半封閉空間LNG泄漏安全性數(shù)值模擬研究①

韓 力　劉鑫鵬　馬金晶　郭開(kāi)華

中山大學(xué)工學(xué)院

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半封閉空間LNG泄漏安全性數(shù)值模擬研究①

韓 力劉鑫鵬馬金晶郭開(kāi)華

中山大學(xué)工學(xué)院

摘要為了定量評(píng)價(jià)液化天然氣(LNG)加注船上“冷箱”內(nèi)發(fā)生泄漏后的風(fēng)險(xiǎn)，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)“冷箱”在有、無(wú)強(qiáng)制通風(fēng)條件下發(fā)生LNG泄漏后擴(kuò)散和爆燃的過(guò)程進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明，在無(wú)強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)，“冷箱”內(nèi)發(fā)生連續(xù)泄漏后，箱內(nèi)可燃濃度區(qū)域隨時(shí)間先變大后減小，在泄漏后60 s、90 s、120 s、150 s分別點(diǎn)燃時(shí)，達(dá)到的最大超壓依次為29 kPa、89 kPa、76 kPa、70 kPa，會(huì)對(duì)箱體和人員造成嚴(yán)重傷害;在有強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)，泄漏后箱內(nèi)甲烷濃度場(chǎng)在約100 s后達(dá)到穩(wěn)定，在泄漏后60 s、90 s、120 s、150 s分別點(diǎn)燃時(shí)，達(dá)到的最大超壓依次為1.8 kPa、1.9 kPa、3.0 kPa、3.1 kPa,超壓損害很小，但在爆燃后繼續(xù)燃燒，會(huì)對(duì)箱體及內(nèi)部設(shè)備造成高溫?zé)彷椛鋼p害。計(jì)算方法和結(jié)果可應(yīng)用于“冷箱”等半封閉空間泄壓防爆的安全設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞液化天然氣泄漏爆燃數(shù)值模擬安全

液化天然氣(LNG)因其具有清潔、高效的特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。但由于LNG泄漏后極易蒸發(fā)并與空氣混合形成可燃?xì)庠?，一旦遇到火源，便可能發(fā)生火災(zāi),甚至是爆炸等嚴(yán)重災(zāi)害。所以，LNG生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、利用的過(guò)程和處所都存在一定風(fēng)險(xiǎn)。相比于火災(zāi)，可燃?xì)怏w發(fā)生爆炸的后果更嚴(yán)重，爆炸產(chǎn)生的沖擊波會(huì)導(dǎo)致大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)嚴(yán)重?fù)p失，爆炸后往往還會(huì)發(fā)生火災(zāi)，對(duì)周?chē)h(huán)境造成高溫?zé)彷椛涞亩蝹?。因此，為了減少此類(lèi)災(zāi)害事件的發(fā)生，降低后果的危害程度，必須對(duì)可燃?xì)怏w發(fā)生爆炸的條件、特性進(jìn)行深入研究，以找到抑爆泄爆的有效方法。

根據(jù)可燃?xì)庠菩纬傻目臻g類(lèi)型不同，氣體爆炸可分為封閉空間氣體爆炸、半封閉空間氣體爆炸和開(kāi)敞空間氣體爆炸[1]。由于研究對(duì)象是某LNG移動(dòng)加注船上的“冷箱”，一種與儲(chǔ)罐相連，內(nèi)有與儲(chǔ)罐相連的管道、閥門(mén)以及氣化器等裝置的立方體結(jié)構(gòu)，有通風(fēng)口，所以冷箱內(nèi)發(fā)生的爆炸屬于半封閉空間爆燃。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于半封閉空間內(nèi)氣體爆炸的研究有許多，如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的William M. Pitts等[2]對(duì)車(chē)庫(kù)內(nèi)發(fā)生氫氣泄漏后在有無(wú)汽車(chē)的情況下進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)，拍攝到爆炸時(shí)火焰?zhèn)鞑デ闆r，測(cè)得了在不同濃度下壓力隨時(shí)間的變化曲線，并觀測(cè)到爆炸對(duì)車(chē)庫(kù)和汽車(chē)造成的損害。意大利的G. Ferrara等[3]對(duì)泄壓管道對(duì)氣體爆炸的影響進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與簡(jiǎn)單的泄壓方式相比，如只有泄壓口，泄壓管道的存在反而增強(qiáng)了爆炸程度，而且管道越長(zhǎng)，爆炸越劇烈。美國(guó)的C. R. Bauwens等[4]對(duì)泄壓面積分別為2.7 m2和5.4 m2、體積為64 m3的長(zhǎng)方體爆炸箱內(nèi)氫氣、甲烷和丙烷的爆炸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，非常吻合，表明采用合適的計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)半封閉空間氣體爆炸的結(jié)果。國(guó)內(nèi)安徽理工大學(xué)郭進(jìn)等[5]對(duì)圓柱形容器內(nèi)氫氣空氣混合物泄壓爆炸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究了不同泄爆壓力對(duì)容器內(nèi)部壓力與火焰的影響。江西理工大學(xué)的董冰巖等[6]利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent研究了泄爆面積對(duì)柱形容器泄爆過(guò)程壓力的影響。南京工業(yè)大學(xué)的王志榮等[7]對(duì)管狀容器氣體燃爆泄放過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究了泄放面積和泄爆壓力對(duì)泄爆過(guò)程壓力的影響。吳運(yùn)逸等[8]利用CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件FLACS對(duì)加氣站壓縮機(jī)間氣體爆炸進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，模擬了不同點(diǎn)火源位置、泄壓板不同泄壓壓力和重量對(duì)爆炸產(chǎn)生的壓力和火焰行為的影響。

以上關(guān)于半封閉空間氣體爆炸的研究既有實(shí)驗(yàn)研究也有計(jì)算軟件的模擬研究，然而對(duì)于大規(guī)模氣體爆炸實(shí)驗(yàn)，成本高、危險(xiǎn)大、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以監(jiān)測(cè)，使用數(shù)值模擬可以避免以上困難，而且如前所述，數(shù)值模擬早已多次被證實(shí)可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9-14]。本研究利用CFD軟件Fluent對(duì)某LNG移動(dòng)加注船上冷箱中在有、無(wú)通風(fēng)情況下LNG泄漏后發(fā)生的爆燃過(guò)程進(jìn)行模擬。與之前學(xué)者所研究的不同之處在于，本研究考慮了泄漏的LNG蒸發(fā)后的甲烷氣體由于溫度較低，密度比空氣大，起初具有重氣擴(kuò)散的特點(diǎn)，隨著不斷吸收周?chē)h(huán)境的熱量，溫度上升，密度逐漸變小，當(dāng)小于空氣密度時(shí)，在浮力的驅(qū)動(dòng)下又具有輕質(zhì)氣體擴(kuò)散的特點(diǎn)。另外，先通過(guò)計(jì)算得到泄漏后不同時(shí)刻冷箱內(nèi)甲烷濃度分布再進(jìn)行爆燃模擬，而前述所有模擬初始狀態(tài)均是可燃?xì)馀c空氣已經(jīng)完全均勻混合。

1計(jì)算模型

1.1冷箱幾何模型

冷箱為4 m×4 m×4 m 的立方體，假設(shè)泄漏的LNG在底部中心形成1 m×1 m的液池并蒸發(fā)，冷箱設(shè)有如圖1所示的強(qiáng)制通風(fēng)口，尺寸均為1 m×1 m。

1.2CFD計(jì)算模型

對(duì)于有氣體流動(dòng)和燃燒爆炸的問(wèn)題，除了需要求解最基本的質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程外，還需要求解湍流和有化學(xué)反應(yīng)的組分輸運(yùn)方程。在氣體爆炸的過(guò)程中，膨脹的氣體遇到壁面、障礙物的阻擋會(huì)產(chǎn)生湍流，而湍流又會(huì)使火焰面皺化和拉伸，增大火焰面積和燃燒速率，燃燒速率的增加又會(huì)進(jìn)一步增大氣體流速，即增強(qiáng)湍流，這是一種正反饋機(jī)制，所以對(duì)燃燒反應(yīng)與湍流相互作用的模擬很重要。本研究中湍流采用LES(Large Eddy Simulation)模型，燃燒反應(yīng)與湍流相互作用采用渦耗散模型(Eddy Dissipation Model)[15]。

Fluent中描述化學(xué)反應(yīng)的組分輸運(yùn)方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

2計(jì)算條件與設(shè)置

本研究針對(duì)冷箱內(nèi)發(fā)生LNG泄漏后在有、無(wú)通風(fēng)情況下不同時(shí)刻爆燃過(guò)程的模擬，故先確定泄漏量進(jìn)行有、無(wú)通風(fēng)時(shí)的擴(kuò)散模擬以得到爆燃初始濃度分布。LNG泄漏后是否形成液池，以及液池面積的大小由泄漏速率與蒸發(fā)速率決定，而環(huán)境條件一定時(shí)，蒸發(fā)速率也一定，蒸發(fā)速率可根據(jù)換熱條件計(jì)算得到,為0.08 kg/(m2·s)。當(dāng)泄漏孔徑很小時(shí)，泄漏量很小，以至于LNG還沒(méi)落到箱底就完全氣化;當(dāng)孔徑稍大，LNG會(huì)在箱底形成液池；當(dāng)泄漏速率等于蒸發(fā)速率時(shí)，液池面積最大且不變;當(dāng)泄漏速率大于蒸發(fā)速率時(shí)，LNG會(huì)覆蓋整個(gè)箱底且液池厚度不斷增加，本研究選取LNG在箱底形成1 m2液池的典型情形研究，此時(shí)泄漏量為0.08 kg/s。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社的《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》要求，冷箱在通風(fēng)時(shí)須滿足每小時(shí)至少換氣30次[16]，換算成進(jìn)口風(fēng)速為至少2 m/s。由于通風(fēng)并不是一直開(kāi)啟，而且在無(wú)通風(fēng)時(shí)發(fā)生爆燃的后果更嚴(yán)重，所以對(duì)無(wú)通風(fēng)時(shí)的爆燃模擬也很重要。

計(jì)算域的邊界條件為：空氣入口為速度入口，無(wú)通風(fēng)時(shí)速度為0，有通風(fēng)時(shí)速度為2 m/s，溫度為298.15 K;低溫甲烷氣體入口為質(zhì)量流量入口，持續(xù)蒸發(fā)，溫度為111 K;其余壁面均為恒溫壁面，溫度與周?chē)h(huán)境溫度一致，為298.15 K;出口為壓力出口。

初始條件：無(wú)通風(fēng)時(shí)，整個(gè)冷箱內(nèi)充滿靜止的空氣，與大氣相通;有通風(fēng)時(shí)，冷箱內(nèi)先建立穩(wěn)態(tài)的空氣流場(chǎng)。

由于LNG的主要成分是甲烷，所以計(jì)算域內(nèi)的混合物材料選擇甲烷-空氣混合物。無(wú)論是擴(kuò)散還是爆燃過(guò)程，都存在較大溫差，所以開(kāi)啟P1輻射模型。采用PISO算法求解壓力速度耦合方程，空間離散采用二階迎風(fēng)格式，時(shí)間采用二階隱式離散格式。計(jì)算擴(kuò)散時(shí)設(shè)置不同高度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1(2,2,0.5)、P2(3,2,0.5)、 P3(2,2,2)、P4(2,2,3.5), 計(jì)算爆燃時(shí)，設(shè)置四周壁面及頂部中心點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3計(jì)算結(jié)果與分析

3.1無(wú)通風(fēng)時(shí)泄漏的LNG擴(kuò)散與爆燃

在無(wú)通風(fēng)時(shí)，泄漏到液池中的LNG蒸發(fā)后溫度很低，密度比空氣大，故起初在冷箱底部向周?chē)鷶U(kuò)散，所以P1和P2最先出現(xiàn)甲烷。同時(shí)，低溫甲烷還吸收冷箱底板和空氣的熱量，隨著溫度上升，密度減小，又開(kāi)始逐漸向上擴(kuò)散，特別是在冷箱四角處，甲烷上升速度比其他地方要快，這是因?yàn)榈蜏丶淄闅怏w在四角處與壁面的接觸面積增大，且與壁面的換熱比與空氣的換熱快，故靠近壁面的甲烷會(huì)比中間部分先到達(dá)箱頂部，如圖2所示，比點(diǎn)P3高的點(diǎn)P4會(huì)先出現(xiàn)甲烷。而且隨著時(shí)間延長(zhǎng)，體積分?jǐn)?shù)為5%～15%的甲烷區(qū)域先變大后減小，當(dāng)危險(xiǎn)區(qū)域在冷箱內(nèi)占據(jù)最大體積時(shí)，若發(fā)生爆炸，則后果最嚴(yán)重，從圖3可看出該時(shí)刻在90～120 s之間，故選取該區(qū)間前后時(shí)刻60 s、90 s、120 s、150 s分別進(jìn)行點(diǎn)燃，計(jì)算可能產(chǎn)生的最大爆炸超壓。

在上述擴(kuò)散結(jié)果的基礎(chǔ)上，分別在60 s、90 s、120 s、150 s點(diǎn)燃，點(diǎn)火點(diǎn)均設(shè)置在(2，2，1)處，設(shè)置一個(gè)高溫球體區(qū)域點(diǎn)火，監(jiān)測(cè)四周壁面中心及頂部中心點(diǎn)處的壓力隨時(shí)間變化，如圖4所示。從圖4可以看到，在不同時(shí)刻點(diǎn)火后，壓力都是先上升后下降。在60 s點(diǎn)火，經(jīng)過(guò)約0.5 s達(dá)到最大超壓，為29 kPa;在90 s點(diǎn)火，經(jīng)過(guò)0.31 s達(dá)到最大超壓值89 kPa;在120 s點(diǎn)火，經(jīng)過(guò)0.37 s達(dá)到最大超壓值76 kPa;在150 s點(diǎn)火，經(jīng)過(guò)0.5 s達(dá)到最大超壓值70 kPa。可見(jiàn)，爆炸超壓的變化趨勢(shì)與危險(xiǎn)濃度變化趨勢(shì)相吻合，即在危險(xiǎn)甲烷濃度區(qū)域最大的時(shí)候，爆炸所產(chǎn)生的超壓最大。根據(jù)爆炸超壓破壞作用對(duì)照表[17]，當(dāng)超壓在70～100 kPa之間時(shí)，會(huì)造成建筑物磚墻倒塌、人嚴(yán)重內(nèi)臟損傷或引起死亡。所以，在無(wú)通風(fēng)情況下發(fā)生LNG泄漏，將會(huì)對(duì)船上人員和設(shè)備造成很大威脅，故在設(shè)計(jì)冷箱結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮其強(qiáng)度能承受最大爆炸壓力，以保證即使發(fā)生爆炸也不會(huì)對(duì)人員和船體主要結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p害。

3.2風(fēng)速為2 m/s時(shí)泄漏的LNG擴(kuò)散與爆燃

開(kāi)啟通風(fēng)后，冷箱內(nèi)甲烷濃度分布主要由空氣流場(chǎng)決定，空氣的湍流卷吸作用加強(qiáng)了甲烷擴(kuò)散與換熱，并且流動(dòng)的空氣帶出了大量的甲烷氣體，故在通風(fēng)條件下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終甲烷濃度明顯大大低于無(wú)通風(fēng)時(shí)的濃度。由圖5可看出，在2 m/s的通風(fēng)條件下，從LNG泄漏開(kāi)始約經(jīng)過(guò)100 s后，甲烷濃度分布達(dá)到穩(wěn)態(tài)，圖6也體現(xiàn)出該變化趨勢(shì)。

與無(wú)通風(fēng)時(shí)一樣，在LNG泄漏后的60 s、90 s、120 s、150 s分別點(diǎn)燃，計(jì)算在通風(fēng)條件下發(fā)生爆燃的超壓隨時(shí)間變化，結(jié)果如圖7所示。可以看到，在有通風(fēng)時(shí)，爆燃超壓值最大為3.1 kPa，明顯低于無(wú)通風(fēng)時(shí)的超壓值。60 s、90 s、120 s、150 s點(diǎn)火后對(duì)應(yīng)的最大超壓值分別為1.8 kPa、1.9 kPa、3.0 kPa、3.1 kPa。根據(jù)超壓破壞情況可知，超壓3 kPa不會(huì)對(duì)箱體和人員造成損害。通風(fēng)條件下爆燃超壓大大減小的主要原因是通風(fēng)進(jìn)出口的存在增大了泄壓速率，在爆燃過(guò)程大量混合氣體被排出箱外，壓力也及時(shí)釋放。與無(wú)通風(fēng)不同的是，通風(fēng)條件下由于空氣的及時(shí)補(bǔ)充，爆燃后箱內(nèi)還會(huì)存在持續(xù)燃燒，如圖8所示，4種情形都計(jì)算至195 s，用反應(yīng)速率表示火焰形狀，由于通風(fēng)，所以火焰偏向于右壁面。因?yàn)榭諝馀c甲烷入口條件都相同，4種情況下的最終火焰形狀都如圖8中195 s所示相似，故用一組圖表示。繼續(xù)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)火焰形狀和溫度分布基本不變，最終穩(wěn)定燃燒的溫度分布也相同，如圖9所示。這時(shí)的危害主要是火焰對(duì)冷箱及其內(nèi)部設(shè)備的熱輻射，所以在設(shè)計(jì)冷箱時(shí)不僅要考慮防爆泄爆，還要考慮火災(zāi)報(bào)警和滅火措施，如安裝可燃?xì)怏w探測(cè)儀、煙霧報(bào)警器、高倍數(shù)泡沫等裝置。

4結(jié) 論

(1) 在無(wú)通風(fēng)的情況下，低溫易揮發(fā)的LNG泄漏在冷箱底部后，并不是完全像重氣擴(kuò)散一直處于底部，而是起初在底部向周?chē)鷶U(kuò)散，隨著與周?chē)h(huán)境換熱的進(jìn)行，大量甲烷會(huì)向上擴(kuò)散與空氣混合形成可燃?xì)庠啤?/p>

(2) 無(wú)論有無(wú)通風(fēng)，當(dāng)爆炸極限范圍內(nèi)的可燃混合氣在冷箱內(nèi)占據(jù)體積最大時(shí)，產(chǎn)生的爆炸超壓最大。找出可能發(fā)生的最大超壓值有利于冷箱的抗爆設(shè)計(jì)，本研究計(jì)算得到的最大超壓為89 kPa,所以在設(shè)計(jì)冷箱時(shí)要考慮至少能夠承受此壓力。

(3) 通風(fēng)口的存在能有效降低爆燃所產(chǎn)生的壓力，但可能使爆燃后發(fā)生火災(zāi)而產(chǎn)生熱輻射危害，所以在設(shè)計(jì)冷箱時(shí)要考慮全面，既要預(yù)防危險(xiǎn)情況的形成，也要保證即使發(fā)生危險(xiǎn)也能將損失降至最小。如在冷箱內(nèi)安裝可燃?xì)怏w探測(cè)器和溫度傳感器等，探測(cè)到危險(xiǎn)濃度或溫度過(guò)低時(shí)，關(guān)閉主閥，開(kāi)啟通風(fēng)，確認(rèn)安全后檢查維修。發(fā)生爆炸時(shí)，確保冷箱能夠承受最大超壓，將危害局限在冷箱內(nèi)部，以保證人員、儲(chǔ)罐和船體的安全，防止發(fā)生更嚴(yán)重的災(zāi)難。

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Numerical simulation and study of the safety of a semi-closed space where liquefied natural gas spilling

Han Li, Liu Xinpeng, Ma Jinjing, Guo Kaihua

(SchoolofEngineering,SunYat-SenUniversity,Guangzhou510006,China)

Abstract:To quantitatively evaluate the risk of the liquefied natural gas (LNG) bunkering vessel with a cold box where LNG spilling, this study simulated the diffusion and deflagrations occurred at different instants after LNG spillage with or without a forced venting by fluid dynamics software Fluent. The simulation results showed that the flammable area increased first and then decreased with time after LNG spilling in the cold box without a forced venting when ignited at 60 s, 90 s, 120 s and 150 s respectively, the maximum overpressures could reach 29 kPa, 89 kPa, 76 kPa and 70 kPa correspondingly, which would cause serious damage to the box and persons. While with a forced venting, the methane concentration field internal cold box became stable soon after spill and the flammable area increased to a constant level. When the gas mixture was ignited at the same time as above, the overpressures were much less than those without a forced venting, as 1.8 kPa, 1.9 kPa, 3.0 kPa, 3.1 kPa respectively. And a fire was predicted resulting from the deflagration, which might cause heat radiation damage to the cold box and carried equipment. The method and results of the calculations could be applied in safety design of the cold boxes or other confined spaces to prevent the explosions and fires.

Key words:LNG, spill, deflagration, numerical simulation, safety

基金項(xiàng)目：廣東省教育廳液化天然氣與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(39000-3211101);中山大學(xué)-BP中心液化天然氣中心資助項(xiàng)目(99103-9390001)。

作者簡(jiǎn)介：韓力(1989-)，男，湖北武漢人，中山大學(xué)工學(xué)院在讀碩士研究生，主要從事液化天然氣安全方面研究工作。E-mail:823377210@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：X932

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.03.020

收稿日期：2015-12-20；編輯：鐘國(guó)利