液化天然氣運輸過程瞬態泄漏擴散仿真

李迓紅,朱玉琴

(西安石油大學化學化工學院,陜西 西安 710065)

1 引言

現階段,煤炭、石油等能源已經難以滿足社會經濟發展需求,液化天然氣作為清潔能源引起人們廣泛關注,進入發展的黃金時期[1]。液化天然氣屬于一種低溫液體,蒸發后變為易燃易爆氣體,如果出現泄漏,將對周圍人員和建筑環境帶來以下危害:低溫危害,液化氣在運輸過程中的保存溫度為-162℃,若出現泄露,和室外溫差相差很多,會形成沸騰蒸發現象,吸取環境中的熱量,降低周邊溫度,導致人員凍傷,更為嚴重的是若噴濺到碳鋼設備上,會使設備斷裂,造成二次傷害;易燃易爆,液化氣泄露后會快速變換為氣態,在大氣中漂移,當濃度達到一定范圍后,遇到明火會發生燃燒,儲存裝置在火焰加熱下溫度快速上升,提高體內壓力,容易爆炸;窒息危害[2],甲烷是液化天然氣的主要成分,雖然屬于無毒氣體,但大量甲烷混入空氣后,降低氧氣濃度,使人呼吸急促,若持續時間較長會有生命危險。

因此,為避免上述危害,必須保證天然氣在運輸過程中的安全,即使發生瞬態泄露也要在最短時間內采取合理的應對措施,確定安全區域,最大程度降低危害。隨著泄露事故的增多,天然氣的泄露擴散研究受到更多學者重視?，F階段,研究方式主要包括現場試驗、風洞試驗以及數學模擬[3]。其中,現場試驗的缺陷是投資較大,研究時間長,試驗過程中的風險不可控性很強[4];風洞試驗主要面臨風洞尺寸不容易掌握等問題[5]。

相比之下,數學模擬的方法無需構建試驗基地,模擬周期短,且可以重復進行,成為最受歡迎的研究方法。本文分析了影響擴散的主要因素,獲取泄露后云團初始質量和狀態,通過DPM(離散相模型)描述泄露擴散規律[6],為事故應急預案制定、安全區域確立提供指導意見,同時也保障人們生活與財產安全。

2 影響泄漏擴散的因素分析

2.1 液化天然氣特征參數

液化天然氣是經過凈化、超低溫等一系列處理形成的,內在包含大量甲烷和少量乙烷、一氧化碳等物質[7]。其熱值很高,充分燃燒后只有水和二氧化碳。作為一種清潔能源,主要特征參數見表1。

表1 液化天然氣特征參數表

2.2 影響擴散的基本因素

影響液化天然氣瞬態泄漏擴散的因素非常多,基本因素包括如下幾點。

1)泄露源:表示泄漏情況下,儲存罐設備的填充情況、泄漏孔徑大小等。其中,填充情況影響著泄漏形式,當運輸儲存罐上出現裂縫時,罐內壓力降低,生成大量氣泡,導致罐體破裂。此種狀態下,泄漏氣體中會摻雜液體,擴散形式為重汽擴散。

2)大氣環境

風場:主要分為風速與風向兩個方面,風向是指當泄漏事故發生后,下風向區域的危險性較強。與風向相比,風速的影響較為復雜。風速越大,空氣流速越快,天然氣的擴散越劇烈,蒸發量也隨之提高。但如果風速持續增大,下風向氣體濃度會因紊流作用的增強而下降[8]。

溫度:環境溫度直接影響液化天然氣的蒸發速度,溫度越高的情況下,蒸發量越大,初始泄漏速率也越高。另外,擴散初期為重氣擴散,溫度也會對換熱量造成影響。

濕度:描述空氣的干燥性,空氣中水分越少,表明干燥性較強,空氣密度也隨之增大。重氣擴散會因為濕度大小的改變轉化為非重氣擴散。

大氣穩定度[9]:與地面相近的大氣會做垂直運動,影響著氣體擴散程度。如果大氣穩定度較高,垂直運動對擴散的推動作用較小,可抑制云團擴散;反之若穩定度低,對流運動劇烈,促使云團快速擴散。

輻射量:輻射多少決定著泄漏后液池的換熱量,進而影響蒸發速度。此外,輻射量還會影響大氣穩定性,擴散情況間接受到影響。

3)地表環境:當地面粗糙時,蒸汽在擴散過程中受到的阻力越大,不利于擴散行為。當地面坡度較大時,重力作用越強,下坡方向的擴散速度越快。

3 基于離散相模型的液化天然氣瞬態泄漏擴散模擬

3.1 云團初始特征

1)初始質量

液化天然氣出現瞬態泄漏時,會發生閃蒸現象,且云團中會帶有部分空氣,所以云團初始質量是泄漏量和空氣質量的總和,質量計算公式如下[10]

(1)

式中,me0、me1和me2分別代表蒸汽體中的甲烷含量、甲烷液滴量和初始濕空氣質量,mc與ma表示泄漏總量和初始干空氣量。d描述干空氣的含濕量,q和q1分別是閃蒸率和夾帶空氣比。

2)初始狀態

閃蒸液化氣和空氣相融后會實現熱量平衡[11],假設此時溫度為T0,則上述過程的熱量描述為

mc(T-Ta)cg+m0(T0-Ta)+Hv

(2)

式中,下角標0、g、a和w分別代表初始狀態、甲烷狀態、干空氣以及濕空氣狀態,Hv和Hvi分別描述天然氣的汽化熱以及冰的融化熱。

3.2 瞬態泄漏質量流速計算

對于瞬態泄漏而言,部分天然氣會閃蒸為氣態,另外一部分并不能完全閃蒸,以液滴方式存在,瞬態泄漏屬于氣液兩相泄漏。在模擬泄漏擴散過程中,閃蒸部分的占比f的表達式如下[12]

(3)

式中,C?代表泄漏物質的定壓比熱,t與tc分別為泄漏物質溫度與沸點,F是汽化潛熱。

天然氣泄漏的質量流速[13]表達式如下

(4)

(5)

式中,A為泄漏處面積,C是泄漏系數,ρ1、ρ2、ρ3分別代表兩相流混合密度、氣體和液體密度。P與PC表示儲存罐壓力和臨界壓力。

3.3 泄漏擴散模擬

通過對云團初始狀態和質量的計算,在天然氣閃蒸氣中液滴質量大概占80%,但體積分數僅有1%,分散較為稀薄,因此本文選用離散相模型實現泄漏擴散模擬。離散相模型主要由以下部分構成。

1)動量守恒

X、Y和Z方向上的動量守恒方程[14]分別如下

(6)

(7)

(8)

式中,u、v和w分別表示天然氣在X、Y和Z三個坐標軸上的蒸發速度,p是蒸發后氣體密度,?屬于導數符號,KX、KY和KZ分表示不同方向上的體積力分量,μ描述流體粘度,I是靜壓力。

2)能量守恒

泄漏處的天然氣會與周圍環境做熱交換,在此過程中必須符合能量守恒定律[15]

(9)

式中,q代表比熱容,T′是流體溫度。

3)質量守恒

泄漏物質在擴散過程中會和空氣中的氧氣與氮氣融合,融合后的云團物質結構多樣,每種組分均要滿足質量守恒

(10)

式中,b1和b2分別代表空氣中不同物質的體積分數,G1與G2為不同物質的擴散系數。

滿足上述動量、能量和質量三個守恒方程,即可實現對液化天然氣瞬態泄漏擴散過程的數學表示。假設所有氣體均為理想氣體,則蒸發后氣體密度需滿足的狀態方程為

(11)

式中,R′代表氣體常數,M是平均摩爾質量。

4 仿真數據分析與研究

假設某大型罐式集裝箱在運輸過程中發生瞬態泄露,漏點在儲罐接管上,直徑是10mm,與地面之間的高度是5.5m。集裝箱參數如表2所示。

表2 集裝箱主要參數

實驗場地選取某無人空曠地帶,場地大小為50×50m,四周設置遮擋,確保人員絕對安全。選定泄露點,以其為圓心,劃分出一個半徑為15m的圓,在圓形區域內放置8個超風波風向儀。利用紅外氣體傳感器監測甲烷濃度,通過熱電偶獲取泄露點四周溫度變化情況。仿真系統結構如圖1所示。

圖1 仿真系統結構示意圖

由圖1可知,除了甲烷濃度測試設備和熱點耦外,實驗所需設備如下:風速傳感器,型號為FC-5SX罩杯式傳感器,數量為4個;防爆電子秤,具備超低溫電磁閥,數量1個。另外輔助測試平臺由傳輸電纜、主機、筆記本電腦和數據采集設備組成。為確保實驗安全,專門設置聲光報警器、防凍和防火設備、急救設施等。

實驗所測內容包括:溫度、風向和風速等氣象參數、泄露點幾何參數、泄露量、甲烷濃度、擴散時間等。在上述仿真環境下,利用本文方法進行擴散模擬,由于影響泄漏的基本因素較多,實驗選擇影響較大的因素,分別分析在不同時間、不同泄露強度和不同風速下的泄露擴散情況。

1)不同時間下擴散模擬

利用相關軟件描述液化天然氣的泄露過程,將泄露強度、泄露距離、大氣等級、風速等參數輸入到軟件窗口,自動繪制出氣云擴散區域隨時間的變化情況,仿真結果如圖2所示。

圖2 氣云擴散區域仿真圖

由仿真結果能夠看出,氣云隨在三維空間中隨泄露時間的推移,逐漸變大后區域平穩。當泄露時間為400s時,氣云基本保持不變。模擬結果和實際情況一致,即針對瞬態泄露源而言,當濃度場穩定后,不會隨時間的改變而改變。

2)不同泄漏強度下的擴散仿真

在瞬態泄露過程中,相同時間泄露的天然氣質量不同,蒸發量也不相同,因此氣云覆蓋區域也有所差別,分別在泄露量為2kg/s、4kg/s和8kg/s是進行仿真,則危險區域隨泄露強度的變化如圖3所示。

圖3 不同泄露強度下危險區域擴散情況

由圖3可知,不同泄露強度所對應的危險區域不同,強度越大,覆蓋的危險區域越廣。即擴散面積和泄露強度之間正相關。且氣云形成區域在X軸與Y軸方向同時增大。這是因為蒸發量隨泄露強度的增大而增大,提高氣體濃度差,擴大了分子擴散面積,使分子在每個方向上都存在。

3)不同風速下的擴散模擬

風速對擴散作用的影響體現在云團輸送、濃度稀釋等方面。分別在一級、三級和五級風速情況下模擬擴散區域,仿真結果如圖4所示。

圖4 擴散情況隨風速變化情況示意圖

由圖4能夠看出,當風速等級相同時,隨時間的推移,泄漏危險涉及的區域逐漸擴大;在不同風速下,如果濃度沒有穩定,此時風速越大,危險區域越大,例如泄漏時間為20s時,五級風和一級風的危險區域分別最大與最小。造成此種現象的原因是氣體濃度沒有穩定時,較大的風速對于泄漏的天然氣具備更強的輸送作用。當濃度穩定后,風速越大,其對應的危險區域越小,這是因為較大的風速加快了氣云稀釋作用,提高氣體擴散速度,形成的危險區域較小。

5 結論

為有效降低液化天然氣泄漏后造成的風險,本文對其瞬態泄漏擴散情況進行仿真。仿真結果表明,泄漏危害區域隨時間、泄漏物質強度和風速的變化都有明顯改變,因此在制定事故風險預案時應考慮泄漏位置的常年主導風向,根據時間與泄漏強度實際情況做出綜合決策。