LNG储罐泄漏数值模拟

宁浩淼 叶继红

（浙江海洋大学石油化工与环境学院，浙江 舟山 316022）

0 引言

能源是一个国家赖以生存的命脉，作为当今世界上公认的最洁净能源之一的天然气，它的使用对减少环境污染、提高空气质量有相当重要的作用。天然气产生于油田、煤田和沼泽地带，是一种无色、无味、无毒且无腐蚀性的可燃气体，主要成分为甲烷，燃烧产物主要为二氧化碳和水。天然气本身虽然无毒无害，但是LNG储存在-162℃以下的低温储罐中，LNG储罐泄漏会形成低温蒸汽，对人员造成低温冻伤及缺氧等后果［1］，泄漏的LNG会对人体造成窒息伤害，因此发生LNG泄漏时应立即组织人员紧急疏散。泄漏的LNG如果碰到点火源则会引发火灾爆炸事故，发生爆炸的情况下没有时间疏散，应采取保护墙等安全措施。本研究探讨了LNG泄漏扩散和LNG泄漏蒸汽云爆炸的紧急疏散。

1 研究模型和理论模型

目前常用于LNG泄漏扩散的模型有：箱及相似模型、经验模型、CFD模型［2-3］等，其中基于N-S方程的CFD模型被视为研究LNG泄漏扩散模拟的最好工具，目前常用的CFD模型有FLCAS、CFX、FLUENT。本文选取FLUENT对LNG泄漏扩散进行模拟。

1.1 模型建立

某大型石化基地储罐区LNG储罐容积为5 000 m3，储罐为地面式平底圆筒形双层金属单容罐，内罐用来存储LNG，外罐仅用来承装保冷材料和闪蒸气体，内外罐均为平底，圆筒形金属储罐。内罐公称直径为20 m，筒体高度为16 m，外罐公称直径为22.3 m，筒体高度为18.3 m，内筒璧与外筒璧之间用膨胀珍珠岩填充绝热。对储罐进行建模时，由于储罐拱顶弧度对计算结果的影响作用可以忽略不计，将储罐模型简化为底面半径11.2 m，高度18.3 m的标准圆柱体。为了模拟LNG泄漏的不利情况，将泄漏孔直径定为0.05 m，为观察LNG扩散情况，将泄漏位置定在储罐背风中心距离地面7 m处。

储罐位于完全开放的大气环境中，为了便于研究，选取储罐以及储罐周围的风场来设置计算流域，而计算域设置过小的话，储罐作为风场中的阻塞物会对周围风场的流动造成影响，这样模拟出来的结果不够准确。阻塞物的阻塞率不大于3%时，计算流域的边界对阻塞物附近的流动状况的影响可以忽略不计。阻塞率 定义为：

式中，Ab为阻塞物最大迎风面积，m2；Ad为计算流域横截面积，m2。

计算流域尺寸设置过大的话，网格数量会呈指数增长，数量过多，增加了计算量，也增长了计算时间。根据阻塞率原则计算出最小计算流域尺寸，经过多次调整，最终确定的计算流域尺寸为600 m（L）×250 m（B）×100 m（H）。LNG储罐的几何模型和计算流域设置如图1所示。

图1 LNG储罐几何模型及计算流域

1.2 源强计算

当LNG储罐泄漏口面积远小于LNG液面积时，泄漏不会引起LNG液面明显下降，这时泄漏源强为连续源强。泄漏源强计算公式由伯努利方程［4］推导得到：

式中，Chole为泄漏口的流量系数；Ahole为泄漏口的流通面积，m2；PT为LNG储罐液面上方的压力，Pa；Patm为大气压力，101325Pa；L为LNG液体密度，kg/m3；H为LNG液面距离泄漏孔中心距离，m；Q为LNG液体泄漏率，kg/s。

1.3 流体运动的流动模型

流体运动都要遵从三大基本物理守恒定律，基本守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律。

天然气泄漏过程复杂，湍动性强，其扩散过程为复杂的非稳态湍流流动，采用标准湍流模型对其进行描述。湍流运动方程为：

2 结果与分析

2.1 风对LNG气云扩散的影响

风对LNG泄漏扩散产生的影响较为明显，一方面LNG气云在风的平流输送作用下会向远处运动，另一方面风对LNG气云起到稀释作用，有助于高浓度LNG气云的扩散。通常天然气的爆炸上限（UFL）为15%，爆炸下限（LFL）为5%，安全区域分界线为1/2LFL。根据气象厅数据，将环境风速定为3、5、7 m/s等3种情况。泄漏速率定为10kg/s。

风速为3m/s时，LNG泄漏扩散的影响区域如图2所示。

图2 风速为3m/s时LNG扩散范围示意

风速为5m/s时，LNG泄漏扩散的影响区域如图3所示。

图3 风速为5m/s时LNG扩散范围示意

风速为7m/s时，LNG泄漏扩散的影响区域如图4所示。

图4 风速为7m/s时LNG扩散范围示意

不同风速下LNG气云到达下风向最远距离和侧风向最远距离如表1所示。

表1 不同环境风速条件下LNG气云扩散距离

LNG的泄漏与扩散达到平衡时，气云分布不再出现大幅度变化，基本趋于稳定，图2—图4以及表1显示，风速为3 m/s时，1/2 LFL气云浓度能达到的下风向最远距离为387 m；风速为5 m/s时，1/2 LFL气云浓度能达到的下风向最远距离为289 m；风速为7 m/s时，1/2 LFL气云浓度能达到的下风向最远距离为221 m。结果表明1/2 LFL浓度气云到达下风向最远距离随风速增大而减小。

2.2 泄漏速度对LNG气云扩散的影响

描述泄漏源状况的特征量有泄漏率（由泄漏孔径、液位高度等决定）、泄漏源高度、泄漏形式（瞬时泄漏或连续泄漏）等，对于应急防控来说，泄漏率是最关键的，选取泄漏率10、30、50 kg/s等3种情况进行仿真。环境风速设定为3 m/s。

泄漏速率分别为10、30、50 kg/s时，LNG泄漏的气云扩散分布如图5—图7所示。

图5 泄漏速率为10 kg/s时LNG扩散范围示意

图7 泄漏速率为50 kg/s时LNG扩散范围示意

不同泄漏速率时LNG气云到达下风向最远距离和侧风向最远距离如表2所示。

图6 泄漏速率为30 kg/s时LNG扩散范围示意

表2 不同泄漏速率下LNG气云扩散距离

从图5—图7以及表2显示，泄漏速率为10 kg/s时，1/2 LFL气云浓度能达到的下风向最远距离为387 m；泄漏速率为30 kg/s时，1/2 LFL气云浓度能达到的下风向最远距离为456 m；泄漏速率为50 kg/s时，1/2 LFL气云浓度能达到的下风向最远距离为525 m。结果表明，1/2 LFL气云浓度能达到的下风向最远距离随着泄漏速率的增大而增大。

3 结论

通过对LNG储罐泄漏进行数值模拟风速和泄漏速率进行变量控制，本研究主要得出以下结论：风能有效促进气云的扩散，在LNG泄漏及扩散达到稳定之前，风速越大，UFL气云到达下风向距离越短，1/2 LFL气云到达下风向距离越短。泄漏速率越大，1/2 LFL气云浓度扩散区域逐渐增大。

在发生LNG泄漏时，一经发现人员应立即向空旷且空气流速快的地方疏散，且向LNG泄漏扩散方向的侧风向疏散。