LNG调峰站内储罐泄漏安全距离模拟研究

刘常利

LNG调峰站内储罐泄漏安全距离模拟研究

刘常利

(天津市消防总队特勤支队，天津 300270)

为更合理地确定LNG调峰站储罐区泄漏区域，在对某双储罐LNG调峰站的厂区布置进行综合分析的基础上，利用FLUENT软件对储罐装卸管路泄漏场景进行了数值模拟分析。模拟分析储罐装卸管路1 h设计泄漏量，得到了以围堰中心为原点的温度云图和浓度云图，确定出-30 ℃低温警戒范围和5%甲烷浓度火源警戒范围。在低温警戒范围内，设备设施要有良好的防冻措施，所有人员要迅速撤离；在火源警戒范围内，要严格控制各类火源，电气设备均应防爆。

LNG储罐；泄漏；警戒范围

LNG调峰站内储罐区液化程度高、储量大，其管路泄漏事故的发生风险较高且危害较为严重。要对危险性最大的储罐区提出科学的消防应对措施，就要从储罐区整体布局入手，而警戒范围的确定是整体规划的前提。本文从LNG储罐警戒范围入手，为储罐区安全布局打下基础。

1 工程背景

本文以天津燃气大港LNG调峰应急站二期工程中两座9 500 m3的储罐及围堰为例，对其进行安全距离模拟分析。围堰内双储罐布置，围堰高度为3.6 m，两储罐罐壁之间最近距离为14 m，储罐高约28.5 m，其外部半径为14 m，储罐装卸管路下端距地面约1.5 m，围堰与储罐的平均水平距离约为23 m。

储罐满罐容量为9 500 m3，内部压力为常压。为保证储存安全，设定最大装填容积为有效容积的94.3%，用于缓冲储存液体体积膨胀及蒸发相变。该储罐外侧铺设有碳钢真空管作为储罐LNG装卸管路，其外径为230 mm，内径为200 mm，横向断面面积为0.031 4 m2。管路管道均以法兰连接。在LNG竖直管路中常会发生间歇泉及水锤现象，且罐外竖直管路高约27 m，间歇泉、水锤现象较为剧烈，易使管内压力发生骤变，对管路维护管理要求较高。由于储罐使用年限为25年，管路老化现象时有发生，伴随LNG重力作用，将泄漏口设定为装卸管路底部，位于储罐南侧。

2 模型建立

FLUENT软件采用有限体积法[1-2]，提供了非常大范围的模拟能力[2]。

2.1 外场模型设置

通过GAMBIT前处理器建立储罐区外流场模型。经过多次模型建立，可以完全将泄漏的LNG及扩散的天然气涵盖至尺寸为3 500 m×2 000 m×300 m的流场模型内(本文凡标注X、Y、Z轴的截图，X轴正方向指向为东、Y轴正方向指向为北，Z轴正方向指向为上)，并且在下风方向加大计算流场的空间尺寸，使得在考虑风速等影响因素时，均可实现对模拟结果的读取记录。模型中网格全部选取HEX结构网格，大大降低了整体网格的数量。将整个模型解构为若干个区域，分别进行网格划分，并将外流场内部的区域之间设置为INTERIOR边界条件。

2.2 构件的尺寸及边界条件

为保证数值模拟的仿真准确性，相关构件的模型均按照实际工程中的规模进行设置，大小、位置、性质均以该储罐区的几何、物理特性进行设置[3]。

2.2.1 围堰及拦蓄区的设置。围堰为地上式，地上高度3.6 m，墙体的厚度为0.8 m，所围成拦蓄区的尺寸为74 m×116 m×3.6 m，边界条件简化设置为绝热墙体WALL。

2.2.2 LNG储罐的设置。双储罐容积均为9 500 m3，罐体的高度为28.5 m，外部半径为14 m，储罐区的划分网格见图1。边界条件亦简化为绝热墙体。

2.2.3 泄漏口的设置。实际场景中装卸管路下端拐角距地面1.5 m，其直径为200 mm，拐角朝向南侧，据此建立模型。在划分泄漏孔口网格时，将泄漏口处理为0.1 m×0.314 m的矩形表面，但与泄漏口形状有关的参数设置均依圆形孔径取值。

2.2.4 大气边界的设置。将外界大气流场分为东、南、西、北、上共5个部分进行设置。上风方向的边界条件设置为VELOCITY_INLET；其余部分边界条件设为PRESSUR_OUTLET，表压为0 Pa，温度设为环境温度。VELOCITY_INLET条件入口与PRESSUR_OUTLET条件出口相匹配的程度较高，可提高计算结果的仿真度与收敛性。

图1 储罐区网格划分

3 参数设置

3.1 泄漏口流量计算

本文选取储罐的进出口管路管径为200 mm，管道泄漏流量按公式(1)进行计算。

式中，Q0为液体泄漏强度，kg·m-2·s-1；Cd为液体泄漏系数，其取值见表1；A为泄漏口面积，取0.031 4 m2；ρ为泄漏液体密度，426 kg·m-3；P为容器内介质压力，Pa；P0为环境压力，Pa；g为重力加速度，9.8 m·s-2；h为泄漏口上液位高度，m。

表1 液体泄漏系数

在管路泄漏过程中，认为储罐的压力控制系统仍然有效，即罐内为恒定常压，且继续保持管路泄漏。令P0=P=101.325 kPa，则得到管路LNG液体泄漏强度Q0=307.72Cd，其中Cd值待定。根据表1中雷诺数确定方法，首先求解雷诺数，按公式(2)计算[3-4]。

式中，Qm为质量流量，kg·s-1；D为管道内径，取0.2 m；μm为动力黏度，取4.41 Pa·s。

计算得出Re=123.51Cd，由于123.51×0.65=80.27<100，故取Cd=0.5。计算得泄漏口的泄漏强度为Q0=307.72Cd=153.86 kg·m-2·s-1，即液体的泄漏流量为153.86 kg·s-1。

3.2 泄漏物质理化参数

通过液化，天然气内甲烷占96%以上，本文将LNG理化性质简化为甲烷的主要理化性质。

3.3 环境工况设置

根据该LNG调峰站的选址环境，查阅资料得到该厂址处不同季节的风向、风速、环境温度等工况条件，不同季节环境工况具体参数见表2。

表2 厂区季节工况

4 数值计算结果

LNG泄漏危害特征主要为低温危害及爆炸危害，对此本文将针对温度及蒸发气体浓度的相关数据进行监测统计。根据《石油天然气设计工程防火规范》(GB 50183—2004)第10.3.5条第3款的有关要求，设计泄漏量按储罐充满时持续流出1 h来考虑。本文将LNG储罐管路泄漏事故数值模拟的计算时间设置为1 h，并进行结果统计分析[5]。

4.1 温度分布

低温伤害的致害因素较多，既与所暴露的环境温度有关，也与暴露的时间长短有关。据记载，人体部位静态裸露于-30 ℃环境时，3～4 min会发生剧烈难忍的疼痛，5 min即会发生组织冻伤；该温度也会使带电设备受损。故将-30 ℃作为低温危害温度。由温度分布云图可得低温危害范围在4个方向上与围堰中心的距离(表3)，图2为春秋季节储罐管路泄漏温度云图。

表3 -30 ℃低温危害分布情况

图2 春秋季节储罐管路泄漏温度云图

4.2 浓度分布

LNG在空气中的爆炸极限为5%～14%。本文LNG储罐围堰高3.6 m，其产生阻碍扩散的聚集作用，使得在围堰外地表上部LNG蒸气的浓度小于其爆炸上限。故认为其爆炸上限变化规律在消防安全方面的研究价值较低，将爆炸下限设为蒸气爆炸的点火浓度。由浓度分布云图可得爆炸下限范围在4个方向上与围堰中心的距离(表4)，图3为春秋季节储罐管路泄漏浓度云图。

表4 5%蒸气浓度分布情况

5 储罐区警戒范围的设置

5.1 低温警戒范围的设置

5.1.1 低温警戒范围。结合前文所得低温危害距离的数值计算结果，对其不同季节北、南、西、东4个方向的低温危害距离进行比较。双储罐罐区具有对称布置的特点，其东西方向上取距离围堰中心的最大低温危害距离，即168.95 m；正北方向的最大低温危害距离为119.04 m；正南方向的最大低温危害距离为234.15 m。

图3 春秋季节储罐管路泄漏浓度云图

5.1.2 低温警戒范围内的设置要求。在储罐区低温警戒范围内，应避免输送带电设备、消防设施的布置，以防在事故发生时因温度骤然降低，导致由金属或混凝土构成的相关设施冷脆失效而不能有效控制灾害，甚至引发二次事故。通过对储罐泄漏温度分布云图及不同季节工况、不同方位低温危害距离的观察，对于无法避免的布置于低温区域的具有受冷变形的设施，应做好保护措施，并且对置于其中作业的人员要做好个人防护。(1)提高设备设施的耐冷性能。在低温警戒范围内的设施应采用耐冷性能好、低温环境不易变形失效的材质，提高耐受时间，防止灾害进一步扩大，为灾害事故处置争取宝贵时间。(2)针对LNG储存特性，合理增大围堰的高度。在考虑经济成本的前提下，应至少适当增加相应方向的围堰高度，如泄漏口朝向、常年最小频率风向的上风方向。在设施布置过程中，对低温警戒范围内的设施应留有合理的疏散通道，确保在处于危险环境中的人员能快速撤离低温区域。(3)由于低温伤害是低温程度和作用时间共同影响的结果，人员进入到此区域时，应做好低温防护措施，以便于人员快速逃离。在泄漏事故发生时，相关人员应尽量向上风方向或侧风方向进行转移。(4)低温警戒范围内，应避免布置具有较高泄漏危害的设施，尤其避免工艺流程较为复杂的液化区域处于低温警戒范围内，以防在低温条件下液化区域管路发生脆裂泄漏，扩大事故影响。

5.2 火源警戒范围的设置

5.2.1 火源警戒范围。前文对LNG调峰站储罐区泄漏事故爆炸下限距离进行模拟数值计算，得到不同季节北、南、西、东4个方位的5%浓度爆炸下限范围，针对该距离进行比较统计。双储罐罐区具有对称布置的特点，其东西方向上取最大的爆炸下限危害距离，即173.1 m；正北方向的最大爆炸下限危害距离为115.4 m；正南方向的最大爆炸下限危害距离为262.6 m。

5.2.2 火源警戒范围内的设置要求。LNG调峰站工艺装置区中设有大量工艺装置，均为带电设备，并存有易燃易爆天然气或LNG；槽车区中的槽车在进行装卸时，其车内带电、带火设备也较多。在对带电设备采取防电、阻电措施的同时，同样需要考虑火源警戒范围来增加其安全可靠性。因此，对此范围内的带电设备有以下几点要求：(1)带电设备、线路的设置应尽量在火源警戒范围之外。(2)必须设置在火源警戒范围内的设备线路要采取可靠的防爆保护措施。(3)设备线路要采用绝缘材料，同时，还要满足在深冷条件下的有效性。不同季节，风速及风向会发生变化，应根据火源危害距离的最大值，按照以上防护措施统筹进行规划设置。

6 结论

LNG调峰站内储罐区装卸管路泄漏危险性最大，目前尚未制定LNG调峰站防火设计规范。为应对装卸管路泄漏，本文针对站内该区域装卸管路的液相泄漏事故过程建立CFD模型，通过FLUENT软件对该过程进行数值计算，得到该工程设置的泄漏危害距离，并对此进行分析，提供了消防应对措施。

[1] 温正,石良辰.FLUENT流体计算应用教程[M].北京:清华大学出版社,2008:4-11.

[2] 王海蓉,马晓茜.LNG重气连续点源泄漏扩散的数值模拟研究[J].天然气工业,2006,26(9):144-146,156.

[3] 魏凯丰,宋少英,张作群.天然气混合气体粘度和雷诺数计算研究[J].计量学报,2008,29(3):248-250.

[4] 梁国伟,蔡武昌.流量测量技术及仪表[M].北京:机械工业出版社,2002.

[5] 中国石油天然气集团公司，中华人民共和国公安部.石油天然气设计工程防火规范:GB 50183—2004[S].北京:中国标准出版社,2005.

(责任编辑 马 龙)

Simulation of Safety Distance of Storage Tank Leaks at LNG Peak-shaving Stations

LIU Changli

(SpecialTaskUnitofTianjinFireCorps,Tianjin300270,China)

In order to determine the leak area of LNG peak-shaving stations, a leak of the discharging pipeline attached a LNG tank was simulated by FLUENT based on the layout analysis of the double-tank farm at a LNG peak-shaving station. The low temperature -30 ℃and 5% methane concentration were determined as the alerting indicators after analyzing the nephograms of the temperature and concentration with the cofferdam as the center in the simulation of the charging-discharging pipelines with leak amount of 1.0 h. Thus, the facilities should be of good anti-freezing property and personnel should evacuate quickly at the alerting low temperature; within the scope of the alerting fire source, various types of fire sources should be strictly controlled and electrical equipment should be explosion-proof.

LNG storage tank; leak; safety distance

2016-11-22

刘常利(1984— )，男，天津人，助理工程师。

D631.6

A

1008-2077(2017)04-0014-04