孔泄漏(5mm)、中孔泄漏(50mm)、大孔泄漏(100mm)是否可形成液池，結(jié)果對比見表3。

LNG閃蒸后會(huì)形成具有一定速度的兩相噴射流。隨后在環(huán)境中可不斷卷吸、夾帶空氣。PHAST軟件可計(jì)算泄漏后液滴的平均尺寸，并跟蹤其軌跡，以確定是否能到達(dá)地面形成液池。

對比結(jié)果表明，泄漏單元3形成的平均液滴尺寸足夠小(95.20μm)，可在空氣中形成氣溶膠，直接在空氣中蒸發(fā)，不會(huì)在地面形成液池。泄漏單元1、2的小孔泄漏(5mm)，雖然形成的液滴尺寸較大(341.59μm、261.53μm)，但因泄漏速率小，液滴在到達(dá)地面前可完全蒸發(fā)。泄漏單元2的中孔泄漏(50mm)，當(dāng)風(fēng)速到達(dá)10m/s時(shí),無液池形成，說明風(fēng)速越大，可加大與空氣對流，有利于液滴在到達(dá)地面前完全蒸發(fā)。

表3 不同泄漏單元、不同風(fēng)速對形成液池的影響(泄漏高度1m)

2.2.3 不同泄漏高度對液池形成的影響

本節(jié)選取泄漏單元2的中孔泄漏(50mm)模型，模擬了不同泄漏高度對液池形成的影響，分別選取了60m、5m、1m的泄漏高度。模擬結(jié)果見表4。

表4 不同泄漏高度對形成液池的影響(風(fēng)速2m/s)

結(jié)果表明，若泄漏高度足夠高，液滴可在降落過程中可完全蒸發(fā)。因此，對于連續(xù)泄漏工況，能否形成液池受平均液滴尺寸大小、泄漏高度、泄漏速率、環(huán)境風(fēng)速等因素的影響。若液滴足夠小或在到達(dá)地面前完全蒸發(fā)，則無法形成液池。

2.3 瞬時(shí)泄漏工況模擬結(jié)果與分析

各泄漏單元若發(fā)生瞬時(shí)泄漏(完全破裂)，泄漏模擬結(jié)果見表5。

表5 不同泄漏單元瞬時(shí)泄漏結(jié)果(泄漏高度1m，風(fēng)速2m/s)

根據(jù)TNO黃皮書《Methods for the calculation of physical effects》，發(fā)生瞬時(shí)泄漏時(shí)，能否形成液池取決于瞬時(shí)閃蒸率。帶到空氣中的液體量等于2倍的閃蒸量，若閃蒸率大于0.5，則液體全部帶走，地面無液池形成[6]。

由表5結(jié)果可知，若發(fā)生瞬時(shí)泄漏(完全破裂)，泄漏量大，各泄漏單元以液體為主，均在地面形成液池。

3 氣云擴(kuò)散模擬分析

3.1 泄漏量對氣云擴(kuò)散的影響

對于連續(xù)泄漏工況，本節(jié)首先模擬了不同泄漏孔尺寸對氣云擴(kuò)散的影響，選取泄漏單元1，小孔泄漏(5mm)、中孔泄漏(50mm)、大孔泄漏(100mm)的氣云擴(kuò)散情況見表6。

表6 連續(xù)泄漏工況不同泄漏孔尺寸對氣云擴(kuò)散的影響(風(fēng)速2m/s，泄漏高度1m)

由表6可知，連續(xù)泄漏工況下，泄漏孔尺寸越大，泄漏速率(單位時(shí)間泄漏量)越大，氣云擴(kuò)散的影響距離越遠(yuǎn)。

對于瞬時(shí)泄漏工況，各泄漏單元?dú)庠茢U(kuò)散情況見表7。

表7 瞬時(shí)泄漏工況氣云擴(kuò)散影響距離(風(fēng)速2m/s，泄漏高度1m)

由表7可知，瞬時(shí)泄漏工況下，泄漏量(系統(tǒng)存量)越大，氣云擴(kuò)散的影響距離越遠(yuǎn)。

3.2 集液池收集作用對氣云擴(kuò)散的影響

LNG接收站設(shè)置了泄漏收集系統(tǒng)，將泄漏到地面上的液體收集到集液池中，此時(shí)泄漏液體的擴(kuò)展受到限制。本節(jié)選取泄漏單元1的中孔泄漏(50mm)模型，模擬了無集液池、不同集液池尺寸情況下的氣云擴(kuò)散情況，見表8。

表8 集液池收集作用對氣云擴(kuò)散的影響(風(fēng)速2m/s，泄漏高度1m)

由于集液池的存在，可通過限制液池的表面積來降低蒸發(fā)率，并且提供了泄漏液體與地面之間更長的接觸時(shí)間。結(jié)果表明，無集液池收集情況下，氣云到達(dá)爆炸下限的擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離為130.4m，設(shè)置長寬深分別為6.5×6.5×4.3m的集液池后，影響距離可降至50.1m，集液池的收集作用可明顯減低氣云擴(kuò)散的影響距離。另外，在集液池容積相同(180m3)的情況下，集液池表面積越小，氣云擴(kuò)散的影響距離越小。

3.3 環(huán)境風(fēng)速對氣云擴(kuò)散的影響

本節(jié)選取泄漏單元3的中孔泄漏(50mm)模型，模擬了三種不同風(fēng)速情況下的氣云擴(kuò)散情況，分別為2、5、10m/s，詳見圖1。

圖1 環(huán)境風(fēng)速對氣云擴(kuò)散的影響

由圖1可知，環(huán)境風(fēng)速對氣云擴(kuò)散有明顯的作用。風(fēng)速在2m/s情況下，氣云的寬度接近120m，氣云順風(fēng)到達(dá)50%爆炸下限的擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離為392.3m；風(fēng)速在5m/s情況下，氣云的寬度只有將近48.2m，氣云順風(fēng)到達(dá)50%爆炸下限的擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離降至276.8m。因此，環(huán)境風(fēng)速對氣云擴(kuò)散的影響主要體現(xiàn)在對氣云的輸送作用以及對加大與氣云的對流，起稀釋作用[7]。風(fēng)速越大，越有利于氣云擴(kuò)散，使其不容易聚集成易爆氣云團(tuán)。

4 結(jié)語

本文運(yùn)用PHAST軟件，以某LNG接收站為模擬分析對象，選取了在不同壓力狀態(tài)下的LNG泄漏單元，分析了連續(xù)泄漏、瞬時(shí)泄漏工況下泄漏擴(kuò)散的影響因素，得出以下結(jié)論:

(1)連續(xù)泄漏工況下，對同一泄漏單元，泄漏孔尺寸越大，泄漏速率越大。在相同泄漏孔尺寸下，泄漏前系統(tǒng)壓力越高，泄漏速率越大。閃蒸后的液體質(zhì)量百分比、平均液滴尺寸與泄漏孔尺寸無關(guān)，與泄漏前后介質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)有關(guān)，泄漏前系統(tǒng)壓力越高，形成的液滴尺寸越小。

(2)在連續(xù)泄漏工況下，能否形成液池受平均液滴尺寸大小、泄漏高度、泄漏速率、環(huán)境風(fēng)速等因素的影響。若液滴足夠小或在到達(dá)地面前完全蒸發(fā)，則無法形成液池。

(3)在瞬時(shí)泄漏工況下，泄漏量大，能否形成液池取決于瞬時(shí)閃蒸率。

(4)在連續(xù)泄漏工況下，泄漏孔尺寸越大，泄漏速率(單位時(shí)間泄漏量)越大，氣云擴(kuò)散的影響距離越遠(yuǎn)。瞬時(shí)泄漏工況下，泄漏量(系統(tǒng)存量)越大，氣云擴(kuò)散的影響距離越遠(yuǎn)。

(5)集液池的收集作用可明顯減低氣云擴(kuò)散的影響距離。在集液池容積相同的情況下，集液池表面積越小，氣云擴(kuò)散的影響距離越小。

(6)環(huán)境風(fēng)速對氣云擴(kuò)散的影響主要體現(xiàn)在對氣云的輸送作用以及加大與氣云的對流。風(fēng)速越大，越有利于液化天然氣云的擴(kuò)散。