基于CFD的LNG储罐泄漏扩散研究

赖建波， 杨 帆， 王卫晓

(1.北京市燃气集团研究院，北京100011；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司第十设计研究院，天津300074；3.北京燃气集团(天津)液化天然气有限公司，天津300163)

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 m3LNG储罐、3台150 m3LNG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。