浮式液化天然气生产储卸装置重气泄漏扩散模拟分析

余建星，唐建飞，刘 源，马维林，李 妍

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

浮式液化天然气生产储卸装置重气泄漏扩散模拟分析

余建星，唐建飞，刘 源，马维林，李 妍

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

为了研究浮式液化天然气(FLNG)生产储卸装置的甲板上部区域储罐发生泄漏后的扩散后果，建立了FLNG装置甲板上部区域的泄漏扩散模型，并利用计算流体力学(CFD)技术对其进行了液化天然气(LNG)重气泄漏的扩散模拟，得到了扩散后的区域影响结果，模拟结果满足重气扩散过程的堆积理论和低压卷吸理论．结果表明：该模型和模拟方法能够在一定程度上反映LNG泄漏扩散的真实物理情况，当离生活区最远储罐的前表面发生泄漏后，其泄漏范围不会扩散到生活区，对生活区没有影响；而当位于FLNG中部附近的储罐前表面发生泄漏后，在动力区建筑物的影响下，生活区背风处会形成低压空腔区，且该区域的LNG浓度较高．

浮式液化天然气生产储卸装置；重气泄漏；堆积理论；低压卷吸理论；计算流体力学

大多数有毒有害气体物质的意外泄漏在泄漏源附近会形成低动量的连续释放源或拟瞬时源．如果泄漏物质分子量比空气大(如液化天然气(liquefied natural gas，LNG))，再加上较低的环境温度、较高的储存压力以及化学转变等原因，则会形成比空气重的气云，称为重质气体(简称重气)[1]．

对于浮式液化天然气(floating liquefied natural gas，FLNG)生产储卸装置来说，其泄漏事故中泄漏出的超低温LNG暴露在空气中，接触周围暖空气时会迅速闪蒸，一部分物质形成蒸气，其余部分则呈液体状态，以保持气液平衡，同时相当一部分液态物质以液滴的形式雾化在蒸气介质中[2]．在LNG泄漏初期，形成含有液滴夹带的混合蒸气云团，该云团平均密度大于空气密度，因此形成了泄露重气．

考虑到在FLNG重气泄漏模拟中，模型要求较低，但要模拟的是LNG在空气中的传播，这属于多相流模型；对于多相流模拟则要求较高，且需要实时监测泄漏点周围的气体浓度，以衡量该区域内的LNG是否达到预设的爆炸范围和致伤浓度，并以此来确定安全范围，因此需要模拟工具具有较强大的后处理功能与输出功能．计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)技术能够如实地反映流场的真实变化，将其应用于FLNG重气泄露扩散的模拟也能显示出其后处理功能的优越性[3-4]，因此，笔者利用CFD进行FLNG重气泄露扩散的模拟．

1 重气扩散的基本理论

在研究重气扩散的过程中，主要形成了两大重要理论，即堆积理论和低压卷吸理论[5-7]．

1.1 堆积理论

当泄漏发生后，重气会有明显的沉降现象，其扩散在每个方向都有流动速度，同时每个方向也都受阻力影响．其中，由于重力的作用，重气向上扩散的难度最大，因此重气会先向水平方向扩散，使水平方向的重气浓度上升，从而阻力增大；随着阻力的增大，其大小会逐渐逼近重力，从而使水平方向扩散速度降低，垂直方向扩散速度增加，最终达到相等，此时重气边界称为扩散的软边界．由于这一软边界的存在，使得重气泄漏时会在软边界内堆积，造成周围浓度的上升出现迟滞期，越靠近地面，堆积效果越明显，迟滞也就越短．然后，重气开始向上沿软边界攀爬，在此时间内浓度上升缓慢；当空气软边界无法支撑重气的重量时，垂直堆放的重气会冲破软边界并在重力作用下沉降，形成“坍塌”，使近地点处重气浓度迅速上升并出现分层，近地点处重气浓度高，远地点处重气浓度低；此后，重气会再次形成扩散软边界，然后沿其攀爬，随后坍塌，形成新的扩散区，并通过这一过程不断向外扩散．

1.2 低压卷吸理论

在实际发生的气体泄漏扩散事故中，在泄漏源或扩散过程中往往存在不同类型的障碍物，由于障碍物的存在改变了大气的流动，使得有障碍物情况下的重气扩散过程更为复杂．Thorney Island系列实验[3]证明，由于建筑物的存在，迎风面距离地面较高位置的气云浓度要比靠近地面背风面位置的气云浓度高，但在高处高浓度的停留时间要比低处高浓度的停留时间短，和平坦地形时的情况完全相反．主要原因如下：建筑物的存在改变了大气的流动，同时由于气体的浮力作用，产生了向上的速度，使得气云会沿着建筑物前沿向上方扩散，形成局部的高浓度区，增大了重气在垂直方向的危害范围；重气的重力作用和空气的稀释作用使得气体上升的趋势减弱，同时由于风遇到建筑物壁面后产生了横向的左右分流，使得风夹带的气体在迁移扩散过程中也产生了横向的左右分流，在纵向和横向涡旋的共同作用下，气体会绕过建筑物；当气流绕过建筑物后，在背风区产生了速度亏损和涡旋现象，形成一个空腔区，空腔区内的回流作用使重气长时间积聚在此处而不易扩散开来，形成了高浓度区．在重气扩散过程中，重力扩展阶段及障碍物附近会产生回流．

2 计算理论与模型建立

2.1 计算理论

LNG在复杂地形下的迁移扩散属于三维过程，特别是在油气储罐、上层建筑或明显空间变化的影响下，气体局部积聚，重气沿FLNG甲板蔓延等现象需要用三维湍流模型模拟．湍流数值模拟主要有直接数值模拟(direct numerical simulations，DNS)、大涡模拟(large eddy simulations，LES)和雷诺统观模拟(Reynolds association numerical simulations，RANS)方法．前两类分别基于求解稳态和非稳态的三维方程，需较大的计算机容量和计算时间，因而限制了它们的使用范围；第3类主要依赖于求解雷诺时均方程及关联量输运方程，使用范围较广．根据雷诺时均Navier-Stokes方程对湍流模式处理的不同，湍流模型可分为涡黏性模型和雷诺应力模型．根据FLNG模型的具体情况，采用Realizable κ-ε双方程模型[8-10].

在Realizable κ-ε湍流模型中，κ和ε方程分别为

其中

此κ方程和标准κ-ε方程在形式上完全一样，只是模型常数不同；而此ε方程和标准κ-ε模型、RNG κ-ε模型的ε方程有很大不同，即湍流生成项中不包括κ的生成项，它不含有相同的kG项．

湍流黏性系数μt与湍流动能κ和湍流耗散率ε的关联式为

不同于标准κ-ε模型和RNG κ-ε模型，此时Cμ不再是常数，其计算式为

其中

式中Ωij是从角速度为ωκ的参考系中观察到的时均转动速率张量．显然，对于无旋转流场，式(6)中U*计算式根号中的第2项为0．

2.2 FLNG甲板上部区域模型建立

从LNG重气泄漏扩散出发，以典型FLNG为例，选择Realizable κ-ε湍流方程，利用CFD技术对FLNG甲板上部区域的储罐泄漏进行模拟．

由于在考虑泄漏问题时，主要研究泄漏气体的流动流域，所需要的模型是FLNG上除去甲板上部设备的区域．因此，需要在拟扩散区域内减去甲板上部的各储罐，并在下侧建立FLNG上甲板模型，从而得到甲板上部区域的计算模型．图1中，最外层为模拟扩散区域，分别从FLNG首尾向外延伸100,m，向船舷两侧延伸15,m，从甲板向上延伸100,m，从而保证研究范围的充分性，避免因为研究范围过小所导致的结果误差．

图1 FLNG甲板上部区域模型Fig.1 Model of upper deck area of FLNG

模型建立完成后，需要对其进行网格划分，并对其中的各表面进行命名．根据FLNG的实际情况，构造模型中的各表面，并分别进行命名以便区分，命名情况如表1所示．

表1 模型各表面的命名Tab.1 Naming for every surface of model

3 模拟结果分析

由于篇幅所限，以计算开始10,min内LNG由TS6-L-F面(离生活区最远的储罐前表面)向外泄漏以及计算开始30,min内LNG由TS3-L-F面(位于FLNG中部附近的储罐前表面)向外泄漏这两例进行研究．由于在泄漏前整个计算区域内相当于稳定流动，因此，首先计算无泄漏情况下的稳态模拟结果，并将此计算结果作为泄漏情况的瞬态模拟初始值文件；然后再以瞬态模拟的结果作为LNG重气扩散模拟的初始值文件进行下一步的通风计算．

3.1 静态模拟

(1) 分析类型：稳态．

(2) 域内设定．

域内流体：理想可压缩空气(Air)，自定义LNG重质气体(Lng)．

域内浮力模型：多相流模拟(开启Buoyancy模型)，在z方向重力加速度为-g，相对参考密度选为密度较小的空气密度(1.226,m/s)．

热量传输模型：Thermal(热量)模型，定义空气温度为15,℃、LNG气体温度为-160,℃．

(3) 边界条件如表2所示．

(4) 初始值：无．

(5) 求解终止设置：最大迭代步数为200，求解截止残差为10-4．

表2 静态模拟边界条件Tab.2 Boundary conditions of static simulation

3.2 LNG泄漏的瞬态模拟

(1) 分析类型：瞬态．

(2) 边界条件如表3所示．

表3 泄露瞬态模拟边界条件Tab.3 Boundary conditions of leakage transient simulation

(3) 求解终止设置：求解总时间为10,min，求解时间间隔为30,s，求解截止残差为10-4．

(4) 求解结果如下所述．

天然气体积分数云图如图2所示．

假定人的平均身高为1.6,m，因此对距离甲板1.6,m处的平面区域进行分析．从图2中可以看出，经过10,min的泄漏，LNG开始向FLNG首部生活区进行蔓延．

天然气体积分数等值面如图3所示．

图2 距甲板1.6,m处的LNG体积分数云图(泄漏)Fig.2 Volume fraction contour of LNG 1.6,m above upper deck(leakage)

图3 天然气体积分数等值面图(5%)Fig.3 Volume fraction isopleth map of LNG(5%)

天然气的燃烧极限在5%～15%，这里保守地取LNG浓度为5%的等值面进行研究，并以此作为安全极限．从图3中可以看出，当TS6储罐发生泄漏时，在泄漏的10,min内，天然气危险区域并未波及到生活区.

3.3 LNG扩散的瞬态模拟(TS6-L-F面)

(1) 分析类型：瞬态．

(2) 边界条件如表4所示．

取消泄漏入口，仅保留空气入口，以此来模拟泄漏结束后在空气通风作用下的扩散结果．

表4 扩散瞬态模拟边界条件Tab.4 Boundary conditions of dispersion transient simulation

(3) 求解终止设置：求解总时间为5,min，求解时间间隔为30,s，求解截止残差为10-4．

(4) 求解结果：天然气体积分数云图如图4和图5所示．

从图4和图5可以看出，与泄漏结束时刻的天然气体积分数云图相比，通风5,min后的天然气局部浓度没有明显降低，扩散区域也没有明显扩大，仅泄漏处浓度稍微降低．这是因为在重气扩散过程中，重气会有一段时间进行垂向堆积，形成类柱形云团，随后才会坍塌而沿地面径向扩散．在泄漏结束的5,min内，正是LNG重气垂向堆积期，因此扩散区没有扩大，浓度也没有明显增加，满足泄露发生初期的重气堆积理论．

图4 距甲板1.6,m处的LNG体积分数云图(TS6-L-F面扩散)Fig.4 Volume fraction contour of LNG 1.6,m above the upper deck(dispersion for TS6-L-F)

图7 距甲板1.6,m处天然气速度矢量Fig.7 Velocity vector map of LNG 1.6,m above the upper deck

图5 泄漏处天然气体积分数中纵剖面云图Fig.5 Volume fraction profile contour of LNG near the leakage site

3.4 LNG扩散的瞬态模拟(TS3-L-F面)

与3.3节中的“TS6-L-F面”采取相同的模拟方法，即分析类型和边界条件等均相同，而唯一不同的地方是求解总时间设为30,min．对求解结果中的天然气体积分数云图(图6)和天然气速度矢量(图7)进行分析．

从图6和图7可以看出，经过30,min较长时间的扩散，天然气的局部浓度并没有明显降低，但影响范围却明显增加．在空气的影响下，天然气向FLNG首部生活区进行扩散；在生活区背风处，由于动力区建筑物的存在，产生了速度亏损和涡旋现象，背风面形成一个低压空腔区，当气云绕过建筑物后，气云会因压差作用逐渐被卷吸进低压区中，其回流作用使重气长时间积聚在此处而不易扩散，从而形成高浓度区，该结果满足中期扩散过程中的低压卷吸理论．

图6 距甲板1.6,m处的LNG体积分数云图(TS3-L-F面扩散)Fig.6 Volume fraction contour of LNG 1.6,m above the upper deck(dispersion for TS3-L-F)

4 结 论

(1) 利用本文中所建立的CFD模型和模拟方法，所得结果符合重气扩散过程的堆积理论和低压卷吸理论，能够在一定程度上反映LNG泄漏扩散的真实物理情况，对于工程安全具有一定的指导意义．

(2) 通过TS6-L-F面的模拟计算结果可以看出，当TS6-L-F面发生泄漏后，其泄漏范围不会扩散到生活区，对生活区没有影响，但由于其爆炸等值面覆盖FLNG的全部储罐，因此其危险仍然很大，这需要对其泄露后的爆炸情况进一步进行研究．

(3) 当TS3-L-F面发生泄漏后，在动力区建筑物的影响下，生活区背风处会形成低压空腔区，该区域LNG浓度较高且持续时间较长，应作为及时恢复生产的重点关注区域．

(4) 由于对整个FLNG进行泄露扩散的模拟分析，较大的模拟区域采用了较为粗略的网格划分，从而无法准确地对扩散区域重要位置进行重点研究，因此，对重要位置处的扩散情况应采用较细的网格划分．

［1］ 黄文宏，章保东，包其富，等. 重质气体泄漏扩散模型研究综述[J]. 浙江化工，2009，40(7)：18-22.

Huang Wenhong，Zhang Baodong，Bao Qifu，et al. A review of the heavy gas dispersion mathematical models[J]. Zhejiang Chemical Industry，2009，40(7)：18-22(in Chinese).

［2］ 张启平，麻德贤. 危险物泄漏扩散过程的重气效应[J]. 北京化工大学学报，1998，25(3)：86-90.

Zhang Qiping，Ma Dexian. Effect of heavy gas of dangerous material in diffusion process[J]. Journal of Beijing University of Chemical Technology，1998，25(3)：86-90(in Chinese).

［3］ 黄 琴，蒋军成. 重气泄漏扩散实验的计算流体力学(CFD)模拟验证[J]. 中国安全科学学报，2008，18(1)：50-56.

Huang Qin，Jiang Juncheng. Simulation and verification of CFD on the dispersion of heavy gas leakage[J]. China Safety Science Journal，2008，18(1)：50-56(in Chinese).

［4］ 吴玉剑，潘旭海. 障碍物地形条件下重气泄漏扩散实验的CFD模拟验证[J]. 中国安全生产科学技术，2010，6(3)：13-17.

Wu Yujian，Pan Xuhai. Simulation and verification of CFD on dispersion of heavy gas leakage in obstacle terrain[J]. Journal of Safety Science and Technology，2010，6(3)：13-17(in Chinese).

［5］ 朱红萍，罗艾民，李润求. 重气泄漏扩散事故后果评估系统研究[J]. 中国安全科学学报，2009，19(5)：119-124.

Zhu Hongping，Luo Aimin，Li Runqiu. Research on the consequence assessment system of heavy gas leakage accidents[J]. China Safety Science Journal，2009，19(5)：119-124(in Chinese).

［6］ Duijm N J，Carissimo B，Mercer A. Development and test of an evaluation protocol for heavy gas dispersion models[J]. Journal of Hazardous Materials，1997，56：273-285.

［7］ 蒋军成，潘旭海. 描述重气泄漏扩散过程的新型模型[J]. 南京工业大学学报，2002，24(1)：41-46.

Jiang Juncheng，Pan Xuhai. New model for heavy gas releasing dispersion analysis[J]. Journal of Nanjing University of Technology，2002，24(1)：41-46(in Chinese).

［8］ 罗艾民，魏利军. 有毒重气泄漏安全距离数值方法[J]. 中国安全科学学报，2005，15(8)：98-109.

Luo Aimin，Wei Lijun. Numerical method of safety distance for poisonous dense gaseous leakage[J]. China Safety Science Journal，2005，15(8)：98-109(in Chinese).

［9］ 张朝能，宁 平，马彩霞. 重气泄漏扩散的影响因素分析[J]. 武汉理工大学学报，2010，32(5)：97-100.

Zhang Chaoneng，Ning Ping，Ma Caixia. Analysis of influence factors for dense gas leakage dispersion[J]. Journal of Wuhan University of Technology，2010，32(5)：97-100(in Chinese).

［10］ 姜传胜，丁 辉. 重气连续泄漏扩散的风洞模拟试验与数值模拟结果对比分析[J]. 中国安全科学学报，2003，13(2)：8-13.

Jiang Chuansheng，Ding Hui. Comparison and analysis of wind tunnel test data and dispersion model prediction for accidental continuous release of dense gases[J]. China Safety Science Journal，2003，13(2)：8-13(in Chinese).

Simulation and Analysis of Dispersion of Heavy Gas Leakage from FLNG Installation

Yu Jianxing，Tang Jianfei，Liu Yuan，Ma Weilin，Li Yan
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The dispersion model of the upper deck area of the floating liquefied natural gas (FLNG) production storage and offloading unit was established in order to study the dispersion consequences after the leakage of upper deck storage tanks. By using the computational fluid dynamics (CFD) technique, the heavy gas dispersion after the leakage of LNG was stimulated and the effects of heavy gas dispersion were studied. The simulated result was in good agreement with the theories of heavy gas accumulation and low pressure entrainment. The analysis of simulated results shows that the CFD model and the simulation method can reflect the real physical situation of LNG leakage and dispersion to some extent. When the leakage occurs on the front surface of the storage tank farthest away from the living area, the LNG heavy gas cannot spread to the living area, so it has no impact on the living area; however, when the leakage occurs on the front surface of the storage tank located near the middle of the FLNG, under the influence of the buildings in the power supply area, a low-pressure cavity area will form on the leeward side of the living area, where there is higher LNG concentration.

floating liquefied natural gas installation；heavy gas leakage；theory of accumulation；theory of low pressure entrainment；computational fluid dynamics

TE88

A

0493-2137(2013)05-0381-06

DOI 10.11784/tdxb20130501

2012-12-24；

2013-01-10.

国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(51021004)；国家科技重大专项资助项目(2011ZX05026-006)；国家自然科学基金资助项目(51239008)；上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金资助项目．

余建星（1958— ），男，博士，教授．

马维林，maweilinfreedom@163.com．