基于FLACS的LNG船舶泄漏爆炸过程数值模拟研究*

徐大用，蒋会春，沈赣苏，习树峰，张礼敬，潘旭海

(1.南京工业大学 安全科学与工程学院，江苏 南京 211800；2.深圳市城市公共安全技术研究院有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

近年来，液化天然气(LNG)作为1种高效安全、环境友好型清洁能源，在改善全球能源消费结构的过程中起到关键性作用[1-3]。随着全球LNG产量持续增长，我国的LNG资源需求日益增长，提升国内天然气调峰储备能力变得至关重要，LNG接收站和LNG船舶的数量和规模不断扩大，LNG海上运输的频次随之增加[4-6]。但是，LNG全球化、规模化的同时，带来了不可忽视的安全风险，尤其是LNG船舶靠离泊、装卸货作业过程中的碰撞、泄漏、火灾、爆炸等事故风险，多元风险交织，潜在事故发生可能性较高[7-8]。

针对LNG船舶靠离泊、装卸货作业过程中的复杂安全风险问题，于文杰[9]基于模糊故障树分析法分析LNG船舶装卸货风险；王海东等[10]基于情景构建理论分析LNG船舶碰撞发生LNG泄漏、火灾、爆炸的危险性；郑晓云等[11]采用PHAST软件定量计算浮式LNG平台串靠卸载时的LNG泄漏事故后果；郑庆功等[12]采用Fluidyn软件数值模拟内河LNG动力船机舱LNG泄漏过程和爆炸过程，并评估事故造成的人员损伤后果。但是，目前的研究鲜有考虑环境气象、地形建筑等因素对事故演变过程的影响，尤其是在环境复杂、障碍物多的大型港口区域，需借助专业数值仿真软件和建模工具。刘自亮等[13]采用计算流体力学FLACS软件模拟研究泄漏孔径、泄漏时长、输氢压力和环境风速对埋地输氢管道泄漏爆炸后果的影响规律；周沈楠等[14]利用FLACS软件模拟研究风场、建筑物对化工园区公共管廊内丙烯和氢气管道泄漏爆炸后果的影响。

本文构建某LNG接收站的实景化三维场景模型，选用FLACS软件数值模拟LNG船舶卸货作业过程中发生泄漏爆炸事故，可视化事故演化过程，量化评估事故后果，为提升LNG船舶卸货作业安全风险防控和事故应对能力提供科学依据。

1 数值模拟

1.1 情景设计

模拟选取LNG船舶卸货作业过程中发生泄漏爆炸事故作为研究对象，并作如下情景假定：1艘满载90 000 m3LNG船舶正在进行卸货作业，同时1艘满载50 000 t液化石油气(LPG)船舶正在靠泊作业，突然卸料臂与LNG船对接法兰面完全拉断发生LNG泄漏。由于船上的ESD系统因不明原因失效，LNG在对接法兰面以7 500 m3/h速率持续泄漏；岸上ESD系统迅速关断，卸料臂内LNG泄漏量忽略不计；5 min后船上人为停泵关阀，泄漏中止。

1.2 模型构建

场景模型包括90 000 m3LNG和50 000 t LPG船舶各1艘、接收站(含码头)4座、邻近社区2个、高速公路高架桥1座、周边山体及海洋，区域面积20.5 km2、净高0.5 km，模型如图1所示。其中，地形导入模型1个、构筑物模型203 932个，其他模型(树木群)408 808个，共计612 740个模型。

图1 场景模型

1.3 数学模型

天然气的扩散过程遵守质量守恒定律、能量守恒定律、动量守恒定律、组分传输模型、源项模型、JET射流模型、壁面方程、状态方程、可压求解方程、湍流模型等。预混可燃气云被点燃后可能会升级为爆炸，在升级为爆炸之前，燃料与空气以相对稳定的非湍流预混，层流燃烧速率如式(1)所示:

(1)

爆炸过程中，火焰会加速为湍流，湍流燃烧速率远低于层流。在实际工业应用中，与网格尺寸相比，预混火焰的反应区域更薄，因此需要对火焰进行模型化处理，在FLACS中，通过给扩散系数增加β和反应速率系数减小1/β来加厚火焰区域，因此FLACS中的火焰模型也称之为β模型[15]。

模型中燃料扩散系数D如式(2)所示:

(2)

式中：D为燃料扩散系数，m2/s；μeff为有效黏度，Pa·s；σeff为燃料的应力张量，N/m2。

β模型进一步定义了无量纲燃烧速率W，并且对W和扩散系数D进行了校正。模型中燃料的反应速率Rfuel如式(3)所示:

Rfuel=-W*ρmin(δH(χ-χq),χ,9-9χ)

(3)

式中：Rfuel为燃料的反应速率，kg/(m3·s)；W*为β模型中修正的无量纲燃烧速率；ρmin为最小密度，kg/m3；δH为单位阶跃函数；χ为燃料燃烧的过程变量；χq为χ的淬熄极限。

当χq=0.05时，W与D之间关系如式(4)所示：

WD=1.37Su2=W*D*

(4)

式中：W为无量纲燃烧速率；D为燃料扩散系数，m2/s；Su为燃烧速率，m/s；W*为β模型中修正的无量纲燃烧速率；D*为β模型中修正的扩散系数，m/s2。

层流燃烧速率由燃料类型、燃料与空气混合情况和压强决定，与压强P相关的层流燃烧速率SL关系表达式如式(5)所示:

(5)

式中：SL为层流燃烧速率，m/s；P为表压，Pa；P0为空气压强，Pa；γP为燃料的固有参数。

准层流燃烧阶段的湍流燃烧速率SQL如式(6)所示:

(6)

式中：SQL为湍流燃烧速率，m/s；SL为层流燃烧速率，m/s；R为火焰半径，m；χmin为χ的最小值。

湍流阶段的湍流燃烧速率ST表达式如式(7)所示:

(7)

式中：ST为湍流燃烧速率，m/s；SL为层流燃烧速率，m/s；u′为速度均方根，m/s；K为伸展因子，计算表达式如式(8)所示：

(8)

式中：RT为湍流雷诺数；u′为速度均方根，m/s；SL为层流燃烧速率，m/s。

当运动黏度v为常数时，FLACS根据式(9)的原则来选择燃烧速率：

Su=max(SQL,ST)

(9)

1.4 网格划分

在完成区域场景模型构建之后，需根据模拟计算的要求划分网格。FLACS软件在结构笛卡尔网格上求解，为最大程度地提高计算精度，同时兼顾计算效率，以LNG泄漏点为中心划分内核心区、外核心区、非核心区和其他区域等4种尺寸网格，各计算区之间用1.2倍系数作平滑过渡。其中，内核心区的网格精度最高，尺寸设置为1.0 m×1.0 m×0.5 m；外核心区的网格精度次之，尺寸设置为5.0 m×5.0 m×1.0 m；非核心区和其他区域的网格精度较低，网格尺寸分别设置为10.0 m×10.0 m×5.0 m和20.0 m×20.0 m×10.0 m。网格总数为26 786 968个。

1.5 参数设置

泄漏物质为LNG，是以甲烷为主要组份的烃类混合物。在模拟中，组份设置为97.032 mol%甲烷、2.014 mol%乙烷、0.346 mol%丙烷、0.07 mol%异丁烷、0.078 mol%正丁烷、0.002 mol%异戊烷、0.002 mol%正戊烷、0.451 mol%氮及0.000 35 mol%硫化氢。环境参数设置为：大气温度15.4 ℃，海水温度16.3 ℃，东南风向1 m/s，大气稳定度F，太阳辐射739 W/m2，初始湍流强度0.1，湍流长度尺度0.01，地面粗糙度0.01 m。

1.6 监测点设置

针对关键防护目标，设置3类爆炸超压监测点，如图2所示。1类监测点为高速公路高架桥(3个监测点)，2类监测点为接收站(4个监测点)，3类监测点为周边建筑物(3个监测点)。

图2 监测点设置

2 结果与讨论

2.1 扩散过程模拟分析

模拟中，选用FLACS软件的“Pool Model 3”模型模拟LNG泄漏扩展和蒸发扩散的动态过程。

2.1.1 液池扩展过程

LNG液池扩展过程模拟结果如图3所示，当LNG从法兰面泄漏后，首先在70 m3积液池内形成小型液池。LNG在满输压力下向前喷射，一部分LNG在喷射过程中发生汽化，另一部分LNG仍以液态形式喷射至卸货平台及海面上，并形成液池向四周流淌扩展。液池扩展过程中，由于LNG与海水热交换，LNG大量汽化，使得液池面积呈先扩大、后缩小的变化趋势，且扩展过程中液池厚度逐渐变薄。模拟621 s时，海面上的LNG液池面积达到最大17 047 m2；至1 200 s时，海面上的LNG液池已不可见，即泄漏出来的LNG完全汽化。

图3 液池扩展过程

2.1.2 蒸气扩散过程

当LNG从卸料臂与船对接法兰面泄漏到环境中，LNG在海面及海面上空大量汽化，蒸气与空气剧烈混合形成可燃气云。可燃蒸气在水平方向上的扩散过程模拟结果如图4所示，可燃蒸气在垂直方向上的扩散过程模拟结果如图5所示。为便于区分，将蒸气浓度划分为10个区间。

图4 气云水平扩散过程

图5 模拟1 200 s时气云垂直分布

LNG蒸发过程中，总体汽化速率呈先增后降的变化趋势，在410 s时达到最大汽化速率350 kg/m3。由图4可知，由于LNG/LPG船舶及栈桥码头等障碍物影响，可燃气云绕障碍物扩散现象明显[15]，使得可燃气云在水平方向上的扩散区域总体呈哑铃状，随着时间推移在LPG栈桥与成品油栈桥中间海域发生气云重叠现象。模拟900 s时，可燃气云向北到达海岸线，并在海岸及高架桥下方区域不断积聚；至1 200 s时，可燃气云完全覆盖LNG/LPG船舶、LNG/LPG/成品油栈桥。LNG在超低温(-162 ℃)条件下泄漏，在空气中快速相变，汽化产生的气体密度约为空气密度的1.5倍，低温的重气云团将会发生重力沉降。同时，由于大气湍流将空气卷吸进入云团内部，低温重气云团会被加热，向正浮性气体扩散转变。图5为模拟1 200 s时不同高度的可燃气云剖面图，可以发现可燃气云主要集中在海面上方0.5 m高度处，但大部分区域的气云浓度低于爆炸下限。当提升剖面高度，可燃气云分布区域大幅减小；至剖面高度2.0 m时，可燃气云几乎不可见。

2.1.3 气云温度分布

LNG蒸发扩散过程中的温度变化情况如图6所示，将LNG沸点(-162 ℃)～海水温度(16.3 ℃)范围内的温度划分为10个区间，并以不同颜色区分。由图6可知，LNG蒸气与空气混合形成可燃气云，气云温度由内向外呈温度升高趋势，气云中心区域温度最低，接近泄漏温度(-162 ℃)，该区域气云浓度最高，局部形成超低温环境；随着LNG蒸气与空气边扩散边混合，气云温度逐渐变高，直至边缘温度等于大气温度。

图6 气云温度分布

2.2 爆炸过程模拟分析

选用FLACS软件的“Gas explosion(DDT)”模型模拟LNG蒸气云爆炸的动态过程。假设可燃气云在LNG卸货平台处因不明火源被点爆，发生气云爆炸，整个爆炸过程持续12 s，如图7所示。至模拟结束，爆炸形成火球高度约340 m。

图7 气云爆炸三维过程

LNG蒸气云爆炸火焰阵面压力随时间变化曲线如图8所示。爆炸压力呈梯度式增长，最高压力约为250 kPa。首先是LNG蒸气云一次爆炸阶段，压力曲线呈锋形，压力在0.38 s内迅速攀升至68 kPa，随后降至约3 kPa。随后发生二次爆炸，压力在1.5 s内升至约100 kPa。二次爆炸之后，在极短时间内(约1 s)发生了三次爆炸，压力值骤升至约250 kPa，并维持该压力至模拟结束(12 s)。

图8 不同时刻火焰阵面压力变化曲线

2.3 爆炸后果分析

2.3.1 人员伤害后果

依据《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046—2013)中爆炸超压对人员伤害的阈值范围，划分轻伤区(2 kPa≤超压<10 kPa)、重伤区(10 kPa≤超压<30 kPa)和死亡区(超压≥30 kPa)，如图9所示。爆炸形成半径380 m轻伤区，该范围内栈桥及海上救援人员将受到轻伤；爆炸形成半径150 m重伤区，该范围内LPG船及卸货平台、LNG船及LNG码头紧急疏散集合点、相邻栈桥等区域的人员将受到重伤；爆炸形成半径60 m死亡区，该范围内LNG卸货平台、LPG码头紧急疏散集合点等区域的人员死亡概率100%。

图9 爆炸超压对人员伤害分布

2.3.2 建构筑物损坏后果

依据《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046—2013)中爆炸超压结构破坏阈值划分建构筑物损伤范围，如图10所示。爆炸造成半径90 m范围内的LNG船及卸货平台、LPG船及卸货平台、相邻栈桥管线的结构严重破坏，可能导致LPG船甲板悬挂敷设的输送管线、正在卸货作业的LPG卸料臂及输送管线破裂发生物料泄漏，扩大事故后果。爆炸造成半径550 m范围内栈桥、泊位等建构筑物不同程度的结构损坏，几乎不会对接收站的储罐、充装区、办公楼等关键防护目标造成超压破坏。各监测点的压力变化情况如图11所示，瞬时压力随爆炸进行而逐渐降低，最高压力(约1.8 kPa)出现在邻近的成品油码头监测点，其次是高速公路高架桥监测点。除邻近的成品油码头监测点外，其余监测点的压力均低于1 kPa，即LNG蒸气云爆炸几乎不会对监测目标造成损坏。

图10 爆炸超压对建构筑物伤害分布

图11 各监测点压力变化曲线

3 结论

1)LNG卸料臂以满输速率持续泄漏5 min情景下，形成的最大液池面积17 047 m2，最大汽化速率350 kg/m3。

2)LNG蒸气云爆炸产生最大超压0.25 MPa，形成半径380 m轻伤区、150 m重伤区和60 m死亡区，该预测结果可以指导LNG事故现场区域划分和人员应急疏散规划。

3)LNG蒸气云爆炸产生超压可能造成半径90 m范围内输送管线结构严重破坏导致物料泄漏，引发二次爆炸扩大事故后果。