液化天然气运输过程瞬态泄漏扩散仿真

李迓红,朱玉琴

(西安石油大学化学化工学院,陕西 西安 710065)

1 引言

现阶段,煤炭、石油等能源已经难以满足社会经济发展需求,液化天然气作为清洁能源引起人们广泛关注,进入发展的黄金时期[1]。液化天然气属于一种低温液体,蒸发后变为易燃易爆气体,如果出现泄漏,将对周围人员和建筑环境带来以下危害:低温危害,液化气在运输过程中的保存温度为-162℃,若出现泄露,和室外温差相差很多,会形成沸腾蒸发现象,吸取环境中的热量,降低周边温度,导致人员冻伤,更为严重的是若喷溅到碳钢设备上,会使设备断裂,造成二次伤害;易燃易爆,液化气泄露后会快速变换为气态,在大气中漂移,当浓度达到一定范围后,遇到明火会发生燃烧,储存装置在火焰加热下温度快速上升,提高体内压力,容易爆炸;窒息危害[2],甲烷是液化天然气的主要成分,虽然属于无毒气体,但大量甲烷混入空气后,降低氧气浓度,使人呼吸急促,若持续时间较长会有生命危险。

因此,为避免上述危害,必须保证天然气在运输过程中的安全,即使发生瞬态泄露也要在最短时间内采取合理的应对措施,确定安全区域,最大程度降低危害。随着泄露事故的增多,天然气的泄露扩散研究受到更多学者重视。现阶段,研究方式主要包括现场试验、风洞试验以及数学模拟[3]。其中,现场试验的缺陷是投资较大,研究时间长,试验过程中的风险不可控性很强[4];风洞试验主要面临风洞尺寸不容易掌握等问题[5]。

相比之下,数学模拟的方法无需构建试验基地,模拟周期短,且可以重复进行,成为最受欢迎的研究方法。本文分析了影响扩散的主要因素,获取泄露后云团初始质量和状态,通过DPM(离散相模型)描述泄露扩散规律[6],为事故应急预案制定、安全区域确立提供指导意见,同时也保障人们生活与财产安全。

2 影响泄漏扩散的因素分析

2.1 液化天然气特征参数

液化天然气是经过净化、超低温等一系列处理形成的,内在包含大量甲烷和少量乙烷、一氧化碳等物质[7]。其热值很高,充分燃烧后只有水和二氧化碳。作为一种清洁能源,主要特征参数见表1。

表1 液化天然气特征参数表

2.2 影响扩散的基本因素

影响液化天然气瞬态泄漏扩散的因素非常多,基本因素包括如下几点。

1)泄露源:表示泄漏情况下,储存罐设备的填充情况、泄漏孔径大小等。其中,填充情况影响着泄漏形式,当运输储存罐上出现裂缝时,罐内压力降低,生成大量气泡,导致罐体破裂。此种状态下,泄漏气体中会掺杂液体,扩散形式为重汽扩散。

2)大气环境

风场:主要分为风速与风向两个方面,风向是指当泄漏事故发生后,下风向区域的危险性较强。与风向相比,风速的影响较为复杂。风速越大,空气流速越快,天然气的扩散越剧烈,蒸发量也随之提高。但如果风速持续增大,下风向气体浓度会因紊流作用的增强而下降[8]。

温度:环境温度直接影响液化天然气的蒸发速度,温度越高的情况下,蒸发量越大,初始泄漏速率也越高。另外,扩散初期为重气扩散,温度也会对换热量造成影响。

湿度:描述空气的干燥性,空气中水分越少,表明干燥性较强,空气密度也随之增大。重气扩散会因为湿度大小的改变转化为非重气扩散。

大气稳定度[9]:与地面相近的大气会做垂直运动,影响着气体扩散程度。如果大气稳定度较高,垂直运动对扩散的推动作用较小,可抑制云团扩散;反之若稳定度低,对流运动剧烈,促使云团快速扩散。

辐射量:辐射多少决定着泄漏后液池的换热量,进而影响蒸发速度。此外,辐射量还会影响大气稳定性,扩散情况间接受到影响。

3)地表环境:当地面粗糙时,蒸汽在扩散过程中受到的阻力越大,不利于扩散行为。当地面坡度较大时,重力作用越强,下坡方向的扩散速度越快。

3 基于离散相模型的液化天然气瞬态泄漏扩散模拟

3.1 云团初始特征

1)初始质量

液化天然气出现瞬态泄漏时,会发生闪蒸现象,且云团中会带有部分空气,所以云团初始质量是泄漏量和空气质量的总和,质量计算公式如下[10]

(1)

式中,me0、me1和me2分别代表蒸汽体中的甲烷含量、甲烷液滴量和初始湿空气质量,mc与ma表示泄漏总量和初始干空气量。d描述干空气的含湿量,q和q1分别是闪蒸率和夹带空气比。

2)初始状态

闪蒸液化气和空气相融后会实现热量平衡[11],假设此时温度为T0,则上述过程的热量描述为

mc(T-Ta)cg+m0(T0-Ta)+Hv

(2)

式中,下角标0、g、a和w分别代表初始状态、甲烷状态、干空气以及湿空气状态,Hv和Hvi分别描述天然气的汽化热以及冰的融化热。

3.2 瞬态泄漏质量流速计算

对于瞬态泄漏而言,部分天然气会闪蒸为气态,另外一部分并不能完全闪蒸,以液滴方式存在,瞬态泄漏属于气液两相泄漏。在模拟泄漏扩散过程中,闪蒸部分的占比f的表达式如下[12]

(3)

式中,C∂代表泄漏物质的定压比热,t与tc分别为泄漏物质温度与沸点,F是汽化潜热。

天然气泄漏的质量流速[13]表达式如下

(4)

(5)

式中,A为泄漏处面积,C是泄漏系数,ρ1、ρ2、ρ3分别代表两相流混合密度、气体和液体密度。P与PC表示储存罐压力和临界压力。

3.3 泄漏扩散模拟

通过对云团初始状态和质量的计算,在天然气闪蒸气中液滴质量大概占80%,但体积分数仅有1%,分散较为稀薄,因此本文选用离散相模型实现泄漏扩散模拟。离散相模型主要由以下部分构成。

1)动量守恒

X、Y和Z方向上的动量守恒方程[14]分别如下

(6)

(7)

(8)

式中,u、v和w分别表示天然气在X、Y和Z三个坐标轴上的蒸发速度,p是蒸发后气体密度,∂属于导数符号,KX、KY和KZ分表示不同方向上的体积力分量,μ描述流体粘度,I是静压力。

2)能量守恒

泄漏处的天然气会与周围环境做热交换,在此过程中必须符合能量守恒定律[15]

(9)

式中,q代表比热容,T′是流体温度。

3)质量守恒

泄漏物质在扩散过程中会和空气中的氧气与氮气融合,融合后的云团物质结构多样,每种组分均要满足质量守恒

(10)

式中,b1和b2分别代表空气中不同物质的体积分数,G1与G2为不同物质的扩散系数。

满足上述动量、能量和质量三个守恒方程,即可实现对液化天然气瞬态泄漏扩散过程的数学表示。假设所有气体均为理想气体,则蒸发后气体密度需满足的状态方程为

(11)

式中,R′代表气体常数,M是平均摩尔质量。

4 仿真数据分析与研究

假设某大型罐式集装箱在运输过程中发生瞬态泄露,漏点在储罐接管上,直径是10mm,与地面之间的高度是5.5m。集装箱参数如表2所示。

表2 集装箱主要参数

实验场地选取某无人空旷地带,场地大小为50×50m,四周设置遮挡,确保人员绝对安全。选定泄露点,以其为圆心,划分出一个半径为15m的圆,在圆形区域内放置8个超风波风向仪。利用红外气体传感器监测甲烷浓度,通过热电偶获取泄露点四周温度变化情况。仿真系统结构如图1所示。

图1 仿真系统结构示意图

由图1可知,除了甲烷浓度测试设备和热点耦外,实验所需设备如下:风速传感器,型号为FC-5SX罩杯式传感器,数量为4个;防爆电子秤,具备超低温电磁阀,数量1个。另外辅助测试平台由传输电缆、主机、笔记本电脑和数据采集设备组成。为确保实验安全,专门设置声光报警器、防冻和防火设备、急救设施等。

实验所测内容包括:温度、风向和风速等气象参数、泄露点几何参数、泄露量、甲烷浓度、扩散时间等。在上述仿真环境下,利用本文方法进行扩散模拟,由于影响泄漏的基本因素较多,实验选择影响较大的因素,分别分析在不同时间、不同泄露强度和不同风速下的泄露扩散情况。

1)不同时间下扩散模拟

利用相关软件描述液化天然气的泄露过程,将泄露强度、泄露距离、大气等级、风速等参数输入到软件窗口,自动绘制出气云扩散区域随时间的变化情况,仿真结果如图2所示。

图2 气云扩散区域仿真图

由仿真结果能够看出,气云随在三维空间中随泄露时间的推移,逐渐变大后区域平稳。当泄露时间为400s时,气云基本保持不变。模拟结果和实际情况一致,即针对瞬态泄露源而言,当浓度场稳定后,不会随时间的改变而改变。

2)不同泄漏强度下的扩散仿真

在瞬态泄露过程中,相同时间泄露的天然气质量不同,蒸发量也不相同,因此气云覆盖区域也有所差别,分别在泄露量为2kg/s、4kg/s和8kg/s是进行仿真,则危险区域随泄露强度的变化如图3所示。

图3 不同泄露强度下危险区域扩散情况

由图3可知,不同泄露强度所对应的危险区域不同,强度越大,覆盖的危险区域越广。即扩散面积和泄露强度之间正相关。且气云形成区域在X轴与Y轴方向同时增大。这是因为蒸发量随泄露强度的增大而增大,提高气体浓度差,扩大了分子扩散面积,使分子在每个方向上都存在。

3)不同风速下的扩散模拟

风速对扩散作用的影响体现在云团输送、浓度稀释等方面。分别在一级、三级和五级风速情况下模拟扩散区域,仿真结果如图4所示。

图4 扩散情况随风速变化情况示意图

由图4能够看出,当风速等级相同时,随时间的推移,泄漏危险涉及的区域逐渐扩大;在不同风速下,如果浓度没有稳定,此时风速越大,危险区域越大,例如泄漏时间为20s时,五级风和一级风的危险区域分别最大与最小。造成此种现象的原因是气体浓度没有稳定时,较大的风速对于泄漏的天然气具备更强的输送作用。当浓度稳定后,风速越大,其对应的危险区域越小,这是因为较大的风速加快了气云稀释作用,提高气体扩散速度,形成的危险区域较小。

5 结论

为有效降低液化天然气泄漏后造成的风险,本文对其瞬态泄漏扩散情况进行仿真。仿真结果表明,泄漏危害区域随时间、泄漏物质强度和风速的变化都有明显改变,因此在制定事故风险预案时应考虑泄漏位置的常年主导风向,根据时间与泄漏强度实际情况做出综合决策。