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LNG泄漏气体浓度和温度扩散过程计算

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：万亚丽

[导读] 摘要：随着液化天然气在国际贸易中优势逐渐凸显，使用日益广泛，我国进口LNG的数量逐年增加，LNG接收站也随之增多。

        新疆庆华能源集团有限公司新疆伊犁 835000
        摘要：随着液化天然气在国际贸易中优势逐渐凸显，使用日益广泛，我国进口LNG的数量逐年增加，LNG接收站也随之增多。LNG储罐作为接收站内重要的储存设备，同时也是重大危险源，安全问题不容小觑。泄漏作为LNG储存过程中主要事故类型，须更加重视。LNG储罐万一发生泄漏将对设备、作业人员甚至环境均造成严重后果，因此对LNG储罐泄漏扩散后果的研究至关重要。
        关键词：液化天然气；泄漏；扩散；数值模拟
        1、引言
        利用高斯烟羽模型进行LNG泄漏过程模拟，得到LNG泄漏后扩散浓度场和温度场分布。参考天然气燃烧下限0．0358kg/m3与低温温度规定291K确定了气体浓度场和温度场的危险区域范围，分析了环境风速和大气稳定度参数与泄漏扩散的关系，得出环境参数对浓度场、温度场及危险区域的影响规律：设置参数为泄漏量5kg/s，泄漏源高度20m，泄漏孔径50mm，大气稳定度C级，环境风速2、3、4、5m/s。本文采用高斯模型模拟LNG储罐泄漏扩散过程，对得到的结果进行分析，能更全面地认识LNG储罐泄漏危害。
        2、危险区域
        2.1气体浓度危险区域
        液化天然气泄漏在空气中，如遇点火源会发生火灾和爆炸危险，需设定气体浓度危险区域以保证安全。当天然气的气体浓度在0．0358kg/m3时会达到爆炸下限发生爆炸，当天然气的气体浓度达到50%爆炸下限时会产生闪火危险［28～30］液化天然气的泄漏不但会引发爆炸也会因气体浓度过大对人体造成影响，当天然气的气体浓度大于0．0067kg/m3时会对人体造成窒息危险，以此设定窒息危害区域。LNG泄漏扩散的气体浓度危险区域可按照爆炸、闪火和对人体有害三个条件作为判据，爆炸危险区域最小，窒息危害区域最大，危险区域主要沿下风向展开。
        2.2温度危险区域
        液化天然气除了气体浓度造成的危险外，其低温性能也会对人体造成影响，需设置温度危险区域以保证设备和操作人员安全。当温度达到291K时为低温环境，当温度达到283K时人体会有低温麻醉危险，对工作效率有不利影响，以此作为判据划分温度影响区域。工作效率不利区域小，低温危险区域大，主要区域在下风轴线处。
        3、影响因素分析
        研究环境风速对泄漏扩散的影响。基本工况设置如下：泄漏量为5kg/s，泄漏源高度为20m，泄漏孔径为50mm，大气稳定度等级为C。取环境风速为2、3、4、5m/s，泄漏源高度处下风向轴线上最大浓度分别为0．3978、0．2655、0．1992、0．1594kg/m3，最低温度分别为153．9、168．3、180．1、189．9K。图1为泄漏源高度平面上环境风速对气体浓度场影响情况，设置相同区域及颜色栏代表值。对比四张图可知随着环境风速的增加，泄漏源附近气体浓度值降低明显，相同气体浓度等值线沿下风向减小，沿横风向变化不大。在相同区域内，环境风速越大，风对天然气泄漏扩散形成的气云扰动加强，气云扩散越剧烈，区域内聚集的天然气被风逐渐吹散，气体浓度危险区域范围整体减小，主要体现在下风向上，其中造成人体窒息危险区域减小明显，闪火危险区域和爆炸危险区域也有所减小。随着环境风速的增加，天然气泄漏形成的气云扩散越快，下风轴线方向上最大气体浓度值明显降低，气体浓度下降梯度减缓，但对横风向影响范围基本不变，约在横风向5m处气云扩散完全，扩散向下风向进行，气云扩散得更快，对应于相同位置的气云气体浓度值变小，气体浓度下降的梯度减缓，但影响区域变化不大，均在下风向100m处扩散完全。

        图1 环境风速对气体浓度场影响
        设定相同区域和颜色栏代表数值。对比四张图可知相同区域内随着环境风速的增加，气云扩散加剧，温度升高，参考右侧颜色栏可知，接近泄漏源处温度值增加明显，相同温度等值线沿下风向扩散距离减小，横风向变化不明显。气云扩散越剧烈，温度场有所上升，尤其是泄漏源附近低温区域减小明显，温度危险区域也随之减小，环境风速的影响主要表现在下风向距离上，其中低温影响危险区域减小更明显，而低温麻醉危险区域仅有少量减少。随着环境风速的增加，天然气泄漏形成的气云扩散加强，低温天然气气体浓度降低，气云最低温度上升，温度升高梯度渐缓。在一定距离内环境风速对温度场影响明显，随着环境风速的增加，气云向下风向扩散，温度下降趋势基本一致，不同环境风速对温度场的影响范围大致相同，均在80m处趋于环境温度。随着环境风速的增加，天然气泄漏形成的气云扩散加剧，区域内低温的天然气气体浓度低，气云最低温度增加，温度升高梯度减缓，但沿横风向上扩散影响范围不变，均在单侧5m处扩散完全。
        研究大气稳定度对泄漏扩散影响。参数设置如下：泄漏源高度为20m、泄漏孔径为50mm、泄漏量为5kg/s、环境风速为3m/s。大气稳定度取A、B、D、E级，泄漏源高度处下风向轴线上最大浓度分别为0．2124、0．2544、0．2615、0．3913kg/m3，最低温度分别为177．4、170、169、154．3K。随着大气稳定度增加，大气紊流扰动减小，气云聚集，扩散缓慢，泄漏源附近气体浓度值减小，整体区域内气体浓度梯度减小，下风向气体浓度扩散范围增加明显，横风向范围也有小范围增加，危险区域沿下风向方向有所增加，尤其是窒息危害区域增加明显，闪火危险范围和爆炸危险范围也略有增加。当大气稳定（等级E）时，受到的紊流扰动小，扩散缓慢，气体浓度值大，当大气处于不稳定（等级A、B）和中度稳定（等级D）时，气体浓度值较为接近，有小幅上升趋势。随着大气稳定度等级的增加，沿下风向影响区域增加。
        随着大气稳定度增加，大气紊流扰动减小，气云内部均匀稳定，泄漏源处最低温度值增加，沿下风向扩散距离增加，横风向距离增加较小。温度场危险区域也随之增加，尤其是低温环境区域在下风向距离上增加明显。随着大气稳定度的增加，气云扩散渐缓，最低温度降低，沿下风向扩散范围越大，横风向影响范围减小。
        结论
        利用高斯烟羽模型耦合热平衡方程进行LNG泄漏扩散过程模拟，得到LNG泄漏的气体浓度和温度场，结合不同模型模拟的气体浓度场、温度场分布，得到危险区域范围。分析相同区域内不同参数对泄漏扩散影响。相同区域内随着泄漏量的增加，高气体浓度区和低温区域均增加；随着泄漏源高度的增加，对地面处气体浓度场和温度场的影响减小；随着环境风速的增加，云团扩散加剧，高气体浓度区和低温区减小；随着大气稳定度等级的增加，蒸气云团扩散减弱，高气体浓度区域和低温区域增加；随着泄漏时间的增加，蒸气云团沿下风方向偏移，气体浓度降低，温度升高。
        参考文献：
        ［1］侯明扬．全球LNG市场发展现状、特点及前景分析［J］．国际石油经济，2014，22（6）：64－69．
        ［2］曾燕丽．浅析中国LNG应用技术发展现状及前景［J］．中国石油和化工标准与质量，2012，33（16）：242－242．
        ［3］高露，梁光川，彭波，等．液化天然气的泄漏与防护［J］．天然气与石油，2008，26（1）：28－30+38．