基于CFD的LNG儲罐泄漏擴散研究

賴建波， 楊 帆， 王衛曉

(1.北京市燃氣集團研究院，北京100011；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司第十設計研究院，天津300074；3.北京燃氣集團(天津)液化天然氣有限公司，天津300163)

1 概述

LNG儲罐一旦發生泄漏將對周邊的人員生命財產及大氣環境造成極大危害。對LNG儲罐潛在的泄漏擴散危害后果進行研究，對于LNG廠站選址、應急預案制定、緊急疏散區域劃定以及事故危害后果評估等具有重要意義。

從 20 世紀70年代至今，國內外學者主要采用現場實驗、風洞實驗及數值模擬對 LNG 泄漏擴散規律展開系統研究[1]。由于數值模擬方法成本低、精度高、可操作性強，在氣體泄漏擴散研究方面被廣泛應用。本文采用數值模擬方法對LNG 儲罐泄漏擴散危險范圍進行研究。

2 LNG儲罐泄漏擴散過程

LNG儲罐發生泄漏，其泄漏過程較為復雜。儲罐內LNG的泄漏擴散主要包括液池擴展和氣云擴散兩個過程[2-4]。

① 液池擴展

LNG泄漏到地面，在重力作用下會擴展。如果LNG垂直泄漏于地面，將在地面上形成圓形的液池，液池半徑隨時間持續而擴大；如果LNG非垂直泄漏于地面，即LNG具有一定的水平初速度，則在地面上形成的液池就不是圓形，液池在水平初速度方向擴展的距離要大于其他方向。當液池周圍存在圍堰時，液池擴展會受到限制，進而影響液池擴展的面積和厚度。

② 氣云擴散

LNG泄漏到地面形成的液池與地面直接進行熱量傳遞，以及與周圍空氣進行對流換熱，并吸收太陽熱輻射，從而部分開始蒸發形成低溫氣體，即氣云。氣云量與液池面積有直接關系，液池面積越大，LNG吸收熱量越多，形成的氣云就越多。LNG蒸發為無色氣體，由于它的溫度很低，使得周圍被卷吸入氣云的水蒸氣發生冷凝，從而形成可見蒸氣云。

3 泄漏擴散模型有效性驗證

針對氣體泄漏擴散數值模擬研究，目前已開發出多種商業計算流體力學CFD軟件，例如FLUENT、PHOENICS、FLACS等[5]。FLACS是專門用于可燃氣體泄漏擴散和蒸氣云爆炸的專業數值計算軟件，越來越得到工業界和學術界的廣泛關注[6-8]。FLACS模擬氣體泄漏擴散的基本控制方程包括：質量方程、動量方程、能量方程、組分方程、湍動能方程和湍動能耗散率方程[9]。

為了研究LNG泄漏擴散特性及其影響因素，并為建立的計算模型提供驗證數據，從20世紀60年代開始，國外開展了一系列大型LNG現場實驗，其中著名的實驗有Esso實驗、Shell系列實驗、Burro系列實驗、Coyote系列實驗、MaplinFSands實驗以及Falcon實驗[10-12]。這些大型現場實驗取得了大量基礎實驗數據，包括氣象條件參數，如風速、溫度、湍流強度、濕度、太陽輻射量，以及蒸氣云、液池燃燒的相關數據，具有極大利用價值[13-17]。

Burro系列實驗是由美國國家重點實驗室勞倫斯利物莫實驗室(LLNL)在1980年進行的大型現場實驗，該實驗得到了美國能源部和美國天然氣研究協會的支持。Burro系列實驗是在一個直徑58 m、水深1 m的水池中進行的，泄漏源位置處于水池中心上表面。在下風向以泄漏源為圓心，半徑為57、140、400、800 m的圓弧上布置氣體濃度測量樁25個，并在每個樁上距離地面高度為1、3、8 m處分別布置氣體濃度傳感器3個。

Burro系列實驗包含8個，其中Burro3、Burro5、Burro7實驗所獲得的測量數據較好，常被國內外研究人員用于驗證數值計算模型的可靠性[18]，上述3個實驗的實驗條件見表1。

表1 Burro實驗的實驗條件

基于Burro3、Burro5、Burro7實驗，采用FLACS軟件進行模擬計算，模擬計算數據與實驗測量數據比較見表2。得到二者相對誤差范圍為-53.9%～33.8%，相對誤差絕對值的平均值為16.4%，因此，FLACS軟件泄漏擴散模型能有效模擬LNG泄漏擴散過程。

表2 模擬計算數據與實驗測量數據比較

4 工程應用

4.1 建立三維模型

某市LNG應急氣源站布置有生產區和生產輔助區。生產區位于站西側，生產輔助區位于站東側。生產區自西向東依次分布LNG儲存區、工藝裝置區、汽車裝卸區、地磅、門衛室等，其中LNG儲存區設置有1臺4 500 m3LNG儲罐、3臺150 m3LNG立式真空粉末絕熱儲罐及相應生產設施，LNG儲存區地面標高與站區其他部分標高相同。集液池位于LNG儲存區北側，緊貼北側圍堰。集液池長5 m，寬4 m，深0.6 m。基于FLACS軟件，建立LNG儲存區三維模型，見圖1。圖1、2中方向為上北下南。

圖1 LNG儲存區三維模型

4.2 模擬計算輸入參數

① LNG氣源參數

模擬過程將LNG視為純甲烷。

② 環境參數

根據當地氣象資料，計算中設置大氣溫度為年平均溫度16.5 ℃，大氣壓力為100 kPa，大氣穩定度等級為F級，北風風向(南側有居民區，北風風向為最不利情況)、風速1 m/s作為LNG泄漏擴散的環境參數。風速、大氣穩定度等級依據相關標準設定。

③ 初始和邊界條件

LNG儲罐工作壓力為10 kPa，工作溫度為-162 ℃。根據GB/T 20368—2012《液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝運》，LNG儲罐設計溢出計算應按第5.2.3.4款表1，設計溢出流量為儲罐排料泵在滿負荷下通過一根管道的最大流量，溢出持續時間為10 min。根據GB/T 20368—2012，本工程LNG常壓儲罐的設計溢出質量流量為8.0 kg/s，溢出源在LNG儲罐頂部。設定從LNG儲罐頂部溢出的液化天然氣全部流入集液池。初始條件為：集液池內LNG質量為4.8 t，溫度為-162 ℃。LNG儲罐外壁與圓形圍堰之間的距離為15.40 m。圓形圍堰與南側、西側、北側圍墻的最近距離分別為30.49、33.64、30.93 m。LNG儲罐溢出源、圍堰、圍墻位置見圖2。LNG儲存區南側有居民區，居民區與南側圍墻之間有綠化帶。為減少計算量，只對局部區域進行了網格劃分。

圖2 LNG儲罐溢出源、圍堰、圍墻位置

根據GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規范》第10.3.5條，本研究蒸氣云擴散范圍邊界的確定條件為空氣中甲烷體積分數為2.5%。

4.3 模擬結果及分析

為評估不同圍堰和圍墻高度對LNG儲罐發生泄漏擴散的影響，采用FLACS軟件的液體溢出(POOL Version)模塊進行數值計算，計算時間間隔為1 s。對蒸氣云擴散范圍進行模擬，結果見圖3～5(圖例中色階圖數值為甲烷體積分數)。

圖3 圍堰和圍墻高度均為3.5 m，擴散時間為830 s蒸氣云擴散范圍模擬結果(軟件截圖)

圖4 圍堰高度6.0 m、圍墻高度4.0 m，擴散時間為830 s蒸氣云擴散范圍模擬結果(軟件截圖)

圖5 圍堰高度6.0 m、圍墻高度4.0 m，擴散時間為1 350 s蒸氣云擴散范圍模擬結果(軟件截圖)

根據圖3，LNG儲存區圍堰和圍墻的高度均為3.5 m時，擴散時間830 s，蒸氣云擴散范圍將有50%越過儲存區南側的圍墻。根據圖4，LNG儲存區的圍堰增高至6.0 m、圍墻增高至4.0 m時，在同樣擴散時間內，蒸氣云擴散范圍能夠被有效控制在圍墻內，并且蒸氣云量也大大降低。根據圖5，LNG儲存區圍堰高度為6.0 m、圍墻高度為4.0 m，當擴散時間延長至1 350 s時，蒸氣云擴散范圍少部分越過儲存區南側的圍墻，但距居民區仍有一定距離。

按照GB 50183—2004第10.3.5條，蒸氣云擴散范圍不得覆蓋居民區。該條對蒸氣云擴散范圍的邊界作出了明確規定，但是未規定擴散時間。

GB/T 20368—2012規定LNG儲罐發生泄漏允許的最大時間為10 min，意味著10 min內觸發應急處理預案，進行處置。本文借鑒此規定并適當留有余量，確定滿足生產安全要求的判斷條件為：擴散時間830 s時，蒸氣云擴散范圍不得覆蓋居民區。

根據圖4，圍堰高度6.0 m、圍墻高度4.0 m條件下，擴散時間830 s時，蒸氣云擴散范圍被有效控制在圍墻內，未覆蓋居民區。因此，本研究圍堰高度設計為6.0 m、圍墻高度設計為4.0 m，能夠滿足LNG儲存區的生產安全要求。

5 結論

為評估不同圍堰和圍墻高度對LNG儲罐泄漏擴散的影響，以某LNG應急氣源站為例，LNG儲罐工作壓力為10 kPa，工作溫度為-162 ℃，溢出持續時間為10 min，設計溢出質量流量為8.0 kg/s，溢出源在儲罐頂部，儲罐外壁與圓形圍堰之間的距離為15.40 m，圓形圍堰與南側、西側、北側圍墻的最近距離分別為30.49、33.64、30.93 m。采用FLACS軟件的液體溢出模塊進行數值計算，計算結果表明：

① LNG儲存區圍堰和圍墻的高度均為3.5 m、擴散時間為830 s時，蒸氣云擴散范圍將有50%越過儲存區南側的圍墻。

② LNG儲存區的圍堰增高至6.0 m、圍墻增高至4.0 m，擴散時間為830 s時，蒸氣云擴散范圍被有效控制在圍墻內，并且蒸氣云量也大大降低。

③ LNG儲存區圍堰高度為6.0 m、圍墻高度為4.0 m，擴散時間延長至1 350 s時，蒸氣云擴散范圍少部分越過儲存區南側的圍墻。

④ 該站圍堰高度設計為6.0 m、圍墻高度設計為4.0 m，能夠滿足LNG儲存區的生產安全要求。