【论文精选】基于CFD的LNG储罐泄漏扩散研究

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作 者： 赖建波，杨帆，王卫晓

第一作者单位：北京市燃气集团研究院

摘自《煤气与热力》2022年10月刊

参考文献示例

赖建波，杨帆，王卫晓 .   基于CFD的LNG储罐泄漏扩散研究 ［J］.    煤气与热力， 2022，42（10） ：B16-B20.

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LNG储运设备

1    概述

LNG 储罐 一旦发生泄漏将对周边的人员生命财产及大气环境造成极大危害。对 LNG 储罐潜在的泄漏扩散危害后果进行研究，对于 LNG 厂站选址、应急预案制定、紧急疏散区域划定以及事故危害后果评估等具有重要意义。

从 20 世纪 70 年代至今，国内外学者主要采用现场实验、风洞实验及数值模拟对 LNG 泄漏扩散规律展开系统研究 ^{［ 1 ］} 。由于数值模拟方法成本低、精度高、可操作性强，在气体泄漏扩散研究方面被广泛应用。本文采用数值模拟方法对 LNG 储罐泄漏扩散危险范围进行研究。

2   LNG 储罐泄漏扩散过程

LNG 储罐 发生泄漏，其泄漏过程较为复杂。储罐内 LNG 的泄漏扩散主要包括液池扩展和气云扩散两个过程 ^{［ 2-4 ］} 。

①液池扩展

LNG 泄漏到地面，在重力作用下会扩展。如果 LNG 垂直泄漏于地面，将在地面上形成圆形的液池，液池半径随时间持续而扩大；如果 LNG 非垂直泄漏于地面，即 LNG 具有一定的水平初速度，则在地面上形成的液池就不是圆形，液池在水平初速度方向扩展的距离要大于其他方向。当液池周围存在围堰时，液池扩展会受到限制，进而影响液池扩展的面积和厚度。

②气云扩散

LNG 泄漏到地面形成的液池与地面直接进行热量传递，以及与周围空气进行对流换热，并吸收太阳热辐射，从而部分开始蒸发形成低温气体，即气云。气云量与液池面积有直接关系，液池面积越大， LNG 吸收热量越多，形成的气云就越多。 LNG 蒸发为无色气体，由于它的温度很低，使得周围被卷吸入气云的水蒸气发生冷凝，从而形成可见蒸气云。

3    泄漏扩散模型有效性验证

针对气体泄漏扩散数值模拟研究，目前已开发出多种商业计算流体力学 CFD 软件，例如 FLUENT 、 PHOENICS 、 FLACS 等 ^{［ 5 ］} 。 FLACS 是专门用于可燃气体泄漏扩散和蒸气云爆炸的专业数值计算软件，越来越得到工业界和学术界的广泛关注 ^{［ 6-8 ］} 。 FLACS 模拟气体泄漏扩散的基本控制方程包括：质量方程、动量方程、能量方程、组分方程、湍动能方程和湍动能耗散率方程 ^{［ 9 ］} 。

为了研究 LNG 泄漏扩散特性及其影响因素，并为建立的计算模型提供验证数据，从 20 世纪 60 年代开始，国外开展了一系列大型 LNG 现场实验，其中著名的实验有 Esso 实验、 Shell 系列实验、 Burro 系列实验、 Coyote 系列实验、 MaplinFSands 实验以及 Falcon 实验 ^{［ 10-12 ］} 。这些大型现场实验取得了大量基础实验数据，包括气象条件参数，如风速、温度、湍流强度、湿度、太阳辐射量，以及蒸气云、液池燃烧的相关数据，具有极大利用价值 ^{［ 13-17 ］} 。

Burro 系列实验是由美国国家重点实验室劳伦斯利物莫实验室（ LLNL ）在 1980 年进行的大型现场实验，该实验得到了美国能源部和美国天然气研究协会的支持。 Burro 系列实验是在一个直径 58 m 、水深 1 m 的水池中进行的，泄漏源位置处于水池中心上表面。在下风向以泄漏源为圆心，半径为 57 、 140 、 400 、 800 m 的圆弧上布置气体浓度测量桩 25 个，并在每个桩上距离地面高度为 1 、 3 、 8 m 处分别布置气体浓度传感器 3 个。

Burro 系列实验包含 8 个，其中 Burro3 、 Burro5 、 Burro7 实验所获得的测量数据较好，常被国内外研究人员用于验证数值计算模型的可靠性 ^{［ 18 ］} ，上述 3 个实验的实验条件见表 1 。

表 1   Burro 实验的实验条件

基于 Burro3 、 Burro5 、 Burro7 实验，采用 FLACS 软件进行模拟计算，模拟计算数据与实验测量数据比较见表 2 。得到二者相对误差范围为 -53.9% ～ 33.8% ，相对误差绝对值的平均值为 16.4% ，因此， FLACS 软件泄漏扩散模型能有效模拟 LNG 泄漏扩散过程。

表 2    模拟计算数据与实验测量数据比较

4    工程应用

4.1   建立三维模型

某市 LNG 应急气源站布置有生产区和生产辅助区。生产区位于站西侧，生产辅助区位于站东侧。生产区自西向东依次分布 LNG 储存区、工艺装置区、汽车装卸区、地磅、门卫室等，其中 LNG 储存区设置有 1 台 4 500 m ³ LNG 储罐、 3 台 150 m ³ LNG 立式真空粉末绝热储罐及相应生产设施 ， LNG 储存区地面标高与站区其他部分标高相同。集液池位于 LNG 储存区北侧，紧贴北侧围堰。集液池长 5 m ，宽 4 m ，深 0.6 m 。基于 FLACS 软件，建立 LNG 储存区三维模型，见图 1 。图 1 、 2 中方向为上北下南。

图 1   LNG 储存区三维模型

4.2   模拟计算输入参数

① LNG 气源参数

模拟过程将 LNG 视为纯甲烷。

②环境参数

根据当地气象资料，计算中设置大气温度为年平均温度 16.5 ℃，大气压力为 100 kPa ，大气稳定度等级为 F 级，北风风向（南侧有居民区，北风风向为最不利情况）、风速 1 m/s 作为 LNG 泄漏扩散的环境参数。风速、大气稳定度等级依据相关标准设定。

③初始和边界条件

LNG 储罐工作压力为 10 kPa ，工作温度为 -162 ℃。根据 GB/T 20368 — 2012 《液化天然气（ LNG ）生产、储存和装运》， LNG 储罐设计溢出计算应按第 5.2.3.4 款表 1 ，设计溢出流量为储罐排料泵在满负荷下通过一根管道的最大流量，溢出持续时间为 10 min 。根据 GB/T 20368 — 2012 ，本工程 LNG 常压储罐的设计溢出质量流量为 8.0 kg/s ，溢出源在 LNG 储罐顶部。设定从 LNG 储罐顶部溢出的液化天然气全部流入集液池。初始条件为：集液池内 LNG 质量为 4.8 t ，温度为 -162 ℃。 LNG 储罐外壁与圆形围堰之间的距离为 15.40 m 。圆形围堰与南侧、西侧、北侧围墙的最近距离分别为 30.49 、 33.64 、 30.93 m 。 LNG 储罐溢出源、围堰、围墙位置见图 2 。 LNG 储存区南侧有居民区，居民区与南侧围墙之间有绿化带。为减少计算量，只对局部区域进行了网格划分。

图 2   LNG 储罐溢出源、围堰、围墙位置

根据 GB 50183 — 2004 《石油天然气工程设计防火规范》第 10.3.5 条，本研究蒸气云扩散范围边界的确定条件为空气中甲烷体积分数为 2.5% 。

4.3   模拟结果及分析

为评估不同围堰和围墙高度对 LNG 储罐发生泄漏扩散的影响，采用 FLACS 软件的液体溢出（ POOL Version ）模块进行数值计算，计算时间间隔为 1 s 。对蒸气云扩散范围进行模拟，结果见图 3 ～ 5 （图例中色阶图数值为甲烷体积分数）。

图 3    围堰和围墙高度均为 3.5 m ，扩散时间为 830 s 蒸气云扩散范围模拟结果（软件截图）

图 4    围堰高度 6.0 m 、围墙高度 4.0 m ，扩散时间为 830 s 蒸气云扩散范围模拟结果（软件截图）

图 5    围堰高度 6.0 m 、围墙高度 4.0 m ，扩散时间为 1 350 s 蒸气云扩散范围模拟结果（软件截图）

根据图 3 ， LNG 储存区围堰和围墙的高度均为 3.5 m 时，扩散时间 830 s ，蒸气云扩散范围将有 50% 越过储存区南侧的围墙。根据图 4 ， LNG 储存区的围堰增高至 6.0 m 、围墙增高至 4.0 m 时，在同样扩散时间内，蒸气云扩散范围能够被有效控制在围墙内，并且蒸气云量也大大降低。根据图 5 ， LNG 储存区围堰高度为 6.0 m 、围墙高度为 4.0 m ，当扩散时间延长至 1 350 s 时，蒸气云扩散范围少部分越过储存区南侧的围墙，但距居民区仍有一定距离。

按照 GB 50183 — 2004 第 10.3.5 条，蒸气云扩散范围不得覆盖居民区。该条对蒸气云扩散范围的边界作出了明确规定，但是未规定扩散时间。

GB/T 20368 — 2012 规定 LNG 储罐发生泄漏允许的最大时间为 10 min ，意味着 10 min 内触发应急处理预案，进行处置。本文借鉴此规定并适当留有余量，确定满足生产安全要求的判断条件为：扩散时间 830 s 时，蒸气云扩散范围不得覆盖居民区。

根据图 4 ，围堰高度 6.0 m 、围墙高度 4.0 m 条件下，扩散时间 830 s 时，蒸气云扩散范围被有效控制在围墙内，未覆盖居民区。因此，本研究围堰高度设计为 6.0 m 、围墙高度设计为 4.0 m ，能够满足 LNG 储存区的生产安全要求。

5    结论

为评估不同围堰和围墙高度对 LNG 储罐泄漏扩散的影响，以某 LNG 应急气源站为例， LNG 储罐工作压力为 10 kPa ，工作温度为 -162 ℃，溢出持续时间为 10 min ，设计溢出质量流量为 8.0 kg/s ，溢出源在储罐顶部，储罐外壁与圆形围堰之间的距离为 15.40 m ，圆形围堰与南侧、西侧、北侧围墙的最近距离分别为 30.49 、 33.64 、 30.93 m 。采用 FLACS 软件的液体溢出模块进行数值计算，计算结果表明：

① LNG 储存区围堰和围墙的高度均为 3.5 m 、扩散时间为 830 s 时，蒸气云扩散范围将有 50% 越过储存区南侧的围墙。

② LNG 储存区的围堰增高至 6.0 m 、围墙增高至 4.0 m ，扩散时间为 830 s 时，蒸气云扩散范围被有效控制在围墙内，并且蒸气云量也大大降低。

③ LNG 储存区围堰高度为 6.0 m 、围墙高度为 4.0 m ，扩散时间延长至 1 350 s 时，蒸气云扩散范围少部分越过储存区南侧的围墙。

④该站围堰高度设计为 6.0 m 、围墙高度设计为 4.0 m ，能够满足 LNG 储存区的生产安全要求。

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（本文责任编辑：刘灵芝）

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