水幕抑制泄漏液化天然气扩散模拟试验研究

，，

(江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 南京 210036)

液化天然气(LNG)由于其能量密度高和燃烧产物清洁无污染的优势，近年来的使用越来越广泛，全国各地的LNG储罐数量也越来越多。LNG主要成分为甲烷，甲烷在空气中的爆炸极限为5%～15%，天然气的热值高，爆炸威力大，因此一旦因设备损坏或者操作失误等导致泄漏，很容易造成严重事故和后果。同时，由于其储存温度低，泄漏后遇空气易气化形成蒸气云团积聚在地面附近，具有很高的危险性[1-3]。工业应用和研究已经证明，水幕可以用于可燃气体在意外泄漏后的稀释，可以防止泄漏的可燃性气体处于爆炸极限，降低可燃气体泄漏的燃烧爆炸风险[4-9]。

乐涛涛等[10]设计实验研究了在受限空间下水幕对重气扩散的稀释阻挡效果，并分析了水幕对重气扩散的稀释阻挡机制。潘旭海等[11]使用DEGADIS模型模拟了环境条件对LNG泄漏扩散的影响，得出LNG泄漏后果严重度随大气稳定度等级增加而增加的结论。Rana等[6-7]设计实验研究了锥形水幕和扇形水幕在向上喷射时不同水幕参数对LNG 蒸气泄漏扩散稀释阻隔效果的影响，得出并提出2种水幕对LNG 蒸气泄漏扩散稀释的机制。Kim等[12]使用ANSYS Fluent 12.1建立了向上喷射全锥面水幕强迫LNG蒸气云扩散的欧拉-拉格朗日模型，提出水幕在稀释阻隔LNG 蒸气云时各种因素所起的作用，并设计实验对模型的推测结果进行了验证。由于LNG泄漏状况受多种条件影响，且水幕防护LNG泄漏受到多种环境变量影响，难以得出通用的水幕防护参数[13-15]。

目前水幕阻隔LNG重气云扩散研究以向上喷射的水幕的防护效果为主，有关向下喷射水幕对LNG泄漏防护的研究较少，缺少可供参考的向下喷射水幕在防护LNG泄漏情况下的水幕参数,文中对此展开试验研究。

1 LNG泄漏扩散及水幕抑制试验

1.1 试验介质

LNG泄漏产生的蒸气云团易燃、易爆，直接使用LNG进行泄漏扩散试验危险性非常大。氮气无色、无味、无腐蚀性且不燃，微溶于水，与天然气分子量相近，液氮泄漏时形成的重气云沿着地面扩散形式与LNG泄漏时形成的重气云沿地面扩散形式非常相似，是较为理想的LNG试验替代物。文中以液氮为试验介质，近似模拟LNG的试验效果。

1.2 试验装置

1.2.1试验平台系统组成[16]

水幕防护LNG泄漏试验平台构成见图1。此试验平台包括4个组成部分，分别是模拟储罐泄漏系统、水幕系统、影像采集系统和数据采集系统。图中1、2、3、4、5为x方向上等间距(0.1 m)放置的5个检测仪。

图1 水幕防护LNG泄漏试验平台示图

1.2.2模拟储罐泄漏系统

模拟储罐泄漏系统的主体装置为液氮罐。液氮罐体积30 L，型号为YDZ-30，外接输送管。输送管采用金属软管制作，软管内径5.2 mm，外部有橡塑材料保温覆层。整个试验过程中，保持泄漏量和泄漏口高度不变，泄漏量为0.5 L/min,泄漏口距离地面高度为0.2 m。

1.2.3水幕系统装置设计

水幕系统装置实物图见图2。图2中，水幕系统管路呈正方形，由8个喷嘴围成。喷嘴共有2种类型，分别为扇形喷嘴和实心锥形喷嘴。扇形喷嘴的喷射角度为110°，喷孔直径为0.66 mm,接口内径为8 mm；实心锥形喷嘴的喷射角度为60°，喷孔直径为1.0 mm,接口内径为8 mm。水幕系统装置管路接入高压水源，自上向下喷淋，水流量控制为8 L/min。

图2 水幕系统装置

试验中，水幕喷淋高度可调，水幕与泄漏源的间距可调。水幕喷淋高度选项设置为0.5 m、0.6 m、0.7 m，水幕与泄漏源的间距选项设置为0.25 m、0.30 m、0.35 m、0.40 m。通过控制水幕高度这一单一变量试验验证最佳水幕高度，通过控制水幕距离这一单一变量试验验证最佳水幕距离。

1.2.4数据采集系统

在泄漏源到水幕的距离方向上设置5个氧气体积分数监测点，在距离泄漏源0.1～0.5 m处按顺序放置1号～5号检测仪，相邻检测仪间距0.1 m，测量高度均为0.2 m。

将采集到的环境氧气体积分数数据输入计算机，计算机将5个监测点的环境氧气体积分数换算成环境氮气体积分数，并且计算出环境氮气体积分数的变化量。

1.3 试验方案

设置5组试验用于探究水幕架设高度、水幕与泄漏源距离、水幕形状以及环境风速等变量对水幕抑制LNG扩散防护效果的影响，试验方案设计参数见表1。

表1 水幕防护LNG泄漏试验方案设计参数 mm

2 LNG泄漏扩散及水幕抑制试验结果及分析

2.1 无水幕空白试验

2.1.1试验现象分析

不设水幕，同时保持无环境风进行空白试验，现场效果见图3。从图3可以观察到，液氮泄漏后会沿着管内液体流动方向继续向前扩散，同时向下扩散，形成的蒸气云扩散得越远就越靠近地面，接触到地面后会沿着地面向更远处继续蔓延扩散，这与文献[13]所述的LNG蒸气云重气扩散阶段相似。

图3 无水幕空白试验现场效果图

2.1.2试验数据分析

根据无水幕空白试验得到的泄漏气体体积分数分布见图4。

图4 无水幕空白试验泄漏气体体积分数分布

从图4可看出，氮气体积分数随着蒸气云到氮气泄漏口距离的增大而减小。位置越靠近泄漏口，氮气的体积分数就越大；随着扩散距离的增大，远处的氮气由于重气效应下沉，同时气体向四周扩散，同一高度同一水平线上检测点的氮气体积分数随距离增大而减小。

2.2 水幕架设高度影响试验

2.2.1试验现象分析

改变水幕架设高度进行试验，现场效果见图5。试验中无环境风，泄漏源距离地面高度为0.2 m，水幕距离泄漏源0.25 m。

图5 水幕架设高度影响试验试现场效果图

由图5a可以观察到，扁平扇形水幕直接与蒸气云接触，水幕构成的屏障与蒸气云接触形成了一道清晰可见的分隔界面。分析认为，氮气是难溶于水的气体，因此水幕无法将其吸收，更多的是依靠自身形成的屏障阻止蒸气云向外扩散，无法向外扩散的蒸气云只能沿着垂直地面的水幕向上或向下扩散。水幕高度有限，下落至地面时二者接触产生的动量较小，同时水幕与泄漏源较近，无法将周围空气向上卷起在水幕内部形成湍流，因此无法形成改变蒸气云扩散方向的效果。

由图5b可以观察到的现象与图5a观察到的现象类似，扇形水幕成的紧密屏障阻隔了液氮泄漏产生的不溶性蒸气云，抑制了蒸气云继续向前扩散，其在地面附近形成的空气湍流仍然不足以使得重气云团形成固定的扩散路径。通过综合分析认为，构想通过水幕与地面接触形成向上的气流将蒸气云抬起从而改变其扩散方向，还需进一步提高水幕架设高度才能够实现。

从图5c中可以观察到，液氮泄漏形成的蒸气云不是直线扩散到并且直接与水幕相撞，而是在扩散了一小段距离后才被水幕内部的空气湍流扰乱并稀释，向上的空气气流将蒸气云抬升，使其扩散方向发生改变。这说明0.7 m高的水幕下落后有足够的动量使其在与地面接触后将周围空气卷起，形成向上的空气湍流，带动蒸气云改变扩散方向，抑制蒸气云沿地面的重气扩散，加速空气与蒸气云混合，稀释水幕内部的气体云团。

2.2.2试验数据分析

根据水幕架设高度试验数据得到的泄漏气体体积分数分布见图6。

图6 水幕架设高度影响试验泄漏气体体积分数分布

从图6可以看出，3种架设高度的水幕对泄漏气体的扩散都具有一定的抑制效果，0.6 m和0.7 m架设高度的水幕作用效果比0.5 m架设高度的水幕更明显。水幕架设高度为0.7 m时，氮气体积分数下降最快，距离泄漏口越远氮气体积分数降低的趋势越平缓，这种效果得益于水幕内部产生的空气湍流改变了氮气蒸气云的扩散路线，使其从直线扩散改变为曲线向上扩散，减少了蒸气云与水幕的直接接触。当水幕架设高度为0.5 m时，5个检测点的氮气体积分数都比较高，说明0.5 m架设高度的水幕抑制效果并不理想。当水幕架设高度为0.6 m时，5个检测点的数据表明其抑制效果没有0.7 m架设高度水幕的好，试验中也没有观察到重气形成明显的上升湍流，说明0.6 m架设高度的水幕也能产生空气流动，但效果不明显。

2.2.3试验综合分析

结合图5和图6，综合分析水幕架设高度与泄漏气体扩散抑制效果之间的关系，形成的研究结论为，采用向下喷射水幕抑制泄漏气体的扩散，水幕的架设高度宜不小于泄漏源距离地面高度的3倍。

2.3 水幕与泄漏源距离影响试验[17]

2.3.1试验现象分析

改变水幕到氮气泄漏源的距离进行试验，现场效果见图7。试验中无环境风，水幕架设高度为0.5 m。

图7 水幕与泄漏源距离影响试验现场效果图

由图7a可以观察到，泄漏生成的蒸气云团直接与水幕相撞，一部分云团穿过水幕向外扩散，还可以观察到垂直水幕阻隔蒸气云向外扩散形成的分界线，在分界线处被阻隔的蒸气云无法直接通过改向上或向下扩散，分界线外的蒸气云沿地面扩散。

由图7b和图7c都可以观察到，自上向下的水幕与地面接触时产生的机械效应将空气卷起，产生向上流动的气流在水幕内部扰乱氮气蒸气云的扩散，在水幕内部将泄漏气体向上抬升，改变泄漏蒸气扩散方向，更好地稀释泄漏气体，避免了云团积聚而浓度过高。

对比由图7a、图7b和图7c观察到的现象可知，水幕距离泄漏源0.3 m时，蒸气云抬升的倾角小于距离泄漏源0.35 m的水幕，但相对于距离泄漏源0.25 m水幕的稀释效果有明显提升。

2.3.2试验数据分析

根据水幕与泄漏源距离影响试验得到的泄漏气体体积分数分布见图8。

图8 水幕与泄漏源距离影响试验泄漏气体体积分数分布

由图8可以知道，水幕距离泄漏源0.25 m时，氮气体积分数明显高于水幕距离泄漏源0.3 m和0.35 m时的数据，这是因为水幕距离泄漏源较近时，地面附近空气流动较小，不利于稀释扩散泄漏产生的蒸气云。水幕与泄漏源距离0.3 m和0.35 m时，抑制效果基本相当，泄漏气体体积分数都处于一个较小的数值区间。

研究图8中水幕距离泄漏源0.35 m数据曲线发现，从距离泄漏源0.5 m位置读取的对应泄漏气体体积分数基本与环境空气的气体组成相当，这种结果可以解释为水幕架设在与泄漏源距离0.35 m的位置时对氮气的稀释效果最好，同时这种解释并不排除水幕架设高度改变氮气蒸气云团扩散方向，使之呈现出向上扩散趋势所起到的有益作用。

2.3.3综合分析

结合图7和图8，综合分析水幕与泄漏源距离与泄漏气体扩散抑制效果之间的关系，形成的研究结论为，要使水幕对LNG蒸气云产生良好的稀释效果，则水幕与泄漏源的距离不可太近。本试验中水幕距离泄漏源0.35 m时的稀释效果就十分明显，可以作为水幕防护系统设计的参考。

2.4 水幕形状影响试验

2.4.1试验现象分析

改变水幕形状进行试验，现场效果见图9。试验中无环境风，水幕与泄漏源的距离设为0.25 m，水幕高度为0.5 m，扇形喷嘴的喷淋水幕形状是110°的扁平扇形，实心锥形的喷淋水幕形状是60°的倒锥形。

图9 水幕形状影响试验现场效果图

观察并对比图9a和图9b可知，在相同的喷嘴间隔条件下，锥形水幕的喷淋角度较小(只有60°)，上方的水幕之间的空隙较大，蒸气云易从中穿过，这个缺点使锥形水幕的防护效果大打折扣。但锥形水幕在距离泄漏源较近时产生的圆锥形水雾直接与蒸气云接触，可以提高低温蒸气云的热交换速度，云团温度上升可以减少处于重气扩散的阶段，减小地面气体的体积分数。当锥形水幕与泄漏源的距离较远无法直接接触泄漏扩散的蒸气云时，其效果则没有在水幕内部产生空气湍流的扇形水幕好。

水幕形状影响试验还发现，使用相同数量的喷嘴时，扇形水幕比锥形水幕的覆盖面积大，喷淋角度较小的锥形水幕之间的间隔较大，不利于蒸气云的阻隔。从相同高度向下喷淋时，由于锥形水幕是扩散型的水滴，靠近地面处的水幕强度并不大，因而当水流量不足时，锥形水幕的密度不够大，易被蒸气云团穿透。同时锥形水幕与地面接触时无法产生如扇形水幕那样的向上气流，因此在自上向下喷淋时锥形水幕比扇形水幕的效果差。

2.4.2试验数据分析

根据水幕形状影响试验得到的泄漏气体体积分数分布见图10。

图10 水幕形状影响试验泄漏气体体积分数分布

图10表明，氮气在扇形水幕内外的体积分数均低于锥型水幕的。结合图9的试验现象分析可知，扇形水幕和实心锥形水幕在距离泄漏源0.25 m时，扇形水幕覆盖面积大，产生的空气湍流可以改变蒸气云的扩散方向，稀释地面重气云浓度，效果好于锥形水幕。

2.5 环境风速影响试验[18]

2.5.1试验现象分析

改变环境风速进行试验，现场效果见图11～图13。试验中，水幕与泄漏源的距离设置为0.25 m，水幕架设高度为0.5 m，水体积流量8 L/min，水幕形状为扇形。

图11 无环境风影响水幕试验现场效果图

图12 风速0.5 m/s水幕试验现场效果图

从图12可看到，0.5 m/s的风速影响有限，仅对泄漏口处的蒸气云扩散有一定的影响。

从图13可以看到，风速达到1 m/s时，环境风透过水幕，与水幕的机械效应产生的微小气流混合在水幕内部形成空气湍流，加快泄漏口形成的蒸气云扩散，向外扩散的蒸气云被气流扰乱稀释，密度减小的蒸气云在空气湍流作用下向上漂浮扩散，阻止了重气云沿地面扩散的趋势，且空气湍流使得蒸气云与周围空气的热交换加剧，从而使得蒸气云温度上升，密度下降，浓度降低[19]。

2.5.2试验数据分析

根据环境风速影响试验得到的泄漏气体体积分数分布见图14。

图14 环境风速影响试验泄漏气体体积分数分布

对比图14中各条曲线上距离泄漏口0.1 m位置的体积分数可知，风速越大，泄漏口处的蒸气云气体体积分数越小。对比图14中各条曲线上距离泄漏口0.4 m位置对应的泄漏气体体积分数可知，1 m/s的风速在水幕内部产生空气湍流，改变了蒸气云的扩散方向，降低穿过水幕的气体量，可以起到很好的稀释作用。

3 结语

采用液氮替代LNG进行模拟试验，研究水幕对LNG泄漏扩散的抑制效果。在文中试验条件下，形成如下研究认识。

(1)自上向下喷淋时，扇形水幕与地面接触带来的机械效应在方形水幕内部会产生向上的气流，可以改变蒸气云团扩散的轨迹，从水平扩散变为向上扩散，可以更好地稀释储罐周围积聚的蒸气云团。

(2)架设高度为0.7 m的水幕带来的机械效应可以更好地稀释液氮泄漏产生的重气云团，避免因水幕阻隔而大量积聚在储罐周围。水幕架设高度为泄漏源高度的3倍以上时，效果更佳。

(3)水幕与泄漏源的距离不宜太近，0.35 m的距离可以获得明显的扩散蒸气稀释效果。

(4)对大面积蒸气云团的沿地面扩散，扇形水幕的抑制效果较实心锥形水幕的好。

(5)环境风速小于1 m/s时对水幕抑制重气云扩散的效果影响不大。而风速达到1 m/s时，环境风透过水幕在水幕内部形成空气湍流，加快泄漏口处形成的蒸气云扩散，向外扩散的蒸气云被气流扰乱稀释，阻碍了重气云沿地面扩散的趋势。