浮式液化天然氣生產儲卸裝置重氣泄漏擴散模擬分析

余建星，唐建飛，劉 源，馬維林，李 妍

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

浮式液化天然氣生產儲卸裝置重氣泄漏擴散模擬分析

余建星，唐建飛，劉 源，馬維林，李 妍

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

為了研究浮式液化天然氣(FLNG)生產儲卸裝置的甲板上部區(qū)域儲罐發(fā)生泄漏后的擴散后果，建立了FLNG裝置甲板上部區(qū)域的泄漏擴散模型，并利用計算流體力學(CFD)技術對其進行了液化天然氣(LNG)重氣泄漏的擴散模擬，得到了擴散后的區(qū)域影響結果，模擬結果滿足重氣擴散過程的堆積理論和低壓卷吸理論．結果表明：該模型和模擬方法能夠在一定程度上反映LNG泄漏擴散的真實物理情況，當離生活區(qū)最遠儲罐的前表面發(fā)生泄漏后，其泄漏范圍不會擴散到生活區(qū)，對生活區(qū)沒有影響；而當位于FLNG中部附近的儲罐前表面發(fā)生泄漏后，在動力區(qū)建筑物的影響下，生活區(qū)背風處會形成低壓空腔區(qū)，且該區(qū)域的LNG濃度較高．

浮式液化天然氣生產儲卸裝置；重氣泄漏；堆積理論；低壓卷吸理論；計算流體力學

大多數(shù)有毒有害氣體物質的意外泄漏在泄漏源附近會形成低動量的連續(xù)釋放源或擬瞬時源．如果泄漏物質分子量比空氣大(如液化天然氣(liquefied natural gas，LNG))，再加上較低的環(huán)境溫度、較高的儲存壓力以及化學轉變等原因，則會形成比空氣重的氣云，稱為重質氣體(簡稱重氣)[1]．

對于浮式液化天然氣(floating liquefied natural gas，F(xiàn)LNG)生產儲卸裝置來說，其泄漏事故中泄漏出的超低溫LNG暴露在空氣中，接觸周圍暖空氣時會迅速閃蒸，一部分物質形成蒸氣，其余部分則呈液體狀態(tài)，以保持氣液平衡，同時相當一部分液態(tài)物質以液滴的形式霧化在蒸氣介質中[2]．在LNG泄漏初期，形成含有液滴夾帶的混合蒸氣云團，該云團平均密度大于空氣密度，因此形成了泄露重氣．

考慮到在FLNG重氣泄漏模擬中，模型要求較低，但要模擬的是LNG在空氣中的傳播，這屬于多相流模型；對于多相流模擬則要求較高，且需要實時監(jiān)測泄漏點周圍的氣體濃度，以衡量該區(qū)域內的LNG是否達到預設的爆炸范圍和致傷濃度，并以此來確定安全范圍，因此需要模擬工具具有較強大的后處理功能與輸出功能．計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)技術能夠如實地反映流場的真實變化，將其應用于FLNG重氣泄露擴散的模擬也能顯示出其后處理功能的優(yōu)越性[3-4]，因此，筆者利用CFD進行FLNG重氣泄露擴散的模擬．

1 重氣擴散的基本理論

在研究重氣擴散的過程中，主要形成了兩大重要理論，即堆積理論和低壓卷吸理論[5-7]．

1.1 堆積理論

當泄漏發(fā)生后，重氣會有明顯的沉降現(xiàn)象，其擴散在每個方向都有流動速度，同時每個方向也都受阻力影響．其中，由于重力的作用，重氣向上擴散的難度最大，因此重氣會先向水平方向擴散，使水平方向的重氣濃度上升，從而阻力增大；隨著阻力的增大，其大小會逐漸逼近重力，從而使水平方向擴散速度降低，垂直方向擴散速度增加，最終達到相等，此時重氣邊界稱為擴散的軟邊界．由于這一軟邊界的存在，使得重氣泄漏時會在軟邊界內堆積，造成周圍濃度的上升出現(xiàn)遲滯期，越靠近地面，堆積效果越明顯，遲滯也就越短．然后，重氣開始向上沿軟邊界攀爬，在此時間內濃度上升緩慢；當空氣軟邊界無法支撐重氣的重量時，垂直堆放的重氣會沖破軟邊界并在重力作用下沉降，形成“坍塌”，使近地點處重氣濃度迅速上升并出現(xiàn)分層，近地點處重氣濃度高，遠地點處重氣濃度低；此后，重氣會再次形成擴散軟邊界，然后沿其攀爬，隨后坍塌，形成新的擴散區(qū)，并通過這一過程不斷向外擴散．

1.2 低壓卷吸理論

在實際發(fā)生的氣體泄漏擴散事故中，在泄漏源或擴散過程中往往存在不同類型的障礙物，由于障礙物的存在改變了大氣的流動，使得有障礙物情況下的重氣擴散過程更為復雜．Thorney Island系列實驗[3]證明，由于建筑物的存在，迎風面距離地面較高位置的氣云濃度要比靠近地面背風面位置的氣云濃度高，但在高處高濃度的停留時間要比低處高濃度的停留時間短，和平坦地形時的情況完全相反．主要原因如下：建筑物的存在改變了大氣的流動，同時由于氣體的浮力作用，產生了向上的速度，使得氣云會沿著建筑物前沿向上方擴散，形成局部的高濃度區(qū)，增大了重氣在垂直方向的危害范圍；重氣的重力作用和空氣的稀釋作用使得氣體上升的趨勢減弱，同時由于風遇到建筑物壁面后產生了橫向的左右分流，使得風夾帶的氣體在遷移擴散過程中也產生了橫向的左右分流，在縱向和橫向渦旋的共同作用下，氣體會繞過建筑物；當氣流繞過建筑物后，在背風區(qū)產生了速度虧損和渦旋現(xiàn)象，形成一個空腔區(qū)，空腔區(qū)內的回流作用使重氣長時間積聚在此處而不易擴散開來，形成了高濃度區(qū)．在重氣擴散過程中，重力擴展階段及障礙物附近會產生回流．

2 計算理論與模型建立

2.1 計算理論

LNG在復雜地形下的遷移擴散屬于三維過程，特別是在油氣儲罐、上層建筑或明顯空間變化的影響下，氣體局部積聚，重氣沿FLNG甲板蔓延等現(xiàn)象需要用三維湍流模型模擬．湍流數(shù)值模擬主要有直接數(shù)值模擬(direct numerical simulations，DNS)、大渦模擬(large eddy simulations，LES)和雷諾統(tǒng)觀模擬(Reynolds association numerical simulations，RANS)方法．前兩類分別基于求解穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的三維方程，需較大的計算機容量和計算時間，因而限制了它們的使用范圍；第3類主要依賴于求解雷諾時均方程及關聯(lián)量輸運方程，使用范圍較廣．根據(jù)雷諾時均Navier-Stokes方程對湍流模式處理的不同，湍流模型可分為渦黏性模型和雷諾應力模型．根據(jù)FLNG模型的具體情況，采用Realizable κ-ε雙方程模型[8-10].

在Realizable κ-ε湍流模型中，κ和ε方程分別為

其中

此κ方程和標準κ-ε方程在形式上完全一樣，只是模型常數(shù)不同；而此ε方程和標準κ-ε模型、RNG κ-ε模型的ε方程有很大不同，即湍流生成項中不包括κ的生成項，它不含有相同的kG項．

湍流黏性系數(shù)μt與湍流動能κ和湍流耗散率ε的關聯(lián)式為

不同于標準κ-ε模型和RNG κ-ε模型，此時Cμ不再是常數(shù)，其計算式為

其中

式中Ωij是從角速度為ωκ的參考系中觀察到的時均轉動速率張量．顯然，對于無旋轉流場，式(6)中U*計算式根號中的第2項為0．

2.2 FLNG甲板上部區(qū)域模型建立

從LNG重氣泄漏擴散出發(fā)，以典型FLNG為例，選擇Realizable κ-ε湍流方程，利用CFD技術對FLNG甲板上部區(qū)域的儲罐泄漏進行模擬．

由于在考慮泄漏問題時，主要研究泄漏氣體的流動流域，所需要的模型是FLNG上除去甲板上部設備的區(qū)域．因此，需要在擬擴散區(qū)域內減去甲板上部的各儲罐，并在下側建立FLNG上甲板模型，從而得到甲板上部區(qū)域的計算模型．圖1中，最外層為模擬擴散區(qū)域，分別從FLNG首尾向外延伸100,m，向船舷兩側延伸15,m，從甲板向上延伸100,m，從而保證研究范圍的充分性，避免因為研究范圍過小所導致的結果誤差．

圖1 FLNG甲板上部區(qū)域模型Fig.1 Model of upper deck area of FLNG

模型建立完成后，需要對其進行網格劃分，并對其中的各表面進行命名．根據(jù)FLNG的實際情況，構造模型中的各表面，并分別進行命名以便區(qū)分，命名情況如表1所示．

表1 模型各表面的命名Tab.1 Naming for every surface of model

3 模擬結果分析

由于篇幅所限，以計算開始10,min內LNG由TS6-L-F面(離生活區(qū)最遠的儲罐前表面)向外泄漏以及計算開始30,min內LNG由TS3-L-F面(位于FLNG中部附近的儲罐前表面)向外泄漏這兩例進行研究．由于在泄漏前整個計算區(qū)域內相當于穩(wěn)定流動，因此，首先計算無泄漏情況下的穩(wěn)態(tài)模擬結果，并將此計算結果作為泄漏情況的瞬態(tài)模擬初始值文件；然后再以瞬態(tài)模擬的結果作為LNG重氣擴散模擬的初始值文件進行下一步的通風計算．

3.1 靜態(tài)模擬

(1) 分析類型：穩(wěn)態(tài)．

(2) 域內設定．

域內流體：理想可壓縮空氣(Air)，自定義LNG重質氣體(Lng)．

域內浮力模型：多相流模擬(開啟Buoyancy模型)，在z方向重力加速度為-g，相對參考密度選為密度較小的空氣密度(1.226,m/s)．

熱量傳輸模型：Thermal(熱量)模型，定義空氣溫度為15,℃、LNG氣體溫度為-160,℃．

(3) 邊界條件如表2所示．

(4) 初始值：無．

(5) 求解終止設置：最大迭代步數(shù)為200，求解截止殘差為10-4．

表2 靜態(tài)模擬邊界條件Tab.2 Boundary conditions of static simulation

3.2 LNG泄漏的瞬態(tài)模擬

(1) 分析類型：瞬態(tài)．

(2) 邊界條件如表3所示．

表3 泄露瞬態(tài)模擬邊界條件Tab.3 Boundary conditions of leakage transient simulation

(3) 求解終止設置：求解總時間為10,min，求解時間間隔為30,s，求解截止殘差為10-4．

(4) 求解結果如下所述．

天然氣體積分數(shù)云圖如圖2所示．

假定人的平均身高為1.6,m，因此對距離甲板1.6,m處的平面區(qū)域進行分析．從圖2中可以看出，經過10,min的泄漏，LNG開始向FLNG首部生活區(qū)進行蔓延．

天然氣體積分數(shù)等值面如圖3所示．

圖2 距甲板1.6,m處的LNG體積分數(shù)云圖(泄漏)Fig.2 Volume fraction contour of LNG 1.6,m above upper deck(leakage)

圖3 天然氣體積分數(shù)等值面圖(5%)Fig.3 Volume fraction isopleth map of LNG(5%)

天然氣的燃燒極限在5%～15%，這里保守地取LNG濃度為5%的等值面進行研究，并以此作為安全極限．從圖3中可以看出，當TS6儲罐發(fā)生泄漏時，在泄漏的10,min內，天然氣危險區(qū)域并未波及到生活區(qū).

3.3 LNG擴散的瞬態(tài)模擬(TS6-L-F面)

(1) 分析類型：瞬態(tài)．

(2) 邊界條件如表4所示．

取消泄漏入口，僅保留空氣入口，以此來模擬泄漏結束后在空氣通風作用下的擴散結果．

表4 擴散瞬態(tài)模擬邊界條件Tab.4 Boundary conditions of dispersion transient simulation

(3) 求解終止設置：求解總時間為5,min，求解時間間隔為30,s，求解截止殘差為10-4．

(4) 求解結果：天然氣體積分數(shù)云圖如圖4和圖5所示．

從圖4和圖5可以看出，與泄漏結束時刻的天然氣體積分數(shù)云圖相比，通風5,min后的天然氣局部濃度沒有明顯降低，擴散區(qū)域也沒有明顯擴大，僅泄漏處濃度稍微降低．這是因為在重氣擴散過程中，重氣會有一段時間進行垂向堆積，形成類柱形云團，隨后才會坍塌而沿地面徑向擴散．在泄漏結束的5,min內，正是LNG重氣垂向堆積期，因此擴散區(qū)沒有擴大，濃度也沒有明顯增加，滿足泄露發(fā)生初期的重氣堆積理論．

圖4 距甲板1.6,m處的LNG體積分數(shù)云圖(TS6-L-F面擴散)Fig.4 Volume fraction contour of LNG 1.6,m above the upper deck(dispersion for TS6-L-F)

圖7 距甲板1.6,m處天然氣速度矢量Fig.7 Velocity vector map of LNG 1.6,m above the upper deck

圖5 泄漏處天然氣體積分數(shù)中縱剖面云圖Fig.5 Volume fraction profile contour of LNG near the leakage site

3.4 LNG擴散的瞬態(tài)模擬(TS3-L-F面)

與3.3節(jié)中的“TS6-L-F面”采取相同的模擬方法，即分析類型和邊界條件等均相同，而唯一不同的地方是求解總時間設為30,min．對求解結果中的天然氣體積分數(shù)云圖(圖6)和天然氣速度矢量(圖7)進行分析．

從圖6和圖7可以看出，經過30,min較長時間的擴散，天然氣的局部濃度并沒有明顯降低，但影響范圍卻明顯增加．在空氣的影響下，天然氣向FLNG首部生活區(qū)進行擴散；在生活區(qū)背風處，由于動力區(qū)建筑物的存在，產生了速度虧損和渦旋現(xiàn)象，背風面形成一個低壓空腔區(qū)，當氣云繞過建筑物后，氣云會因壓差作用逐漸被卷吸進低壓區(qū)中，其回流作用使重氣長時間積聚在此處而不易擴散，從而形成高濃度區(qū)，該結果滿足中期擴散過程中的低壓卷吸理論．

圖6 距甲板1.6,m處的LNG體積分數(shù)云圖(TS3-L-F面擴散)Fig.6 Volume fraction contour of LNG 1.6,m above the upper deck(dispersion for TS3-L-F)

4 結 論

(1) 利用本文中所建立的CFD模型和模擬方法，所得結果符合重氣擴散過程的堆積理論和低壓卷吸理論，能夠在一定程度上反映LNG泄漏擴散的真實物理情況，對于工程安全具有一定的指導意義．

(2) 通過TS6-L-F面的模擬計算結果可以看出，當TS6-L-F面發(fā)生泄漏后，其泄漏范圍不會擴散到生活區(qū)，對生活區(qū)沒有影響，但由于其爆炸等值面覆蓋FLNG的全部儲罐，因此其危險仍然很大，這需要對其泄露后的爆炸情況進一步進行研究．

(3) 當TS3-L-F面發(fā)生泄漏后，在動力區(qū)建筑物的影響下，生活區(qū)背風處會形成低壓空腔區(qū)，該區(qū)域LNG濃度較高且持續(xù)時間較長，應作為及時恢復生產的重點關注區(qū)域．

(4) 由于對整個FLNG進行泄露擴散的模擬分析，較大的模擬區(qū)域采用了較為粗略的網格劃分，從而無法準確地對擴散區(qū)域重要位置進行重點研究，因此，對重要位置處的擴散情況應采用較細的網格劃分．

［1］ 黃文宏，章保東，包其富，等. 重質氣體泄漏擴散模型研究綜述[J]. 浙江化工，2009，40(7)：18-22.

Huang Wenhong，Zhang Baodong，Bao Qifu，et al. A review of the heavy gas dispersion mathematical models[J]. Zhejiang Chemical Industry，2009，40(7)：18-22(in Chinese).

［2］ 張啟平，麻德賢. 危險物泄漏擴散過程的重氣效應[J]. 北京化工大學學報，1998，25(3)：86-90.

Zhang Qiping，Ma Dexian. Effect of heavy gas of dangerous material in diffusion process[J]. Journal of Beijing University of Chemical Technology，1998，25(3)：86-90(in Chinese).

［3］ 黃 琴，蔣軍成. 重氣泄漏擴散實驗的計算流體力學(CFD)模擬驗證[J]. 中國安全科學學報，2008，18(1)：50-56.

Huang Qin，Jiang Juncheng. Simulation and verification of CFD on the dispersion of heavy gas leakage[J]. China Safety Science Journal，2008，18(1)：50-56(in Chinese).

［4］ 吳玉劍，潘旭海. 障礙物地形條件下重氣泄漏擴散實驗的CFD模擬驗證[J]. 中國安全生產科學技術，2010，6(3)：13-17.

Wu Yujian，Pan Xuhai. Simulation and verification of CFD on dispersion of heavy gas leakage in obstacle terrain[J]. Journal of Safety Science and Technology，2010，6(3)：13-17(in Chinese).

［5］ 朱紅萍，羅艾民，李潤求. 重氣泄漏擴散事故后果評估系統(tǒng)研究[J]. 中國安全科學學報，2009，19(5)：119-124.

Zhu Hongping，Luo Aimin，Li Runqiu. Research on the consequence assessment system of heavy gas leakage accidents[J]. China Safety Science Journal，2009，19(5)：119-124(in Chinese).

［6］ Duijm N J，Carissimo B，Mercer A. Development and test of an evaluation protocol for heavy gas dispersion models[J]. Journal of Hazardous Materials，1997，56：273-285.

［7］ 蔣軍成，潘旭海. 描述重氣泄漏擴散過程的新型模型[J]. 南京工業(yè)大學學報，2002，24(1)：41-46.

Jiang Juncheng，Pan Xuhai. New model for heavy gas releasing dispersion analysis[J]. Journal of Nanjing University of Technology，2002，24(1)：41-46(in Chinese).

［8］ 羅艾民，魏利軍. 有毒重氣泄漏安全距離數(shù)值方法[J]. 中國安全科學學報，2005，15(8)：98-109.

Luo Aimin，Wei Lijun. Numerical method of safety distance for poisonous dense gaseous leakage[J]. China Safety Science Journal，2005，15(8)：98-109(in Chinese).

［9］ 張朝能，寧 平，馬彩霞. 重氣泄漏擴散的影響因素分析[J]. 武漢理工大學學報，2010，32(5)：97-100.

Zhang Chaoneng，Ning Ping，Ma Caixia. Analysis of influence factors for dense gas leakage dispersion[J]. Journal of Wuhan University of Technology，2010，32(5)：97-100(in Chinese).

［10］ 姜傳勝，丁 輝. 重氣連續(xù)泄漏擴散的風洞模擬試驗與數(shù)值模擬結果對比分析[J]. 中國安全科學學報，2003，13(2)：8-13.

Jiang Chuansheng，Ding Hui. Comparison and analysis of wind tunnel test data and dispersion model prediction for accidental continuous release of dense gases[J]. China Safety Science Journal，2003，13(2)：8-13(in Chinese).

Simulation and Analysis of Dispersion of Heavy Gas Leakage from FLNG Installation

Yu Jianxing，Tang Jianfei，Liu Yuan，Ma Weilin，Li Yan
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The dispersion model of the upper deck area of the floating liquefied natural gas (FLNG) production storage and offloading unit was established in order to study the dispersion consequences after the leakage of upper deck storage tanks. By using the computational fluid dynamics (CFD) technique, the heavy gas dispersion after the leakage of LNG was stimulated and the effects of heavy gas dispersion were studied. The simulated result was in good agreement with the theories of heavy gas accumulation and low pressure entrainment. The analysis of simulated results shows that the CFD model and the simulation method can reflect the real physical situation of LNG leakage and dispersion to some extent. When the leakage occurs on the front surface of the storage tank farthest away from the living area, the LNG heavy gas cannot spread to the living area, so it has no impact on the living area; however, when the leakage occurs on the front surface of the storage tank located near the middle of the FLNG, under the influence of the buildings in the power supply area, a low-pressure cavity area will form on the leeward side of the living area, where there is higher LNG concentration.

floating liquefied natural gas installation；heavy gas leakage；theory of accumulation；theory of low pressure entrainment；computational fluid dynamics

TE88

A

0493-2137(2013)05-0381-06

DOI 10.11784/tdxb20130501

2012-12-24；

2013-01-10.

國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體科學基金資助項目(51021004)；國家科技重大專項資助項目(2011ZX05026-006)；國家自然科學基金資助項目(51239008)；上海交通大學海洋工程國家重點實驗室研究基金資助項目．

余建星（1958— ），男，博士，教授．

馬維林，maweilinfreedom@163.com．