半封闭空间LNG泄漏安全性数值模拟研究①

韩 力　刘鑫鹏　马金晶　郭开华

中山大学工学院



半封闭空间LNG泄漏安全性数值模拟研究①

韩 力刘鑫鹏马金晶郭开华

中山大学工学院

摘要为了定量评价液化天然气(LNG)加注船上“冷箱”内发生泄漏后的风险，利用计算流体力学软件Fluent对“冷箱”在有、无强制通风条件下发生LNG泄漏后扩散和爆燃的过程进行了模拟研究。结果表明，在无强制通风时，“冷箱”内发生连续泄漏后，箱内可燃浓度区域随时间先变大后减小，在泄漏后60 s、90 s、120 s、150 s分别点燃时，达到的最大超压依次为29 kPa、89 kPa、76 kPa、70 kPa，会对箱体和人员造成严重伤害;在有强制通风时，泄漏后箱内甲烷浓度场在约100 s后达到稳定，在泄漏后60 s、90 s、120 s、150 s分别点燃时，达到的最大超压依次为1.8 kPa、1.9 kPa、3.0 kPa、3.1 kPa,超压损害很小，但在爆燃后继续燃烧，会对箱体及内部设备造成高温热辐射损害。计算方法和结果可应用于“冷箱”等半封闭空间泄压防爆的安全设计。

关键词液化天然气泄漏爆燃数值模拟安全

液化天然气(LNG)因其具有清洁、高效的特点，现已广泛应用于各行各业。但由于LNG泄漏后极易蒸发并与空气混合形成可燃气云，一旦遇到火源，便可能发生火灾,甚至是爆炸等严重灾害。所以，LNG生产、储存、运输、利用的过程和处所都存在一定风险。相比于火灾，可燃气体发生爆炸的后果更严重，爆炸产生的冲击波会导致大量人员伤亡和财产严重损失，爆炸后往往还会发生火灾，对周围环境造成高温热辐射的二次伤害。因此，为了减少此类灾害事件的发生，降低后果的危害程度，必须对可燃气体发生爆炸的条件、特性进行深入研究，以找到抑爆泄爆的有效方法。

根据可燃气云形成的空间类型不同，气体爆炸可分为封闭空间气体爆炸、半封闭空间气体爆炸和开敞空间气体爆炸[1]。由于研究对象是某LNG移动加注船上的“冷箱”，一种与储罐相连，内有与储罐相连的管道、阀门以及气化器等装置的立方体结构，有通风口，所以冷箱内发生的爆炸属于半封闭空间爆燃。

国内外关于半封闭空间内气体爆炸的研究有许多，如美国国家标准与技术研究院的William M. Pitts等[2]对车库内发生氢气泄漏后在有无汽车的情况下进行爆炸实验，拍摄到爆炸时火焰传播情况，测得了在不同浓度下压力随时间的变化曲线，并观测到爆炸对车库和汽车造成的损害。意大利的G. Ferrara等[3]对泄压管道对气体爆炸的影响进行了模拟研究，结果发现与简单的泄压方式相比，如只有泄压口，泄压管道的存在反而增强了爆炸程度，而且管道越长，爆炸越剧烈。美国的C. R. Bauwens等[4]对泄压面积分别为2.7 m2和5.4 m2、体积为64 m3的长方体爆炸箱内氢气、甲烷和丙烷的爆炸实验进行了数值模拟，并将模拟结果与实验结果相比，非常吻合，表明采用合适的计算模型进行数值计算能够较准确地预测半封闭空间气体爆炸的结果。国内安徽理工大学郭进等[5]对圆柱形容器内氢气空气混合物泄压爆炸进行了实验研究，重点研究了不同泄爆压力对容器内部压力与火焰的影响。江西理工大学的董冰岩等[6]利用计算流体力学软件Fluent研究了泄爆面积对柱形容器泄爆过程压力的影响。南京工业大学的王志荣等[7]对管状容器气体燃爆泄放过程进行了数值模拟，重点研究了泄放面积和泄爆压力对泄爆过程压力的影响。吴运逸等[8]利用CFD(Computational Fluid Dynamics)软件FLACS对加气站压缩机间气体爆炸进行了数值模拟研究，模拟了不同点火源位置、泄压板不同泄压压力和重量对爆炸产生的压力和火焰行为的影响。

以上关于半封闭空间气体爆炸的研究既有实验研究也有计算软件的模拟研究，然而对于大规模气体爆炸实验，成本高、危险大、实验数据难以监测，使用数值模拟可以避免以上困难，而且如前所述，数值模拟早已多次被证实可以较准确地预测实验结果[9-14]。本研究利用CFD软件Fluent对某LNG移动加注船上冷箱中在有、无通风情况下LNG泄漏后发生的爆燃过程进行模拟。与之前学者所研究的不同之处在于，本研究考虑了泄漏的LNG蒸发后的甲烷气体由于温度较低，密度比空气大，起初具有重气扩散的特点，随着不断吸收周围环境的热量，温度上升，密度逐渐变小，当小于空气密度时，在浮力的驱动下又具有轻质气体扩散的特点。另外，先通过计算得到泄漏后不同时刻冷箱内甲烷浓度分布再进行爆燃模拟，而前述所有模拟初始状态均是可燃气与空气已经完全均匀混合。

1计算模型

1.1冷箱几何模型

冷箱为4 m×4 m×4 m 的立方体，假设泄漏的LNG在底部中心形成1 m×1 m的液池并蒸发，冷箱设有如图1所示的强制通风口，尺寸均为1 m×1 m。

1.2CFD计算模型

对于有气体流动和燃烧爆炸的问题，除了需要求解最基本的质量、动量、能量守恒方程外，还需要求解湍流和有化学反应的组分输运方程。在气体爆炸的过程中，膨胀的气体遇到壁面、障碍物的阻挡会产生湍流，而湍流又会使火焰面皱化和拉伸，增大火焰面积和燃烧速率，燃烧速率的增加又会进一步增大气体流速，即增强湍流，这是一种正反馈机制，所以对燃烧反应与湍流相互作用的模拟很重要。本研究中湍流采用LES(Large Eddy Simulation)模型，燃烧反应与湍流相互作用采用涡耗散模型(Eddy Dissipation Model)[15]。

Fluent中描述化学反应的组分输运方程为：

(1)

(2)

(3)

(4)

2计算条件与设置

本研究针对冷箱内发生LNG泄漏后在有、无通风情况下不同时刻爆燃过程的模拟，故先确定泄漏量进行有、无通风时的扩散模拟以得到爆燃初始浓度分布。LNG泄漏后是否形成液池，以及液池面积的大小由泄漏速率与蒸发速率决定，而环境条件一定时，蒸发速率也一定，蒸发速率可根据换热条件计算得到,为0.08 kg/(m2·s)。当泄漏孔径很小时，泄漏量很小，以至于LNG还没落到箱底就完全气化;当孔径稍大，LNG会在箱底形成液池；当泄漏速率等于蒸发速率时，液池面积最大且不变;当泄漏速率大于蒸发速率时，LNG会覆盖整个箱底且液池厚度不断增加，本研究选取LNG在箱底形成1 m2液池的典型情形研究，此时泄漏量为0.08 kg/s。根据中国船级社的《天然气燃料动力船舶规范》要求，冷箱在通风时须满足每小时至少换气30次[16]，换算成进口风速为至少2 m/s。由于通风并不是一直开启，而且在无通风时发生爆燃的后果更严重，所以对无通风时的爆燃模拟也很重要。

计算域的边界条件为：空气入口为速度入口，无通风时速度为0，有通风时速度为2 m/s，温度为298.15 K;低温甲烷气体入口为质量流量入口，持续蒸发，温度为111 K;其余壁面均为恒温壁面，温度与周围环境温度一致，为298.15 K;出口为压力出口。

初始条件：无通风时，整个冷箱内充满静止的空气，与大气相通;有通风时，冷箱内先建立稳态的空气流场。

由于LNG的主要成分是甲烷，所以计算域内的混合物材料选择甲烷-空气混合物。无论是扩散还是爆燃过程，都存在较大温差，所以开启P1辐射模型。采用PISO算法求解压力速度耦合方程，空间离散采用二阶迎风格式，时间采用二阶隐式离散格式。计算扩散时设置不同高度的监测点P1(2,2,0.5)、P2(3,2,0.5)、 P3(2,2,2)、P4(2,2,3.5), 计算爆燃时，设置四周壁面及顶部中心点为监测点。

3计算结果与分析

3.1无通风时泄漏的LNG扩散与爆燃

在无通风时，泄漏到液池中的LNG蒸发后温度很低，密度比空气大，故起初在冷箱底部向周围扩散，所以P1和P2最先出现甲烷。同时，低温甲烷还吸收冷箱底板和空气的热量，随着温度上升，密度减小，又开始逐渐向上扩散，特别是在冷箱四角处，甲烷上升速度比其他地方要快，这是因为低温甲烷气体在四角处与壁面的接触面积增大，且与壁面的换热比与空气的换热快，故靠近壁面的甲烷会比中间部分先到达箱顶部，如图2所示，比点P3高的点P4会先出现甲烷。而且随着时间延长，体积分数为5%～15%的甲烷区域先变大后减小，当危险区域在冷箱内占据最大体积时，若发生爆炸，则后果最严重，从图3可看出该时刻在90～120 s之间，故选取该区间前后时刻60 s、90 s、120 s、150 s分别进行点燃，计算可能产生的最大爆炸超压。

在上述扩散结果的基础上，分别在60 s、90 s、120 s、150 s点燃，点火点均设置在(2，2，1)处，设置一个高温球体区域点火，监测四周壁面中心及顶部中心点处的压力随时间变化，如图4所示。从图4可以看到，在不同时刻点火后，压力都是先上升后下降。在60 s点火，经过约0.5 s达到最大超压，为29 kPa;在90 s点火，经过0.31 s达到最大超压值89 kPa;在120 s点火，经过0.37 s达到最大超压值76 kPa;在150 s点火，经过0.5 s达到最大超压值70 kPa。可见，爆炸超压的变化趋势与危险浓度变化趋势相吻合，即在危险甲烷浓度区域最大的时候，爆炸所产生的超压最大。根据爆炸超压破坏作用对照表[17]，当超压在70～100 kPa之间时，会造成建筑物砖墙倒塌、人严重内脏损伤或引起死亡。所以，在无通风情况下发生LNG泄漏，将会对船上人员和设备造成很大威胁，故在设计冷箱结构时应考虑其强度能承受最大爆炸压力，以保证即使发生爆炸也不会对人员和船体主要结构造成严重损害。

3.2风速为2 m/s时泄漏的LNG扩散与爆燃

开启通风后，冷箱内甲烷浓度分布主要由空气流场决定，空气的湍流卷吸作用加强了甲烷扩散与换热，并且流动的空气带出了大量的甲烷气体，故在通风条件下，监测点最终甲烷浓度明显大大低于无通风时的浓度。由图5可看出，在2 m/s的通风条件下，从LNG泄漏开始约经过100 s后，甲烷浓度分布达到稳态，图6也体现出该变化趋势。

与无通风时一样，在LNG泄漏后的60 s、90 s、120 s、150 s分别点燃，计算在通风条件下发生爆燃的超压随时间变化，结果如图7所示。可以看到，在有通风时，爆燃超压值最大为3.1 kPa，明显低于无通风时的超压值。60 s、90 s、120 s、150 s点火后对应的最大超压值分别为1.8 kPa、1.9 kPa、3.0 kPa、3.1 kPa。根据超压破坏情况可知，超压3 kPa不会对箱体和人员造成损害。通风条件下爆燃超压大大减小的主要原因是通风进出口的存在增大了泄压速率，在爆燃过程大量混合气体被排出箱外，压力也及时释放。与无通风不同的是，通风条件下由于空气的及时补充，爆燃后箱内还会存在持续燃烧，如图8所示，4种情形都计算至195 s，用反应速率表示火焰形状，由于通风，所以火焰偏向于右壁面。因为空气与甲烷入口条件都相同，4种情况下的最终火焰形状都如图8中195 s所示相似，故用一组图表示。继续计算，发现火焰形状和温度分布基本不变，最终稳定燃烧的温度分布也相同，如图9所示。这时的危害主要是火焰对冷箱及其内部设备的热辐射，所以在设计冷箱时不仅要考虑防爆泄爆，还要考虑火灾报警和灭火措施，如安装可燃气体探测仪、烟雾报警器、高倍数泡沫等装置。

4结 论

(1) 在无通风的情况下，低温易挥发的LNG泄漏在冷箱底部后，并不是完全像重气扩散一直处于底部，而是起初在底部向周围扩散，随着与周围环境换热的进行，大量甲烷会向上扩散与空气混合形成可燃气云。

(2) 无论有无通风，当爆炸极限范围内的可燃混合气在冷箱内占据体积最大时，产生的爆炸超压最大。找出可能发生的最大超压值有利于冷箱的抗爆设计，本研究计算得到的最大超压为89 kPa,所以在设计冷箱时要考虑至少能够承受此压力。

(3) 通风口的存在能有效降低爆燃所产生的压力，但可能使爆燃后发生火灾而产生热辐射危害，所以在设计冷箱时要考虑全面，既要预防危险情况的形成，也要保证即使发生危险也能将损失降至最小。如在冷箱内安装可燃气体探测器和温度传感器等，探测到危险浓度或温度过低时，关闭主阀，开启通风，确认安全后检查维修。发生爆炸时，确保冷箱能够承受最大超压，将危害局限在冷箱内部，以保证人员、储罐和船体的安全，防止发生更严重的灾难。

参 考 文 献

[1] BJERKETVEDT D, BAKKE J R, WINGERSDEN K V. Gas explosion handbooks[J]. Journal of Hazardous Materials, 1997, 52: 1-150.

[2] PITTS W M, YOUNG J C, BLAIS M, et al. Dispersion and burning behavior of hydrogen released in a full-scale residential garage in the presence and absence of conventional automobiles[J]. Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37: 17457-17469.

[3] FERRARA G, WILLACY S K, PHYLAKTOU H N, et al. Venting of gas explosion through relief ducts: Interactions between internal and external explosions[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 155: 358-368.

[4] BAUWENS C R， CHAFFEE J, DOROFEEV S B. Vented explosion overpressures from combustion of hydrogen and hydrocarbon mixtures[J]. Journal of Hydrogen Energy, 2011, 36:2329-2336.

[5] GUO J , LI Q , Chen D D , et al. Effect of burst pressure on vented hydrogen-air explosion in a cylindrical vessel[J]. Journal of Hydrogen Energy, 2015, 40: 6478-6486.

[6] 董冰岩, 彭旭. 泄爆面积对柱形容器泄爆过程压力影响[J]. 工业安全与环保, 2012, 38(12): 47-51.

[7] 王志荣, 蒋军成. 管状容器气体燃爆泄放过程的数值模拟[J]. 天然气工业, 2005, 25(6): 122-124.

[8] 吴运逸, 雷海丽. 加气站压缩机间气体爆炸数值模拟研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2013, 9(11): 59-64.

[9] 杨国刚, 岳丹婷， 毕明树. 圆柱形可燃气云爆炸实验研究与数值模拟[J]. 化工学报, 2008, 59(11): 2954-2959.

[10] 严清华, 王淑兰, 李岳， 等. 大型球形密闭容器内可燃气体爆炸过程的数值模拟[J]. 天然气工业, 2004, 24(4): 101-103.

[11] 杨天宇, 朱海山, 郝蕴, 等. 压力容器火灾工况安全泄放质量流量的动态研究[J]. 石油与天然气化工, 2014, 43(2): 208-212.

[12] 宋小雷, 陈先锋， 陈明， 等. 瓦斯爆炸过程中火焰传播的实验与数值模拟研究[J].中国安全生产科学技术, 2011, 7(11): 5-8.

[13] 黄小美, 郭杨华, 彭世尼, 等. 室内天然气泄漏扩散数值模拟及试验验证[J]. 中国安全科学学报, 2012, 22(4): 27-31.

[14] 程猛猛, 吴明, 赵玲, 等. 城市埋地天然气管道泄漏扩散数值仿真[J]. 石油与天然气化工, 2014, 43(1): 94-98.

[15] ANSYS. ANSYS Fluent User’s Guide [M]. Canonsburg, Pennsylvania: ANSYS, Inc., 2015.

[16] 中国船级社. 天然气燃料动力船舶规范[S]. 2013.

[17] 傅智敏, 黄金印, 臧娜. 爆炸冲击波伤害破坏作用定量分析[J]. 消防科学与技术, 2009, 28(6): 390-395.

Numerical simulation and study of the safety of a semi-closed space where liquefied natural gas spilling

Han Li, Liu Xinpeng, Ma Jinjing, Guo Kaihua

(SchoolofEngineering,SunYat-SenUniversity,Guangzhou510006,China)

Abstract:To quantitatively evaluate the risk of the liquefied natural gas (LNG) bunkering vessel with a cold box where LNG spilling, this study simulated the diffusion and deflagrations occurred at different instants after LNG spillage with or without a forced venting by fluid dynamics software Fluent. The simulation results showed that the flammable area increased first and then decreased with time after LNG spilling in the cold box without a forced venting when ignited at 60 s, 90 s, 120 s and 150 s respectively, the maximum overpressures could reach 29 kPa, 89 kPa, 76 kPa and 70 kPa correspondingly, which would cause serious damage to the box and persons. While with a forced venting, the methane concentration field internal cold box became stable soon after spill and the flammable area increased to a constant level. When the gas mixture was ignited at the same time as above, the overpressures were much less than those without a forced venting, as 1.8 kPa, 1.9 kPa, 3.0 kPa, 3.1 kPa respectively. And a fire was predicted resulting from the deflagration, which might cause heat radiation damage to the cold box and carried equipment. The method and results of the calculations could be applied in safety design of the cold boxes or other confined spaces to prevent the explosions and fires.

Key words:LNG, spill, deflagration, numerical simulation, safety

基金项目：广东省教育厅液化天然气与低温技术重点实验室资助项目(39000-3211101);中山大学-BP中心液化天然气中心资助项目(99103-9390001)。

作者简介：韩力(1989-)，男，湖北武汉人，中山大学工学院在读硕士研究生，主要从事液化天然气安全方面研究工作。E-mail:823377210@qq.com

中图分类号：X932

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.03.020

收稿日期：2015-12-20；编辑：钟国利