LNG重氣擴(kuò)散安全距離及影響因素

摘 要

LNG儲(chǔ)存溫度為-161.5℃，一旦發(fā)生泄漏，迅速蒸發(fā)后的氣體密度約為空氣密度的1.5倍，低溫的重氣云團(tuán)將會(huì)發(fā)生重力沉降；同時(shí)，由于大氣湍流將空氣卷吸進(jìn)入云團(tuán)內(nèi)部，低溫重氣云團(tuán)也會(huì)被加熱，向正浮性氣體擴(kuò)散轉(zhuǎn)變。為此，研究了LNG大規(guī)模持續(xù)泄漏產(chǎn)生的氣體擴(kuò)散問(wèn)題，建立了LNG泄漏時(shí)安全距離的計(jì)算方法，并分析對(duì)安全距離的影響因素。
摘要：LNG儲(chǔ)存溫度為-161.5℃，一旦發(fā)生泄漏，迅速蒸發(fā)后的氣體密度約為空氣密度的1.5倍，低溫的重氣云團(tuán)將會(huì)發(fā)生重力沉降；同時(shí)，由于大氣湍流將空氣卷吸進(jìn)入云團(tuán)內(nèi)部，低溫重氣云團(tuán)也會(huì)被加熱，向正浮性氣體擴(kuò)散轉(zhuǎn)變。為此，研究了LNG大規(guī)模持續(xù)泄漏產(chǎn)生的氣體擴(kuò)散問(wèn)題，建立了LNG泄漏時(shí)安全距離的計(jì)算方法，并分析對(duì)安全距離的影響因素。從DEGADIS重氣擴(kuò)散基本模型出發(fā)，建立了LNG泄漏擴(kuò)散時(shí)的場(chǎng)景條件和計(jì)算程序，并考慮了LNG向下風(fēng)向擴(kuò)散過(guò)程中受熱形成的浮升效應(yīng)以及風(fēng)速和大氣不穩(wěn)定度的影響。所建立的方法比其他方法具有更好的準(zhǔn)確性和適用性。通過(guò)與LNG泄漏擴(kuò)散實(shí)地實(shí)驗(yàn)(Burro系列實(shí)驗(yàn))數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的計(jì)算結(jié)果，平均相對(duì)偏差為24.82%。通過(guò)研究風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、泄漏源大小、圍堰尺寸等因素對(duì)LNG氣體擴(kuò)散的影響，確定了不同條件下LNG擴(kuò)散的安全距離要求。
關(guān)鍵詞：LNG；泄漏；重氣；擴(kuò)散；安全距離；積分模型；DEGADIS
0 引言
    天然氣在常溫下密度比空氣密度小，但LNG儲(chǔ)存溫度為-161.5℃，一旦發(fā)生泄漏，迅速蒸發(fā)后的氣體密度約為空氣密度的1.5倍[1]。低溫的重氣云團(tuán)將會(huì)發(fā)生重力沉降，同時(shí)，由于大氣湍流，空氣將被卷吸進(jìn)入云團(tuán)內(nèi)部，低溫的重氣云團(tuán)也會(huì)被加熱，向正浮性氣體(即比空氣密度小的氣體)擴(kuò)散轉(zhuǎn)變[2]。
    筆者從DEGADIS重氣擴(kuò)散基本模型出發(fā)，建立了LNG泄漏擴(kuò)散時(shí)的場(chǎng)景條件和計(jì)算程序，計(jì)算模型中考慮了液化天然氣向下風(fēng)向擴(kuò)散過(guò)程中受熱形成的浮升效應(yīng)以及風(fēng)速和大氣不穩(wěn)定度的影響，給出相應(yīng)的分析模型和計(jì)算方法，并用國(guó)際上典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。重點(diǎn)對(duì)液化天然氣大規(guī)模持續(xù)泄漏產(chǎn)生的氣體擴(kuò)散問(wèn)題進(jìn)行了研究。
1 DEGADIS穩(wěn)態(tài)模型及其驗(yàn)證
1.1 模型描述
    DEGADIS(DEnse GAs DISpersion)模型是由Havens和Spicer在1989年推出的一種用于分析重氣擴(kuò)散的模型[3]，并作為NFPA 59A推薦使用的一種模型，用于評(píng)估LNG生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的重氣擴(kuò)散情況[4]。
    連續(xù)泄漏模型又稱(chēng)穩(wěn)態(tài)模型，即下風(fēng)向云團(tuán)內(nèi)部的各種性質(zhì)參數(shù)只是位置的函數(shù)。DEGADIS作為積分模型，假設(shè)氣體擴(kuò)散濃度在側(cè)風(fēng)向上采用修正的高斯分布，而豎直方向上采用指數(shù)分布，并且對(duì)風(fēng)速分布做了假設(shè)，其表達(dá)式如下：
 
式中下風(fēng)向不同距離處的擴(kuò)散系數(shù)Sy(x)、Sz(x)，以及特征寬度b(x)、密度ρ(x)和溫度T(x)的求解，需要滿(mǎn)足下列守恒及特征擴(kuò)散參數(shù)關(guān)系。
總質(zhì)量守恒：
 
泄漏組分守恒：
 
能量守恒：
 
垂直和水平特征擴(kuò)散參數(shù)控制方程[3]：
 
    在上述控制方程中的能量方程反映了云團(tuán)擴(kuò)散過(guò)程受熱后的溫度變化，由此而產(chǎn)生的擴(kuò)散氣體的密度變化和浮升效應(yīng)在理查森數(shù)及相關(guān)的卷吸和擴(kuò)散特征參數(shù)中體現(xiàn)。
    上述方程采用數(shù)值積分方法聯(lián)立求解，其計(jì)算程序具有很好的收斂精度。本文建立的計(jì)算程序與DEGADIS通用計(jì)算程序?qū)Ρ龋溆?jì)算精度符合很好。利用建立的程序計(jì)算得到濃度分布中的擴(kuò)散參數(shù)，進(jìn)而求出下風(fēng)向的濃度分布和下風(fēng)向擴(kuò)散距離。
1.2 模型驗(yàn)證
本文研究的數(shù)學(xué)模型通過(guò)Burro系列實(shí)驗(yàn)[1，5]進(jìn)行驗(yàn)證，Burro實(shí)驗(yàn)在距離泄漏源下風(fēng)向57m、140m、400m、800m處分別測(cè)得天然氣的最大體積分?jǐn)?shù)值，該實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了多組，本文對(duì)其中的3號(hào)、5號(hào)、7號(hào)和9號(hào)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比，并進(jìn)行誤差分析，得出模型計(jì)算的平均相對(duì)偏差為24.28%。實(shí)驗(yàn)的初始條件以及對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1、2。
 

2 安全距離的影響因素分析
    在LNG場(chǎng)站選址時(shí)，需要遠(yuǎn)離居民區(qū)，以保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，場(chǎng)站與居民區(qū)之間的距離是重要的考慮因素。LNG在泄漏過(guò)程中，自泄漏源開(kāi)始，氣體濃度逐漸被稀釋?zhuān)?dāng)其體積濃度在5%～15%范圍內(nèi)(即甲烷的爆炸極限內(nèi))，存在發(fā)生火災(zāi)或者爆炸的可能性。為了確保間隔距離劃定的可靠性，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(如NFPA59A)，規(guī)定其下風(fēng)向體積濃度為2.5%處的距離為安全距離[4]。以Burro系列5號(hào)實(shí)驗(yàn)為例(以下簡(jiǎn)稱(chēng)B5)，其下風(fēng)向上體積濃度的等濃度線見(jiàn)圖1，可以看出下風(fēng)向體積濃度5%和2.5%的最大距離差約為110m。以下用所建的計(jì)算模型，對(duì)氣體擴(kuò)散過(guò)程和安全距離的影響因素進(jìn)行分析。
 

2.1 風(fēng)速和大氣條件
    環(huán)境風(fēng)速是衡量大氣湍流程度的一個(gè)必不可少的條件，在LNG重氣擴(kuò)散過(guò)程中，風(fēng)速對(duì)云團(tuán)下風(fēng)向的運(yùn)動(dòng)速率，云團(tuán)濃度稀釋?zhuān)諝饩砦约霸茍F(tuán)加熱等過(guò)程有著重要的影響，進(jìn)而影響安全距離的大小。大氣穩(wěn)定度是用于衡量大氣湍流程度的一種半定量方法，常用的大氣穩(wěn)定度分類(lèi)采用帕斯圭爾(Pasquill)方法[6]，將氣象條件分為6種穩(wěn)定度等級(jí)，即A、B、C、D、E、F，可依次定性為極不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、弱穩(wěn)定、穩(wěn)定。
    圖2示出B5條件下，大氣穩(wěn)定度及風(fēng)速對(duì)氣體擴(kuò)散距離的影響。在同一穩(wěn)定度等級(jí)時(shí)，隨著風(fēng)速增大(風(fēng)速大于2m/s)，安全距離隨之減小。原因在于風(fēng)速越大，大氣湍流對(duì)云團(tuán)稀釋越迅速，同時(shí)重氣效應(yīng)減弱也越快。隨著大氣條件趨于穩(wěn)定時(shí)，安全距離隨之增加。而在大氣條件不穩(wěn)定時(shí)，大氣卷吸增強(qiáng)會(huì)加速云團(tuán)濃度稀釋?zhuān)斐蓴U(kuò)散距離減小。對(duì)于連續(xù)泄漏擴(kuò)散，當(dāng)風(fēng)速較小且大氣環(huán)境趨于穩(wěn)定時(shí)，安全隱患較大。
 

2.2 泄漏速率
    在給定風(fēng)速條件下，隨著泄漏速率增加，下風(fēng)向的安全距離也隨之增大(如圖3所示)。泄漏速率大小是影響穩(wěn)態(tài)重氣擴(kuò)散安全距離的決定因素。
 

2.3 圍堰尺寸
    LNG儲(chǔ)罐周?chē)ǔＲO(shè)計(jì)圍堰，以防止儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏時(shí)，液體四處流淌蔓延，若發(fā)生火災(zāi)，還可以防止火焰蔓延到周邊地區(qū)[4]。LNG泄漏到圍堰內(nèi)，會(huì)迅速蒸發(fā)氣化，形成以圍堰為二次源的蒸氣云團(tuán)擴(kuò)散。圖4給出下風(fēng)向安全距離隨著圍堰直徑和泄漏速率的變化。當(dāng)圍堰尺寸較小時(shí)，以圍堰為二次源云團(tuán)的范圍也較小，有限的蒸發(fā)氣受大氣湍流影響，其濃度較快稀釋?zhuān)踩嚯x較小；當(dāng)圍堰尺寸過(guò)于增大時(shí)，二次源云團(tuán)的天然氣濃度較低，其下風(fēng)向擴(kuò)散距離不再增加，反而略有減少。
 

    此外，LNG泄漏表面(水面或地面影響蒸發(fā)速率)、空氣濕度[7](氣溶膠的影響)、下風(fēng)向的地形結(jié)構(gòu)等因素也會(huì)對(duì)重氣擴(kuò)散過(guò)程產(chǎn)生很大影響[8～9]，如果地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，障礙物較多，風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速分布將會(huì)發(fā)生變化，在障礙物的背風(fēng)面，會(huì)產(chǎn)生低壓回流，使得在小范圍內(nèi)云團(tuán)濃度增大。
3 結(jié)束語(yǔ)
    所建立的LNG泄漏氣體擴(kuò)散模型計(jì)算方法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其平均偏差為24.28%，并較準(zhǔn)確地體現(xiàn)了重氣擴(kuò)散過(guò)程中云團(tuán)內(nèi)部特性的變化規(guī)律。對(duì)于穩(wěn)態(tài)LNG氣體擴(kuò)散，當(dāng)風(fēng)速大于2m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，安全距離是逐漸減小的；對(duì)于較小風(fēng)速(小于2m/s)時(shí)，該穩(wěn)態(tài)模型將不再適用。泄漏速率增大使安全距離幾乎成比例增大，是影響安全距離最重要因素之一。對(duì)于給定的LNG泄漏率，圍堰尺寸變化對(duì)安全距離的影響會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)弱峰，之后安全距離會(huì)隨圍堰尺寸的增加而略有減小。
    本文計(jì)算主要反映了LNG大規(guī)模持續(xù)泄漏的狀況，建立的LNG氣體擴(kuò)散模型計(jì)算方法可供工程上LNG泄漏擴(kuò)散安全距離的分析和評(píng)估采用。
符號(hào)說(shuō)明
    BEFF為云團(tuán)有效半寬度，m；c為云團(tuán)濃度，kg/m3；cc為地表中心線濃度，kg/m3；Cp為云團(tuán)定壓比熱，J/(kg·K)；Cpa為空氣定壓比熱，J/(kg·K)；E為泄漏源強(qiáng)度，kg/s；h0為傳熱系數(shù)，J/(m2·K)；HEFF為有效云團(tuán)高度，m；k為卡門(mén)系數(shù)，0.35；Ri′*為理查森數(shù)；u0為環(huán)境風(fēng)速，m/s；UEFF為云團(tuán)移動(dòng)速度，m/s；ux為豎直方向風(fēng)速分布，m/s；w為豎直方向湍流速度，m/s；we′為豎直方向空氣卷吸速度，m/s；x為下風(fēng)向中心線距離，m；y為側(cè)風(fēng)向距離，m；z為豎直方向高度，m；z0為環(huán)境風(fēng)速測(cè)量高度，m；α為豎直方向風(fēng)速分布指數(shù)；β為水平擴(kuò)散參數(shù)系數(shù)；δ為水平擴(kuò)散參數(shù)系數(shù)(與大氣穩(wěn)定度相關(guān))；ρa為環(huán)境空氣密度，kg/m3。
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(本文作者：孫標(biāo) 郭開(kāi)華 中山大學(xué)工學(xué)院)