液化天然气水平连续泄漏重气的扩散过程.pdf

1 9 08 化 工 进 展 C HE MI C A L I ND US T R Y A N D E N GINE E R I NG P RO G R E S S 2 0 1 2年第 3 1 卷第 9期 液化天然气水平连续泄漏重气的扩散过程 唐建峰 ，蔡娜 ，郭 清 ，王等等 中国石油大学 华东储 建学 院，山东 青 岛 2 6 6 5 5 5 ； 青岛武船重工有 限公 司，山东 青岛 2 6 6 5 5 5 ； 中交第 三航 务工程勘察设计院有限公司，上海 2 0 0 0 3 2 摘要结合 S L AB稳态烟羽模型，针对液化天然气 L N G连续泄漏、水平喷射源的重气扩散过程进行了模 拟研究，分析了液化天然气泄漏后混合云团扩散形成的浓度场、温度场和其它特征参数。利用 MA T L A B语言编 制液化天然气连续泄漏扩散模拟程序，对两种试验环境条件 不同风速、大气温度、大气稳定度、相对湿度和 地表粗糙度等环境参数 下扩散云团的特性参数进行模拟计算，得到各云团参数随下风向距离的变化规律。 关键词液化天然气；连续泄漏；水平喷射源；重气扩散；S L A B模型 中图分类号T E 8 8 文献标志码 A 文章编 号1 0 0 06 6 1 3 2 0 1 20 91 9 0 8 0 6 Re s e a r c h o n t he LNG de ns e g a s di f f us i o n A c o nt i nuo us h o r i z o n t a l j e t r e l e a s e T A NGJ i a n f e n g ，C A I N a ，GU O Q i n g ，W A NGDe n g d e n g ， C o l l e g e o f P i p e l i n e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ，C h i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m，Qi n g d a o 2 6 6 5 5 5 ，S h a n d o n g ，C h i n a Qi n g d a o Wu c h a n g S h i p b u i l d i n g I n d u s t r y C o mp a n y L i m i t e d ，Qi n g d a o 2 6 6 5 5 5 ，S h a n d o n g ，C h i n a T h i r d H a r b o r Co n s u l t a n t s Co mp a n y ，Ch i n a Co mmu n i c a t i o n s Co n s t r u c t i o n Co mp a n y L i mi t e d ，S h a n g h a i 2 0 0 0 3 2 ，Ch i n a Ab s t r a c t ． Ho r i z o n t a l i e t c o n t i n u o u s r e l e a s e wa s s t u d i e d t h r o u g h S L AB s t e a d y P l u me d i s p e r s i o n mo d e 1 ． The c o nc e n t r a t i o n fie l d．t e mp e r a tur e fie l d a n d o t h e r c ha r a c t e r i s t i C S we r e c a l c u l a t e d a nd a n a l yz e d．A M ATLAB b a s e d pr o g r a m wa s d e v e l o p e d t o s i mul a t e t h e c o n t i n uo us l e a ka ge d i f f us i on ． The c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e di f f us i o n c l o ud u nd e r t wo di f f e r e nt e nv i r o n me n t c o nd i t i o ns we r e c a l c ul a t e d． Th e e n v i r o n me n t a l c o n d i t i o n s i n c l u d e d d i f f e r e n t wi n d s p e e d s ， t e mp e r a tur e s ， a t mo s p h e r i c s t a b i l i t i e s ． r e l a t i v e hu ma n i t i e s a n d s ur f a c e r o ug h n e s s ． Cha ng i n g订e nd s o f t h e d i f f us i o n c l o u ds we r e pr e d i c t e d． Ke y wo r d s L NG；c o n t i n u o u s l e a k a g e ；h o r i z o n t a l j e t r e l e a s e ；h e a v y g a s d i ff u s i o n ；S L AB mo d e l 随着液化天然气 L NG在全球能源系统的应 用发展，其在储存与利用过程 中的安全 问题也逐渐 成为世界关注 的焦点。在液化天然气站场、接收站 等场所，由于管道超压及安全阀失灵、垫片老化或 损坏 、管道腐蚀穿孔或焊缝开裂 、外力撞击管道或 工人操作失误等 ，会导致连续泄漏事故的发生，本 文中的连续泄漏指 L NG 经由4 , T L 口、泄漏持续时 间较长的情形。 L N G泄漏容易引起冻伤、 低温麻醉、 窒息等人员伤亡事故，同时损坏周边工艺设备和机 械器材 。 L NG汽化产生的气体扩散到场区内，碰上 火源后容易产生火灾和爆炸事故，对人员生命安全 及周边设备 、建筑环境造成 巨大危害【 l J 。 L NG泄漏扩散的研究方式主要有现场试验、 实 验室模拟、风洞实验和数值模拟几种方式。鉴于现 场试验 的种种缺憾 以及 日益发达 的现代计算机技 术， L NG的泄漏扩散研究已从现场试验层面发展到 了数值模拟阶段。结合大气污染扩散理论和数值计 算方法 国内外学者已研究出一系列用于气体泄漏扩 收稿 日期2 0 1 2 ． 0 6 0 9 ；修改稿 日期2 0 1 2 ． 0 7 0 9 。 第一作者及联系人唐建峰 1 9 7 3 一 ，男，博士，副教授，主要从 事液化天然气 、 天然气输配、 天然气水合物及油气田地面集输等工作。 E- ma i l t a n g _i 咆 1 2 6 t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 9期 唐建峰等液化天然气水平连续泄漏重气的扩散过程 1 9 0 9 散过程模拟的数学模型 ， 较为经典的模型有 B M 模 型 、 箱板模型、浅层模型和 C F D模型等[ 9 - 1 4 ] 。S L A B 模型是一种典型的浅层模型，是基于 Z e ma n [ 提 出 的空气卷吸和重气云团扩展概念上发展起来 的，能 够模拟连续泄漏的重气云团扩散过程 。应用建立的 数 学模型 ，可以对液化天然气的扩散行为进行模拟 研究，了解泄漏形成的混合云团空间形状 、到达范 围及泄漏气体在混合云团中的浓度分布、扩散云团 温度分布等 。 1 L NG泄漏扩散影响因素 L NG泄漏扩散过程的影响因素分为气象 因素、 地理 因素和泄漏参数等。气象因素包括环境风 、大 气湍流、温度层结、太 阳光热辐射、云和环境大气 压力；地理因素包括地形、地物与局地气流；泄漏 参数包括泄漏气体的参数、泄漏气体的初始状态和 泄漏形式 J 。对 L NG 扩散过程 的影响因素并非 单一作用 ，本文将针对这些影响因素对液化天然气 连续泄漏 的扩散行 为进行综合分析。 2 s L A B重气扩散模型 在常温常压下，气态天然气密度 比空气小，属 于轻质气体， 但是液化天然气的储存温度为一 1 6 0 o C 左右，其在发生泄漏时首先吸收环境 中热量，急剧 蒸发汽化，与环境大气之 间发生热量交换与质量交 换，形成气体一 液滴混合云团， 混合云团密度大于空 气密度，属于重质气体，扩散过程与轻质气态天然 气不同，带有明显的重气扩散特 点。 本文结合适用于重气扩散过程模拟 的 S L A B稳 态烟羽模型[ 1 9 ] 进行 L NG泄漏扩散研 究。S L AB稳 态烟羽 模型考虑 了气体扩散过程 中的重力作用与 空气卷吸作用 ，计算相对 C F D模型简单，且对气 体扩散过程 中的云 团宽度 、高度及泄漏气体浓度 随下风 向距离 的变化规律进行 了计算 ，具有拟三 维 的特 点。该模型是基于定常态 、横风 向上各参 数均匀一 致的质 量、动量和组分守恒方程基础上 建立起来 的，能够模拟 云团在平坦地 面无障碍物 情况下的扩散行为， 其主要的控制方程如式 1 ～ 式 1 0 所示 。 组分守恒方程 p U B h m ’ 1 质量 守恒方程 p v s h ’ 2 能量守恒方程 p U B h c p T ’ p , V o h w 3 c pa T ． 3 p } t 方向动量守恒方程 p U B h U ’ 一0 ．5 a g g I P p B h ] 4 】 ， 方 向动量守恒方程 地面源 p u s h y , ． ． g 一 5 a 架空源 0 5 b z方 向动量守恒方程 架空源 一 g 一 6 a 地面 源 一 V g Z ／ B 6 b 半宽公式 U B ’ ／ 7 U b V , b ／ 8 8 高度参数公式 U Z’ 9 状态方程 P ／ 1 0 M a e I ． m aa } I J M M a M ＼ J } P , ／ P 。 m w d ／ 。 只 a p , R o T ／ M 求解控制方程式 1 ～式 1 0 ，可以得到混 合云团参数 ， m ， T ， U 和云团的形状与尺寸参数 B ， b ， h ， Z c 等，模型中各具体参数的计算见参考文 献[ 2 0 ] 。 云团中泄漏气体的体积浓度计算公式如式 1 1 所 示 。 c v 丽 m a m 3 重气扩散过程模拟程序设计 3 ． 1 模拟参数确定 重气扩散过程模拟需要必要的基础参数，直接 影响模拟效果，下文就模拟程序建立过程中几个重 要参数 的选取进行具体阐述。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 化 工 进 展 2 0 1 2年第 3 1 卷 1 大气稳定度 大气稳定度指环境大气的 稳定程度 ，其对泄漏气体在环境中的扩散有重要影 响。本文中的大气稳定度 S采用文献[ 2 0 1 中的标准 帕斯奎尔一 吉福德法对大气稳定程度进行分级。 2 地表粗糙度地表粗糙度 Z n 的选取是根 据下垫面的地形地貌来确定的。 对于连续泄漏情形， 平均时间为 1 0 mi n的情况下， 地表粗糙度 的取值范 围取 白文献[ 2 1 1 。另外一些典型下垫面 的粗糙度按 文 献[ 2 0 ] 选取 。 3 ． 2 模拟程序实现 本文利用 MA T L AB语言，根据重气扩散阶段 程序框图进行了模拟程序的编制，可 以计算扩散阶 段云 团内各项参数的变化规律 ，程序框 图如 图 1 所 示 。 4 重气扩散过程模拟 下文针对水平喷射泄漏源 ，使用编制的连续泄 漏扩散模拟程序 ，分析在不 同环境条件下，液化天 然气连续泄漏重气扩散阶段 的扩散行为特点。 4 ． 1 模拟基础数据 水平喷射泄漏在本文 中指液化天然气经 由孔 口水平沿下风 向喷射漏出，该种形式下，由于液氨 具有与液化天然气相似的扩散特性 ，因此，本文采 用 1 9 8 5年劳伦斯立威尔莫国家实验室 L L N L组 织进行的 De s e T o o i s e 4号现场泄漏试验的基础 数据进行模拟研究。在该试验中，使用液氨作试验 介质，液氨带压储存，初始泄漏相态为两相流 液 滴与蒸气的混合物 ，泄漏源为水平喷射连续泄漏 ， 泄漏速率 1 0 7 ． 8 7 k g ／ s ，环境风速 4 ． 5 m ／ s ，环境温度 3 0 6 ． 2 K，相对湿度 2 1 ． 3 ％，地表粗糙度 0 ． 0 0 3 m。泄 漏气体参数、泄漏形式及环境大气参数等基础数据 取 自文献 [ 2 0 ] 。 另外 ，采用1 9 8 0年在 加利福尼亚州 中国湖 C h i n a L a k e 进行的 B u r r o系列第 8号试验现场基 础参数 ，对液氨水平喷射泄漏过程进行对比研究分 析，该试验是由美国劳伦斯立威尔莫国家实验室和 海 军武 器 中心 联合 完成 的，主要 环境 参 数见 文 献 【 2 O ] 。 模拟计算中假设泄漏源位置 ， Y ， z 1 , 0 ． 0 ， 计算从下风 向距离 x l m处开始 ， 选取步长 h 0 ． 0 0 1 m，模拟计算结果均采用半对数坐标系对各参数的 变化规律进行展示。 4 ． 2 模拟计算结果 根 据选择的试验环境条件进行扩散行为模拟 计算， 得到了液氨泄漏后形成的扩散云团内密度 p、 温度 、体积浓度 C v 、干空气 md a 、液氨蒸气 m。 、 水含量 mw 、云团高度 h和横截面半宽 等参数随 下风 向距离 X的变化规律。 1 云团高度 h随下风向距离 X的变化图 2 为两种试验条件下液氨泄漏后扩散云团高度随下风 向距离 X的变化 曲线图。可 以看出在两种试验条件 下，液氨 白喷射 口水平喷出后，云团高度都是逐渐 增大的。泄漏初始时云团高度变化比较缓慢 ，后期 变化逐渐加剧，且重气扩散阶段接近结束时 De s e 图 1 重气扩散阶段程序 框图 图 2 两种试验条件下 h随下风向距离 X的变化 曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 9期 唐建峰等 液化天然气水平连续泄漏重气 的扩散过程 T o r t o i s e 4号试验条件下的云团高度要大于 B u r r o 8 号试验条件下的云团高度。这种变化趋势 的主要原 因是液氨的液相含量很高 为 0 ． 8 1 ， 泄漏初期云团 湿而冷 ， 密度较大， 重气效应 占据 了绝对领导地位， 使扩散云团紧紧贴近地表运动 ，从而抑制了云团向 高空的发展 。而重气扩散阶段接近结束时，重气效 应逐渐消失，大气湍流占据 了主导地位，云团高度 迅速增大 。造成两种环境条件下云团高度差别的主 要原因是 ， B u r r o 8号试验条件 的环境温度与 De s e r t T o r t o i s e 4号试验相 同，但环境风速较低，导致大气 湍流运动相对于 D e s e r t T o r t o i s e 4号试验较弱 ， 重气 扩散阶段接近结束时的云团高度较低。 2 云团半宽 随下风 向距离 的变化 图 3 为两种试验条件下液氨泄漏后扩散云团横截面半宽 随下风 向距离 的变化 曲线 图。由图 3可知，两种 试验条件下 ，扩散云团横截面的半宽度随着下风 向 距离 的增大都是逐渐增大的。泄漏初期的增长较 为缓慢，重气扩散末期的增长较快。主要原因是泄 漏初期重气效应 占据主导地位，扩散云团在重力的 作用下贴近地表向四周扩展 。且 B u r r o 8号试验环 境条件下扩散云团的半宽要大于 D e s e r t T o r t o i s e 4 号试验环境条件下的半宽。在环境温度相同的条件 下 ， B u r r o 8号试验的环境风速和地表粗糙度相对较 小，导致重气效应相对 D e s e r t T o r t o i s e 4号试验要 强 ，重气扩散末期扩散云团横截面的半宽度更大 。 3 云团密度P 随下风 向距离 的变化图 4 为两种试验条件下扩散云团密度 随下风 向距离 X的 变化规律。可以看出，扩散云团的密度随下风向距 离 的增大逐渐 降低 ， 最后云团密度接近空气密度， 表示重气扩散阶段在该点结束。两种试验条件下扩 散云团的密度变化趋势基本相同。 4 云团温度 随下风向距离 的变化图 5 为两种试验环境条件下扩散云团整体温度随下风向 距离 的变化规律。可以看出，随着下风 向距离 的增大，扩散云团温度上升，并逐渐接近环境空气 温度 。 经计算可知， De s e r t T o r t o i s e 4号试验条件下， 下风 向距离在 x l ～2 5 ． 6 7 m处，扩散云团的温度介 于一 3 4 ～0℃之间，B u r r o 8号试验条件下，下风 向 距离在 x l ～2 4 ． 1 8 m处，扩散云团温度介于一 3 4 ～0 ℃之问，两个区域 内的环境温度低于 0℃，属于低 温区域。 工作人员在低温环境下进行较长时间作业时， 会逐渐出现呼吸、心率加快、颤抖、头痛等症状 ， 缺少防护情况下会造成窒息、低温麻醉等危害，与 低温云团以及被云团包裹的工艺设备接触会造成人 体皮肤撕裂和冻伤 。因此，发生液化天然气泄漏事 故时工作人员和 急救人员应采取必要的低温防护 措施。 5 云团中液氨蒸气含量 m 。 随下风向距离 x 的变化图 6为两种试验环境条件下扩散云团中液 氨蒸气含量随下风 向距离 的变化规律。可以看出 两种环境条件下随着下风 向距离 的增大 ，伴随扩 散云团与环境大气之 问的质交换，云团体积逐渐膨 胀，液氨蒸气含量逐渐降低。 6 云团中含水量 m 随下风 向距离 的变化 图4 两种试验条件下p随下风向距离 的变化曲线 图3 两种试验条件下 B随下风向距离 的变化曲线 图 5 两种试验条件下 T随下风向距离 的变化曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 化 工 进 展 2 0 1 2年第 3 1 卷 图6 两种试验条件下 m 随下风向距离X的变化曲线 图 8 两种环境条件下 d a 随下风向距离 x的变化 曲线 图7 两种环境条件下 m 随下风向距离X的变化曲线 图 7为两种试验环境条件下，液氨泄漏后扩散云团 中的水含量随下风向距离 X的变化曲线图。由图可 知，随下风向距离 X的增大，混合 云团中的水含量 逐渐增大 ，这是由于初始泄漏时云团中不含水，随 着空气卷吸效应 的发生，空气中水分伴随湍流运动 进入混合云团中。在模拟结束时，De s e T o o i s e 4 试验条件下云团中水含量远高于 B u r r o 8 试验条件， 原因是两种环境条件下， 大气温度相同 为 3 0 6 ． 2 K ， 但相对湿度差别较大，分别为 2 1 ． 3 ％和 4 ． 6 ％，这样 气 体扩散过程 中云团与环境 问水 的质交换也就不 同。重气阶段模拟结束时，混合云团中的水含量均 接近于两种环境条件下的空气含水量 ，说明相对湿 度对泄漏气体的扩散具有重要影响。 7 云团中空气含量 md 随下风 向距离 X的变 化 图 8为两种试验环境条件下，液氨泄漏后扩散 云团中的空气含量随下风 向距离 X的变化曲线图。 通过该图可以看出，混合云团中的空气含量随着下 风向距离 的增大逐渐增大。气体泄漏后 ，在大气湍 流和空气卷吸的影响下会发生质交换，该图就很好 的解释 了这一现象 。起初在重气效应影响下，云团 与环境间空气卷吸作用较弱 ，随着大气湍流逐渐 占 1 0 ． 9 0 ． 8 0 ． 7 0 ．6 0 ． 5 0 ．4 0 ． 3 0 ． 2 0 ． 1 O 图 9 两种试验环境条件下 随下风 向距 离 X的变化 曲线 据主导地位 ， 空气大量进入扩散云团， 将云团稀释， 扩散云团中液氨含量几乎为零。 8 云团中液氨体积分数 C v 随下风向距离 X 的变化图 9为两种试验环境条件下扩散云团中液 氨体积含量随下风 向距离 X的变化 曲线图。可以看 出，随下风向距离 的增大，液氨体积含量逐渐降 低 。重气扩散结束时，两种环境下的体积分数分别 达到 0 ． 0 4 1 5 De s e T o r t o i s e 4号和 0 ． 0 4 5 9 B u r r o 8号 。由于水平喷射连续泄漏使用的介质是液氨 ， 而液氨蒸气与空气混合时， 燃烧极 限为 1 6 ％2 5 ％， 经模拟计算可知，De s e T o o i s e 4号和 B u r r o 8号 试验 环 境条件 下 ，在 下风 向距 离 泄漏 点分 别 为 2 8 ． 1 ～3 4 ． 2 7 m和 2 6 ． 6 7 3 3 ． 9 7 m 的范围内是有燃烧 爆炸危险的，应该注意该区域的防护疏导工作。 5 结 论 1 结合 S L AB 稳态烟羽扩散模型对液化天 然气重气扩散阶段的云团特性进行了研究，通过求 解方程组 ，可以得到下风 向任意距离 X处的云团参 数和形状尺寸参数，研究 了液化天然气泄漏后与外 界环境间的热、质交换规律以及重气效应等对扩散 的影响。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 9期 唐建峰等 液化天然气水平连续泄漏重气 的扩散过程 1 9 1 3 2 在建立数学模型的基础上， 利用 MA T L AB 语言编制了连续泄漏重气扩散模拟程序 ，计算扩散 阶段云团各项参数的变化规律 ，能够为事故的预警 和人员疏导工作提供帮助 。 3 通过对扩散云团参数的变化规律分析，得 到气体泄漏后的危险区域主要发生在重气扩散阶段。 4 通过模拟计算得到，两种试验条件下云 团高度 h 、横截面半宽度 、温度 含水量 m 和 空气含量 md 随下风 向距离 x的增大逐渐增加 ，而 扩散云团密度P 、 云团中液氨蒸气含量 m。 和液氨体 积含量 C v 随下风向距离 的增大逐渐减小； 爆炸危 险区 分 别 为距 离泄 漏 点 2 8 ． 1 ～3 4 ． 2 7 m 和 2 6 ． 6 7 ～ 3 3 ． 9 7 m 处，低温危险区为别为下风 向距离 x l ～ 2 5 ． 6 7 m 和 x l ～2 4 ． 1 8 m 处 。 符号说明 b 云团半宽参数 ，m 云 团半 宽，m 比热容，J ／ K 厂 能量 ，J ／ m s h 云团高度，m M 分子质量 ，k g m 泄漏气体质量浓度 ，k g ／ m 温度 ，K 云团沿风 向上速度 ，m／ s 水平 方向上速 率，m／ s 垂直方 向上速 率，r r g s 下风向距离，m Z 云团高度 参数，m P 云团密度 ，k g ／ m 下角标 a p pc。。。。。。。。。。。。。。。。 t U vg。。。。。。。。。。。。。。。 W- - - - - - - - - - - - 一 空气 重力 定压 相变 地表热 下风 向摩 擦 横风 向摩擦 泄漏源 ￡ 卷吸 参考文献 [ 1 ] 周彦波， 黄俊， 鲁军． 液化天然气泄漏与扩散的安全性分析[ J J ． 天 然气工业 ，2 0 0 7 ，2 7 1 1 3 1 - 1 3 3 ． [ 2 ] 李志达．L N G气化站的安全技术措施与事故应急预案[ J ] ．煤气与 热 力，2 0 0 7 ，2 7 3 4 9 5 3 ． [ 3 ] 杨伟波．L N G气化站的技术安全要素【 J ] ．上海煤气，2 0 0 7 1 1 9 ． 21 ． [ 4 ] 李雪梅，吴善军．浅谈液化天然气工厂管道系统 L NG的泄漏及预 防叨，石油知识，2 0 0 3 6 2 8 ． 2 9 ． [ 5 ] 薛 洁 ． 浅 析L NG 站 的 消 防 安 全 问题 及 其 对 策 [ E B ／ O L ] ． 2 0 1 0 0 6 - 2 5 [ 2 0 1 2 0 4 - 1 1 】 ．h t t p ／ ／ w ww ． q h 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