液化天然气泄漏影响因素分析及研究_王婕.pdf

液化天然气泄漏影响因素分析及研究王婕1 冯瑶2（1.应急管理部天津消防研究所 天津市 南开 3003812.中国船级社质量认证有限公司天津分公司 天津市 滨海新区 300457）【摘 要】本文借助一款 CFD 经典模拟软件FLACS 软件，模拟多个场景下的 LNG 液池蔓延和气云扩散变化情况。通过对比模拟结果，分析不同的地表平整度、风速以及泄漏源强对 LNG泄漏的影响，以期为 LNG 泄漏事故的控制、应急处置。【关键词】液化天然气；泄漏；风险；CFD0 引言天然气作为一种相对高效、清洁的能源已成为世界的主要能源之一，被广泛应用于城市发展的各个领域中，其日常使用的形态多为液化天然气（LNG）。但 LNG 由于其易燃易爆的物质特性，容易引发重大事故，因此，对 LNG 的泄漏特点及风险进行深入的研究具有重要意义，可为指导事故的控制、应急处置以及未来建立相关 LNG 安全标准体系提供理论基础和技术支持。1 液化天然气泄漏模型搭建1.1 数值模拟工具选择基于计算流体力学（CFD）技术的数值模拟软件已克服早期二维气体扩散和爆炸经验模型和统计模型的多种缺陷，在厂区三维模型内输入气体泄漏、自然条件和点火源等基础参数，可以输出厂区内气体流动、热辐射和爆炸冲击波在三维空间坐标和时间坐标下的传播规律，获得接近真实的计算结果，在国内外风险评价领域得到了越来越广泛的应用，代表着定量风险评价领域的领先技术和发展趋势。FLACS 软件是一款经典的 CFD 计算模拟软件，具有准确模拟气体扩散、燃烧和爆炸过程中复杂的流体动力学和热物理现象，故本文借助 FLACS 软件进行研究。1.2 场景设定及初始条件本文设计模拟场景为有限时间泄漏。设发生泄漏的位置位于 16 万 m3的 LNG 储罐附近接近地面处，储罐直径 82m，高度 39m。设计泄漏从第 5s开始，泄漏持续 20s 后发现，在下一个 20s 内泄漏位置得到妥善处置，泄漏速率线性下降至 0。发生泄漏的 LNG 组成为 95%的甲烷，4%的乙烷和 1%的丙烷。通过改变风向、风速、泄漏速率、泄漏场景地面条件来考察环境条件对 LNG 泄漏扩散的影响。为考察 LNG 泄漏形成液池，并逐步蒸发成气态的过程，设定的 LNG 泄漏源为储罐接近地面某处。在计算中，需要观察蒸气云逐渐形成并扩散的过程，因此设置了气体监控区域，范围覆盖罐区地面范围，监控区高度为 100m。场景编号及对应的工况信息如下表 1。1.3 数值模型搭建罐区模型设置模拟比例尺为 11。模拟区域内设置 1 个发生泄漏的储罐，储罐直径 D=81m，高度 H=39m，罐壁到围堰之间距离为 d=41m（0.5D），围堰为正方形，边长 L=162m（2D），如图 1 所示。图 1 泄漏罐区模型2022 年第 12 期61研究探讨 研究表 1 模拟场景信息表编号场景号地表风速风向泄漏速率围堰10000003混凝土3m/s+X500kg/s有20000004混凝土4m/s+X500kg/s有3100003水面3m/s+X500kg/s有4100004水面4m/s+X500kg/s有5300003混凝土3m/s+X300kg/s有6400003混凝土3m/s+X100kg/s有2 影响因素分析LNG 储罐处于自然环境中，其泄漏扩散行为由于受各种环境因素（风速风向、地面条件、泄漏速率、围堰影响等）的影响而变化十分复杂。通过数值模拟结果定量分析这些因素的影响作用，从而为 LNG 储罐及 LNG 站的建设布局规划，预警区域划定，事故防范措施及应急反应预案等提供科学的指导。2.1 地表条件的影响分析地面条件是影响 LNG 泄漏后液池蔓延和气云蒸发的重要因素之一，地面条件影响传导性和热扩散系数。选择场景 0000003、1000003，分析地面条件对 LNG 液池泄漏、气云扩散情况进行分析。图 2-1 图 2-4 为液池的变化曲线图。图 2-1 液池质量图 2-2 液池面积图 2-3 液池蒸发速率图 2-4 单位面积蒸发速率变化情况从上述组图可以看出，地表条件是影响液池蔓延的主要条件之一。除了热容量以外，地面平整度也是影响液池蔓延的重要因素。随着地面平整度的增大（受泄漏 LNG 扰动的水面土地表面混凝土地面），LNG 蒸发速率逐步降低。而蒸发率越低，形成液池的面积越大，持续时间越长，同时液池质量也越大。图 2-5 t=40s、90s、180s 时，液池与气云浓度（大于LFL/2）的分布情况对比2022 年第 12 期62研究 研究探讨从上图 2-5 可以看出，虽然不同地表条件下LNG 泄漏蒸发形成的气云范围很大，但当泄漏于混凝土地面与土地面时，可爆气云（可燃气体浓度在爆炸极限范围内）主要集中在泄漏源附近的围堰范围内。而 LNG 泄漏于水面时，由于液池蒸发速率极快，液池迅速缩小的同时，可爆气云范围明显增大并快速蔓延到围堰以外，当泄漏源附近已经没有可爆气云时，在泄漏源的下风向方向较远处仍可能存在一定范围的可爆云团。2.2 风速的影响分析以标准混凝土地面条件、水面为例，分别分析风速和风向对 LNG 液池泄漏蔓延及天然气蒸发扩散过程的影响，选择场景 000003、000004、100003、100004 进行计算分析。2.2.1 风速对液池蔓延的影响对比场景 000003 与 000004 条件下，风速对液池蔓延的影响。这两种场景中，在其他环境条件都相同时，环境风速分别为 3m/s 与 4m/s。图 2-6 t=40s、255s 液池对比由图 2-6 不同场景的液池对比图，可以得到，风速的变化导致最大液池半径与液池持续时间随之变化，在泄漏源强及其他环境条件相同的时，风速越大，液池的蒸发速率越大，液池质量越小，最大液池半径越小，LNG 液池完全蒸发气化的时间缩短。但风速的变化基本不会影响液池蔓延的形状。2.2.2 风速对气云扩散的影响风速的大小不仅对于气云下风向方向的扩散速度有影响，同时也和空气湍流强度有关。风速越大，空气的脉动速度越大，湍流强度越大，空气和气云间的混合作用越强烈，加速了气云的稀释和气云与周围环境的热交换。由于低温气体温度升高的更快，密度下降速度也增加，对近地面的风险威胁程度也随之降低。图 2-7 t=40s、300s 时，LFL/2 气云分布的立体图与平面图从图 2-7 可以看出，当风速增大时，气云向下风向扩散的云团长度显著降低，云团外延浓度迅速减小到 LFL/2 以下。当风速增大时，气云扩散中障碍物的阻挡影响也随之减小。对比场景 100003 与 100004 条件下，风速对液池蔓延的影响。这两种场景中，LNG 泄漏于水面，在其他环境条件都相同时，环境风速分别为 3m/s与 4m/s。2022 年第 12 期63研究探讨 研究图 2-8 t=40s、100s 时液池对比（水面）从上组图 2-8 可以看出，风速的小幅增大，对于 LNG 液池扩展的影响较小，LNG 泄漏点处由于液体扰动较大，液池蒸发速率也较快，因此泄漏点位置附近的液池厚度迅速变薄。图 2-9 t=60s、180s 时，LFL/2 气云分布的立体图与平面图（水面）从上组图 2-9 可以看出，由于水面上 LNG 蒸发速率更快，因此气云分布更容易受到风的扰动影响，当风速增大时，气云沿下风向迅速扩展，同时，气云边缘的浓度快速降低到 LFL/2 以下。同时，在储罐阻挡的背风区域，由于气流回旋的扰动也随风速增强，在这个区域的气云浓度也会随风速增加而降低。2.3 泄漏源强的影响对于事故性泄漏应急处置而言，泄漏源强和泄漏持续时间是最关键的特征量。为了考察泄漏率对 LNG 泄漏扩散的影响，本研究分别对混凝土地面上，LNG 以 100kg/s，300kg/s 和 500kg/s 的泄漏场景（0000003、3000003、4000003）进行了仿真模拟。图 2-10 t=40s、255s，不同泄漏源强 LFL/2 气云分布图从上组图 2-10 可以看出，泄漏率越大，LNG泄漏形成的气云的危害范围、下方向最大影响距离越大，而气云持续时间也越长。由于泄漏率对泄漏事故造成的危害程度有关键的影响作用，LNG 泄漏事故防控和应急反应都应该把如何控制泄漏率作为防范和控制风险的关键点。但是，在LNG 泄漏过程中，靠近泄漏源进行堵漏和修补是极度危险的行为，应优选选择远程、安全的应急操作方式，特别要注意严禁直接接触 LNG 射流2022 年第 12 期64研究 研究探讨和液池。3 结论本文通过设定 6 个典型的 LNG 泄漏场景，借用数值模拟软件 FLACS 对 6 个场景进行对比分析，研究了不同地表平整度、风速以及泄漏源强对LNG 液相泄漏后的液池蔓延和气云扩散特性的影响规律。研究得到的 LNG 扩散及风险特点对 LNG储罐及 LNG 站的建设布局规划有着重要的参考价值，为预警区域划定，事故防范措施及应急反应预案等提供科学的指导。参考文献1 王志寰,李成兵,周宁.大型 LNG 接收站泄漏事故灾害效应分析与预测 J.天然气工业.2019(5).2 秦雅琦,李玉星,韩辉,等.障碍物对大型LNG 储罐泄漏蒸气扩散影响的模拟研究 J.石油与天然气化工.2019(2).3 范勇,荣蕾,李胜利,等.压缩机厂房可燃气体泄漏扩散的数值模拟 J.石油与天然气化工.2018(1).4 杨帅,赵祥迪,郑毅,等.天然气管道泄漏爆炸风险 CFD 模拟分析 J.安全、健康和环境,2021,21(12):10-13+46.5 严文锐,吕佳.LNG 加气站泄漏安全风险分析与控制J.石油库与加油站,2021,30(5):8-10+6-7.6 郭文杰,贾新磊,曹青,等.LNG 储罐泄漏风险定量评估 J.山东化工,2020,49(20):254-257.7 周宁,陈力,吕孝飞,等.环境温度对 LNG 泄漏扩散影响的数值模拟 J.油气储运,2021,40(3):352-360.8 周宁,陈力,吕孝飞,等.大型 LNG 储罐泄漏扩散研究进展 J.油气储运.2019(8).（编辑/冯经纬）（3）在重视安全风险管控的同时，建议加强烟气脱硫系统粉尘、风机噪声等职业病危害因素的防控。参考文献：1 邢奕,张文伯,苏伟,等.中国钢铁行业超低排放之路 J.工程科学学报,2021,43(1):1-9.2 程罡,余波.冶金行业烟气脱硫现状分析与典型工艺介绍 J.工业安全与环保,2011,37(4):25-26.3 关于钢铁企业烧结、焦化烟气超低排放情况的调研报告 J.中国冶金,2019,29(7):79-84.4 于勇,朱廷钰,刘霄龙.中国钢铁行业重点工序烟气超低排放技术进展 J.钢铁,2019,54(9):1-11.5 孟宪栋,牟文宇,程华,等.钢铁行业全流程超低排放技术研析应用 J.环境影响评价,2020,（上接第60版）42(4):10-15.6 王 雅 新,刘 俊,易 红 宏,等.钢 铁 行 业烧 结 烟 气 脱 硫 脱 硝 技 术 研 究 进 展 J.环 境 工程,2022,40(03):1-12.7 安徽省应急管理厅.马钢炼铁总厂脱硫装置“2022 2 6”较大坍塌事故调查报告 EB/OL.http:/ 内蒙古自治区应急管理厅.内蒙古包钢稀土钢板材有限责任公司球团带式焙烧机脱硫脱硝提标改造项目“3 14”较大火灾事故调查报告 EB/OL.http:/ 6441-1986,企业职工伤亡事故分类 S.（编辑/冯经纬）2022 年第 12 期65研究探讨 研究