针对浮式液化天然气生产装置不同形状储罐的重气泄漏扩散研究

余建星，张 龙，刘 源，周清基

（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）

目前在海洋工程领域，有超过10 000座固定的、浮体的和水深达1 000 m的移动式海洋平台。除此之外，还有超过3.2×105km的海管和5 000只船舶作为这些海洋平台开发、钻探、生产和运输的辅助设备。然而与此同时，各种海难事故（船舶的碰撞、搁浅、腐蚀疲劳破坏、沉船、火灾、爆炸等）不断发生，其中尤以重气泄漏造成的后果最为突出，如1988年Piper Alpha钻井平台的爆炸，引发了海洋工程界对重气泄漏的研究。

部分有毒有害气体泄漏到空气中后，会由于物质的分子量比空气的大（如氯气）、较低的环境温度（如液化天然气，以下简称LNG）、较高的储存压力（如氨气泄漏形成的烟雾）、化学转变（如氟化氢的聚合）等原因形成了比空气重的气云，称为重质气体（简称重气，heavy gas）。对于浮式储卸油生产系统（即FLNG），当它的储罐发生泄漏时，由于储罐内的LNG处于低温高压状态，当泄漏发生后会在高压作用下从泄漏点喷射到空气中。当其接触周围暖空气时，会迅速闪蒸，一部分物质形成蒸气，其余部分呈现液体状态，以保持气液平衡，但同时相当一部分的液态物质以液滴的方式雾化在蒸气介质中，形成含有液滴夹带的混合蒸气云团，使得云团平均密度大于空气密度，形成重气。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（如建筑物等），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[1-5]。

国外对气体泄漏的研究由来已久，也形成了成熟的理论体系，并建立了详细的分析模型，如高斯模型（包括高斯烟羽模型、高斯烟团模型、高斯轨迹烟云模型等）、FEM3模型、BM模型等。但这些模型一般仅考虑常规气体，大多并未涉及重质气体，因此对于分析重气扩散存在一定的局限性[6-8]。

随着人们逐渐认识到研究重气在泄漏问题中的重要性，各国开始纷纷针对重气进行相应的试验，其中最著名的重气试验就是Thorney Island系列实验。Thorney Island系列实验是在英国南海岸的一个废弃的空军基地Thorney Island上进行的。该系列试验证明，由于建筑物的存在，迎风面距离地面较高的位置气云的浓度要比靠近地面背风面位置的浓度高，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，完全和平坦地形时的情况相反。主要原因有：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。这就是重气理论中著名的低压卷吸理论[9-11]。

从低压卷吸的理论中可以看出，在重气扩散过程中一旦遇到障碍物就会形成低压卷吸，障碍物是决定低压卷吸的关键要素。本文针对FLNG上储罐，分别对矩形储罐和圆柱形储罐这两种常用形状储罐进行模拟，得出决定低压卷吸形成的要素，从而为储罐形状的选择提供参考。

1 模型建立

分别建立矩形储罐及扩散区域模型和圆柱形储罐及扩散区域模型。由于在考虑泄漏问题中，主要研究的是泄漏气流动的流域，需要的模型是船体除去甲板上设备的区域。因此需要在拟扩散区域内减去各储罐，从而得到泄漏区域计算模型，如图1～图2所示。矩形储罐长、宽、高均为10 m，圆柱形储罐半径5.65 m，高10 m，保证矩形储罐与圆柱形储罐容量相同；最外层为模拟扩散区域，长100 m，宽60 m，高50 m，保证研究范围的充分，避免因为研究范围过小导致的结果误差。

图1 矩形储罐及扩散区域模型

图2 圆柱形储罐及扩散区域模型

2 模拟结果

由于LNG在储罐中属于高压储存，泄漏后会瞬间高速喷射，因此设定LNG的泄漏速率为20 m/s。模拟结果如图3～图6所示。

图3 矩形储罐泄漏后的速度分布云图

图4 矩形储罐泄漏后的速度矢量图

从图3、图4可以看出，在矩形储罐背风处有一块区域的风速很低，这将造成此处气压很低。当重气云团穿越储罐达到该区域时，由于气体黏度，高能气会向低能气转向逐渐改变运动方向；接触过程中高能气会与低压区内的低能气交换能量，低能气获得能量后开始沿风场风向运动，高能气损失能量速度逐渐降低，直至能量平衡。这在宏观上表现为绕过障碍物的高能气开始向低能区中心转向，速度降低直至被吸入该区域，并长期停留在此，形成局部高浓度区域。这一结果也验证了Thorney Island系列实验对背风处低压卷吸的结论。

从图5、图6中可以看出，在泄漏刚开始的阶段，由于储罐的存在，储罐背风处的空气速度近似为零。随着扩散的进行，在空气黏度的影响下，绕过储罐边缘的高能气逐渐将动能传递给背风处的空气，使得背风处空气开始逐渐运动。此时的空气速度方向是向前的，并没有回旋形成卷吸。这与矩形储罐的情况是完全不同的。

矩形储罐的情况下，由于没有曲率，绕过储罐的空气会第一时间在空气湍流的作用下，向低压区移动，改变运行方向，并迅速将能量传递给低能气，从而造成速度亏损，形成储罐背风处的低压卷吸成。但在圆柱形储罐和球形储罐的情况下，由于储罐存在大曲率，导致迎风面空气速度在湍流作用下沿储罐表面运动，不断改变运动方向，因此在绕过储罐后，空气速度在空气黏度的影响下直接传递给低能气，但却并没有明显的速度方向的改变。这一情况就会形成图5、图6的结果，即在绕过储罐后，泄漏气体在边缘区会有小幅的速度衰减，这是因为能量传递；而原本静止在背风处的静止空气则在空气黏度的影响下获得了初始动能，开始沿泄漏空气场运动，并且速度从外到内逐渐降低，从而形成图5、图6中的虚拟风场源。

图5 圆柱形储罐泄漏后的速度分布云图

3 结论

图6 圆柱形储罐泄漏后的速度矢量图

（1）本文建立的模型所得结果符合重气扩散过程的低压卷吸理论，能够在一定程度上较为准确地反映重气泄漏后扩散的真实物理情况，对海上平台安全具有一定的指导意义。

（2）通过模拟计算结果可以看出，不同形状的障碍物对于重气扩散的低压卷吸有影响，矩形储罐背风处形成了低压卷吸区，而圆柱形储罐背风处并没有形成低压卷吸区，而是形成了局部的虚拟泄漏源，两者有本质不同。

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