液化天然氣運(yùn)輸過程瞬態(tài)泄漏擴(kuò)散仿真

李迓紅,朱玉琴

(西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,陜西 西安 710065)

1 引言

現(xiàn)階段,煤炭、石油等能源已經(jīng)難以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求,液化天然氣作為清潔能源引起人們廣泛關(guān)注,進(jìn)入發(fā)展的黃金時(shí)期[1]。液化天然氣屬于一種低溫液體,蒸發(fā)后變?yōu)橐兹家妆瑲怏w,如果出現(xiàn)泄漏,將對(duì)周圍人員和建筑環(huán)境帶來以下危害:低溫危害,液化氣在運(yùn)輸過程中的保存溫度為-162℃,若出現(xiàn)泄露,和室外溫差相差很多,會(huì)形成沸騰蒸發(fā)現(xiàn)象,吸取環(huán)境中的熱量,降低周邊溫度,導(dǎo)致人員凍傷,更為嚴(yán)重的是若噴濺到碳鋼設(shè)備上,會(huì)使設(shè)備斷裂,造成二次傷害;易燃易爆,液化氣泄露后會(huì)快速變換為氣態(tài),在大氣中漂移,當(dāng)濃度達(dá)到一定范圍后,遇到明火會(huì)發(fā)生燃燒,儲(chǔ)存裝置在火焰加熱下溫度快速上升,提高體內(nèi)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(wú)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(xù)時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)有生命危險(xiǎn)。

因此,為避免上述危害,必須保證天然氣在運(yùn)輸過程中的安全,即使發(fā)生瞬態(tài)泄露也要在最短時(shí)間內(nèi)采取合理的應(yīng)對(duì)措施,確定安全區(qū)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(kuò)散研究受到更多學(xué)者重視。現(xiàn)階段,研究方式主要包括現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)以及數(shù)學(xué)模擬[3]。其中,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的缺陷是投資較大,研究時(shí)間長(zhǎng),試驗(yàn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)不可控性很強(qiáng)[4];風(fēng)洞試驗(yàn)主要面臨風(fēng)洞尺寸不容易掌握等問題[5]。

相比之下,數(shù)學(xué)模擬的方法無(wú)需構(gòu)建試驗(yàn)基地,模擬周期短,且可以重復(fù)進(jìn)行,成為最受歡迎的研究方法。本文分析了影響擴(kuò)散的主要因素,獲取泄露后云團(tuán)初始質(zhì)量和狀態(tài),通過DPM(離散相模型)描述泄露擴(kuò)散規(guī)律[6],為事故應(yīng)急預(yù)案制定、安全區(qū)域確立提供指導(dǎo)意見,同時(shí)也保障人們生活與財(cái)產(chǎn)安全。

2 影響泄漏擴(kuò)散的因素分析

2.1 液化天然氣特征參數(shù)

液化天然氣是經(jīng)過凈化、超低溫等一系列處理形成的,內(nèi)在包含大量甲烷和少量乙烷、一氧化碳等物質(zhì)[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(shù)見表1。

表1 液化天然氣特征參數(shù)表

2.2 影響擴(kuò)散的基本因素

影響液化天然氣瞬態(tài)泄漏擴(kuò)散的因素非常多,基本因素包括如下幾點(diǎn)。

1)泄露源:表示泄漏情況下,儲(chǔ)存罐設(shè)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(dāng)運(yùn)輸儲(chǔ)存罐上出現(xiàn)裂縫時(shí),罐內(nèi)壓力降低,生成大量氣泡,導(dǎo)致罐體破裂。此種狀態(tài)下,泄漏氣體中會(huì)摻雜液體,擴(kuò)散形式為重汽擴(kuò)散。

2)大氣環(huán)境

風(fēng)場(chǎng):主要分為風(fēng)速與風(fēng)向兩個(gè)方面,風(fēng)向是指當(dāng)泄漏事故發(fā)生后,下風(fēng)向區(qū)域的危險(xiǎn)性較強(qiáng)。與風(fēng)向相比,風(fēng)速的影響較為復(fù)雜。風(fēng)速越大,空氣流速越快,天然氣的擴(kuò)散越劇烈,蒸發(fā)量也隨之提高。但如果風(fēng)速持續(xù)增大,下風(fēng)向氣體濃度會(huì)因紊流作用的增強(qiáng)而下降[8]。

溫度:環(huán)境溫度直接影響液化天然氣的蒸發(fā)速度,溫度越高的情況下,蒸發(fā)量越大,初始泄漏速率也越高。另外,擴(kuò)散初期為重氣擴(kuò)散,溫度也會(huì)對(duì)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(qiáng),空氣密度也隨之增大。重氣擴(kuò)散會(huì)因?yàn)闈穸却笮〉母淖冝D(zhuǎn)化為非重氣擴(kuò)散。

大氣穩(wěn)定度[9]:與地面相近的大氣會(huì)做垂直運(yùn)動(dòng),影響著氣體擴(kuò)散程度。如果大氣穩(wěn)定度較高,垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)擴(kuò)散的推動(dòng)作用較小,可抑制云團(tuán)擴(kuò)散;反之若穩(wěn)定度低,對(duì)流運(yùn)動(dòng)劇烈,促使云團(tuán)快速擴(kuò)散。

輻射量:輻射多少?zèng)Q定著泄漏后液池的換熱量,進(jìn)而影響蒸發(fā)速度。此外,輻射量還會(huì)影響大氣穩(wěn)定性,擴(kuò)散情況間接受到影響。

3)地表環(huán)境:當(dāng)?shù)孛娲植跁r(shí),蒸汽在擴(kuò)散過程中受到的阻力越大,不利于擴(kuò)散行為。當(dāng)?shù)孛嫫露容^大時(shí),重力作用越強(qiáng),下坡方向的擴(kuò)散速度越快。

3 基于離散相模型的液化天然氣瞬態(tài)泄漏擴(kuò)散模擬

3.1 云團(tuán)初始特征

1)初始質(zhì)量

液化天然氣出現(xiàn)瞬態(tài)泄漏時(shí),會(huì)發(fā)生閃蒸現(xiàn)象,且云團(tuán)中會(huì)帶有部分空氣,所以云團(tuán)初始質(zhì)量是泄漏量和空氣質(zhì)量的總和,質(zhì)量計(jì)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(zhì)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(tài)

閃蒸液化氣和空氣相融后會(huì)實(shí)現(xiàn)熱量平衡[11],假設(shè)此時(shí)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(biāo)0、g、a和w分別代表初始狀態(tài)、甲烷狀態(tài)、干空氣以及濕空氣狀態(tài),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(tài)泄漏質(zhì)量流速計(jì)算

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

(3)

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

天然氣泄漏的質(zhì)量流速[13]表達(dá)式如下

(4)

(5)

式中,A為泄漏處面積,C是泄漏系數(shù),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(chǔ)存罐壓力和臨界壓力。

3.3 泄漏擴(kuò)散模擬

通過對(duì)云團(tuán)初始狀態(tài)和質(zhì)量的計(jì)算,在天然氣閃蒸氣中液滴質(zhì)量大概占80%,但體積分?jǐn)?shù)僅有1%,分散較為稀薄,因此本文選用離散相模型實(shí)現(xiàn)泄漏擴(kuò)散模擬。離散相模型主要由以下部分構(gòu)成。

1)動(dòng)量守恒

X、Y和Z方向上的動(dòng)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(gè)坐標(biāo)軸上的蒸發(fā)速度,p是蒸發(fā)后氣體密度,?屬于導(dǎo)數(shù)符號(hào),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(huì)與周圍環(huán)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(zhì)量守恒

泄漏物質(zhì)在擴(kuò)散過程中會(huì)和空氣中的氧氣與氮?dú)馊诤?融合后的云團(tuán)物質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣,每種組分均要滿足質(zhì)量守恒

(10)

式中,b1和b2分別代表空氣中不同物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù),G1與G2為不同物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)。

滿足上述動(dòng)量、能量和質(zhì)量三個(gè)守恒方程,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)液化天然氣瞬態(tài)泄漏擴(kuò)散過程的數(shù)學(xué)表示。假設(shè)所有氣體均為理想氣體,則蒸發(fā)后氣體密度需滿足的狀態(tài)方程為

(11)

式中,R′代表氣體常數(shù),M是平均摩爾質(zhì)量。

4 仿真數(shù)據(jù)分析與研究

假設(shè)某大型罐式集裝箱在運(yùn)輸過程中發(fā)生瞬態(tài)泄露,漏點(diǎn)在儲(chǔ)罐接管上,直徑是10mm,與地面之間的高度是5.5m。集裝箱參數(shù)如表2所示。

表2 集裝箱主要參數(shù)

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選取某無(wú)人空曠地帶,場(chǎng)地大小為50×50m,四周設(shè)置遮擋,確保人員絕對(duì)安全。選定泄露點(diǎn),以其為圓心,劃分出一個(gè)半徑為15m的圓,在圓形區(qū)域內(nèi)放置8個(gè)超風(fēng)波風(fēng)向儀。利用紅外氣體傳感器監(jiān)測(cè)甲烷濃度,通過熱電偶獲取泄露點(diǎn)四周溫度變化情況。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知,除了甲烷濃度測(cè)試設(shè)備和熱點(diǎn)耦外,實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備如下:風(fēng)速傳感器,型號(hào)為FC-5SX罩杯式傳感器,數(shù)量為4個(gè);防爆電子秤,具備超低溫電磁閥,數(shù)量1個(gè)。另外輔助測(cè)試平臺(tái)由傳輸電纜、主機(jī)、筆記本電腦和數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成。為確保實(shí)驗(yàn)安全,專門設(shè)置聲光報(bào)警器、防凍和防火設(shè)備、急救設(shè)施等。

實(shí)驗(yàn)所測(cè)內(nèi)容包括:溫度、風(fēng)向和風(fēng)速等氣象參數(shù)、泄露點(diǎn)幾何參數(shù)、泄露量、甲烷濃度、擴(kuò)散時(shí)間等。在上述仿真環(huán)境下,利用本文方法進(jìn)行擴(kuò)散模擬,由于影響泄漏的基本因素較多,實(shí)驗(yàn)選擇影響較大的因素,分別分析在不同時(shí)間、不同泄露強(qiáng)度和不同風(fēng)速下的泄露擴(kuò)散情況。

1)不同時(shí)間下擴(kuò)散模擬

利用相關(guān)軟件描述液化天然氣的泄露過程,將泄露強(qiáng)度、泄露距離、大氣等級(jí)、風(fēng)速等參數(shù)輸入到軟件窗口,自動(dòng)繪制出氣云擴(kuò)散區(qū)域隨時(shí)間的變化情況,仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 氣云擴(kuò)散區(qū)域仿真圖

由仿真結(jié)果能夠看出,氣云隨在三維空間中隨泄露時(shí)間的推移,逐漸變大后區(qū)域平穩(wěn)。當(dāng)泄露時(shí)間為400s時(shí),氣云基本保持不變。模擬結(jié)果和實(shí)際情況一致,即針對(duì)瞬態(tài)泄露源而言,當(dāng)濃度場(chǎng)穩(wěn)定后,不會(huì)隨時(shí)間的改變而改變。

2)不同泄漏強(qiáng)度下的擴(kuò)散仿真

在瞬態(tài)泄露過程中,相同時(shí)間泄露的天然氣質(zhì)量不同,蒸發(fā)量也不相同,因此氣云覆蓋區(qū)域也有所差別,分別在泄露量為2kg/s、4kg/s和8kg/s是進(jìn)行仿真,則危險(xiǎn)區(qū)域隨泄露強(qiáng)度的變化如圖3所示。

圖3 不同泄露強(qiáng)度下危險(xiǎn)區(qū)域擴(kuò)散情況

由圖3可知,不同泄露強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)區(qū)域不同,強(qiáng)度越大,覆蓋的危險(xiǎn)區(qū)域越廣。即擴(kuò)散面積和泄露強(qiáng)度之間正相關(guān)。且氣云形成區(qū)域在X軸與Y軸方向同時(shí)增大。這是因?yàn)檎舭l(fā)量隨泄露強(qiáng)度的增大而增大,提高氣體濃度差,擴(kuò)大了分子擴(kuò)散面積,使分子在每個(gè)方向上都存在。

3)不同風(fēng)速下的擴(kuò)散模擬

風(fēng)速對(duì)擴(kuò)散作用的影響體現(xiàn)在云團(tuán)輸送、濃度稀釋等方面。分別在一級(jí)、三級(jí)和五級(jí)風(fēng)速情況下模擬擴(kuò)散區(qū)域,仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 擴(kuò)散情況隨風(fēng)速變化情況示意圖

由圖4能夠看出,當(dāng)風(fēng)速等級(jí)相同時(shí),隨時(shí)間的推移,泄漏危險(xiǎn)涉及的區(qū)域逐漸擴(kuò)大;在不同風(fēng)速下,如果濃度沒有穩(wěn)定,此時(shí)風(fēng)速越大,危險(xiǎn)區(qū)域越大,例如泄漏時(shí)間為20s時(shí),五級(jí)風(fēng)和一級(jí)風(fēng)的危險(xiǎn)區(qū)域分別最大與最小。造成此種現(xiàn)象的原因是氣體濃度沒有穩(wěn)定時(shí),較大的風(fēng)速對(duì)于泄漏的天然氣具備更強(qiáng)的輸送作用。當(dāng)濃度穩(wěn)定后,風(fēng)速越大,其對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)區(qū)域越小,這是因?yàn)檩^大的風(fēng)速加快了氣云稀釋作用,提高氣體擴(kuò)散速度,形成的危險(xiǎn)區(qū)域較小。

5 結(jié)論

為有效降低液化天然氣泄漏后造成的風(fēng)險(xiǎn),本文對(duì)其瞬態(tài)泄漏擴(kuò)散情況進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明,泄漏危害區(qū)域隨時(shí)間、泄漏物質(zhì)強(qiáng)度和風(fēng)速的變化都有明顯改變,因此在制定事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案時(shí)應(yīng)考慮泄漏位置的常年主導(dǎo)風(fēng)向,根據(jù)時(shí)間與泄漏強(qiáng)度實(shí)際情況做出綜合決策。