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【论文精选】LNG储罐泄漏模型计算、模拟及实验研究

煤气与热力杂志 2022-08-02 19:17:45

作者:张祎,刘蓉,史永征,闫一莹,胡秀,李程萌

第一作者单位:北京建筑大学  供热供燃气通风及空调工程重点实验室

摘自《煤气与热力》2018年6月刊


1   概述


2016年全年,国产LNG工厂供应量在822×104 t左右,LNG接收站进口量2 400×104 t,其中以LNG形式流入LNG市场的供应量为523×104 t,因此LNG市场总供应量1 345×104 t。周围存在点火源时,一旦LNG发生泄漏,就易导致火灾或爆炸事故,造成巨大的人员伤亡和经济损失[1]

 

国内外许多学者针对LNG泄漏扩散进行相关研究,常见的数学模型有:积分模型、箱板模型(包括箱模型和板模型)、高斯模型和计算流体力学模型等2-4。研究LNG泄漏扩散的影响因素对安全距离的预测有重要意义。研究结果显示:随着风速、地面粗糙度、泄漏速率的增加,安全距离逐渐增大;随着大气稳定度等级的增加,LNG泄漏事故后果严重度逐渐增加;随着空气湿度的增加,LNG泄漏事故影响后果先增加后减小。

 

本文首先利用板模型计算了泄漏量与转变点距离,泄漏量与爆炸极限扩散范围的关系;之后利用FLUENT 15.0软件,针对不同LNG泄漏量进行模拟;最后进行了LNG泄漏扩散实验,验证分析。

 

2   LNG泄漏过程


当正常工作的LNG储罐破裂时,由于储罐内部与环境之间存在较大压差,LNG会以一定初速度从泄漏口喷出。首先低温的LNG闪蒸形成低温气云;随后气云从周围环境中吸热,温度逐渐升高,密度逐渐降低至低于空气密度。当其温度接近环境温度时,扩散过程趋于稳定。一般扩散过程分为4个阶段,即:初始阶段、重力沉降阶段,混合扩展阶段和被动扩散阶段5-6LNG泄漏扩散过程见图1

 

1   LNG泄漏扩散过程

 

3   泄漏扩散计算模型

 

①数值计算模型

 

a.板模型

 

板模型充分考虑了重气云在重力作用下的沉降过程,一般被用作计算危险重气体连续泄漏扩散的浓度具体分布7-8



b.临界转变点

 

在重力扩散过程中,重气云从周围空气和环境地面吸热,温度逐渐升高,重气扩散效应逐渐减弱,转化为非重气扩散。在临界点转变点处,取重气云下风向扩散速度为重气云垂直湍流特征速度,存在关系9



根据上式,即可求出重气云临界转变点在下风向坐标位置。


当LNG重气云团扩散至临界转变点时,因重力作用主导的重气扩散效应消失,转变为只受环境大气湍流主导的非重气扩散过程。

 

②计算结果与分析


LNG重气云初始密度为1.8 kg/m3,空气密度为1.29 kg/m3。转变点到泄漏口距离、爆炸上限和下限最远扩散距离与泄漏量的关系见图2


2   转变点到泄漏口距离、爆炸上限和下限最远扩散距离与泄漏量的关系


由图2可以看出,随着泄漏量的增加,转变点在下风向距离增大。泄漏量对LNG蒸气云爆炸上、下限最远扩散距离影响较大。随着泄漏量的增加,扩散范围也随之增大。爆炸上限扩散距离始终小于转变点距离。泄漏量大于0.25 kg/s时,爆炸下限扩散距离超过转变点距离,此时爆炸下限扩散距离应利用非重气扩散模型进行分析。


经计算,当泄漏量为0.12 kg/s时,蒸气云达到稳定状态后,液化天然气重气云在泄漏源下风向14.2 m处转变为非重气云。体积分数为爆炸上限15%的最远扩散距离为3.47 m,体积分数为爆炸下限5%的最远扩散距离为11.39 m。由于转变点距离大于爆炸下限扩散距离,因此爆炸区域仅存在于重气云范围内,非重气扩散阶段没有爆炸危险。

 

4   LNG储罐泄漏扩散的数值模拟


计算流体力学(CFD)在工业领域应用广泛。利用数值模拟可以得到三维流场中各位置物理量(如浓度、温度、速度等)的分布和其随时间变化的情况,以此确定LNG泄漏扩散过程,对确定爆炸极限距离以及安全防护措施具有重要指导意义。

 

①三维模型建立与网格划分

 

a.三维模型简化

 

本文依照LNG厂站储罐建立三维模型。泄漏扩散发生在计算域且本文不研究储罐内LNG变化,因此将储罐简化为直径3 m,高2 m的圆柱体。位于储罐0.75 m高位置处有长0.5 m,直径25 mm的实心圆柱泄漏管与储罐相连,向出流边界泄漏天然气。假设储罐壁厚忽略不计,储罐壁面绝热,储罐模型见图3


3   储罐模型

 

根据阻塞率原则(如果障碍物在计算流域中的阻塞率不大于3%,那么障碍物附近的流场几乎不受计算流域大小的影响)和阻塞物在计算流域的摆放原则10,计算流域中障碍物应至少距入流边界6HH为阻塞物的迎风面高度),距下风向出流边界不小于10H,计算流域宽度不小于8H。阻塞物一般放于流域的前0.333 LL为计算流域长度)处。本文中障碍物为储罐,迎风面高度为储罐高度,由此确定本文计算流域尺寸为长100 m,宽50 m,高15 m。以储罐底面圆心为原点建立坐标轴,其距入流边界、两壁面各25 m,计算模型软件截图见图4

 

4   计算模型软件截图

 

b.网格划分

 

本文利用ANSYS ICEM CFD软件进行四面体网格划分,划分的结构网格最大边长0.4 m,依据网格独立性确定模型网格数量为133×104个。

 

②数学模型

 

a.能量方程

 

流体流动遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律,质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程是对这些物理守恒定律的数学描述。

 

b.湍流模型


本文采用标准型Realizable k-ε双方程作为LNG储罐泄漏扩散过程的湍流模型11

 

c.多相流模型

 

Fluent软件中混合物模型可以模拟有密度变化的多相流问题,因此,使用欧拉—欧拉多相流模型中的混合物模型,消除滑移速度模型。模型可用于两相流或多相流。因为在欧拉—欧拉多相流模型中,各相被处理成互相贯通的连续体,混合物模型求解的是混合物的动量方程,并通过相对速度来描述离散相。

 

③材料物性参数与边界条件

 

a.材料物性参数

 

在计算过程中,流体选择空气和甲烷气体。空气流入入流边界,其密度为1.29 kg/m3。气态甲烷从泄漏管泄漏扩散至充满空气的计算流域。气态甲烷密度随温度上升而下降,因此,密度选为多项式描述,多项式为:



常压时,甲烷密度变化见图5。其中110 K时密度为1.68 kg/m3280 K0.72 kg/m3。在本文中,设置第一相为空气,第二相为气态甲烷。


5   甲烷密度变化

 

b.边界条件

 

边界条件主要包括以下6种:入流边界(Velocity-inlet)、出流边界(Outflow)、泄漏源(Mass-flow-inlet)、储罐和泄漏管(Wall)、壁面(Wall)和地面(Wall)。

 

入流边界流入空气,选择混合相,速度为1 m/s,温度为280 K,相体积率为0。泄漏源流入甲烷气体,选择混合相,温度为110 K,相体积率为1

 

④操作条件设置

 

本文环境温度为280 K,压力为标准大气压101.325 kPa,相对密度为空气密度。选择重力场,竖直方向的重力加速度为-9.81 m/s2

 

⑤求解方法

 

a.求解控制方法

 

Fluent基于有限体积法对控制方程进行离散和求解,采用偏微分方程离散求解的方法,速度压力耦合求解采用SIMPLE算法12。梯度选择least Squares Cell Based,压力为StandardMomentumVolume FractionEnergy均选择First Order Upwind。模拟时间采用Transient方法。

 

b.亚松弛因子

 

本文在Solution Controls中,PressuredensityBody Force分别取0.311Momentum Energy分别取0.71。收敛临界值Energy1.0e-5,其他取0.001

 

⑥初始化

 

计算流域内初始温度为280 K,甲烷浓度为0。初始化条件、边界条件与数值计算工况条件相同。

 

⑦计算

 

本文采用非稳态模拟,设置时间步长为0.1 s,每个时间步长迭代10次,总时间步数为800次,因此总迭代计算8 000次,泄漏总时长80 s

 

⑧模拟结果分析

 

a.泄漏量对扩散范围的影响

 

其他条件保持不变的工况下,泄漏时长为50 s,泄漏量分别为0.04 kg/s0.12 kg/s0.20 kg/s时,xOz平面甲烷扩散范围软件截图见图6(图中图例的值为甲烷体积分数)。


6   泄漏量不同时甲烷扩散范围软件截图


因为泄漏量较小,甲烷温度上升较快,没有出现明显的沉降过程。通过模拟可知,泄漏时长为50 s均已达稳定状态。泄漏量越小,达到稳定状态用时越短。泄漏量越大,LNG扩散高度越高,非重气扩散越明显,爆炸上下限扩散范围越大。泄漏量为0.04 kg/s时,爆炸上限扩散距离距泄漏口约1.25 m,爆炸下限扩散距离距泄漏口约9.6 m;泄漏量为0.12 kg/s时,爆炸上限扩散距离距泄漏口约3.6 m,爆炸下限扩散距离距泄漏口约11 m;泄漏量为0.20 kg/s时,爆炸上限扩散距离距泄漏口约5.0 m,爆炸下限扩散距离距泄漏口约14.0 m

 

b.泄漏时长对扩散范围的影响

 

泄漏量为0.12 kg/s,泄漏时长分别为45 s55 s60 sxOz平面甲烷扩散范围软件截图见图7(图中图例的值为甲烷体积分数)。

 

7   泄漏时长不同时甲烷扩散范围软件截图

 

对比图6b及图7b7c,可以看出甲烷扩散范围在泄漏时长为55 s60 s时基本无变化,因此认为泄漏时长为55 s时泄漏已达稳定状态。泄漏开始时,泄漏量对扩散范围占主导作用,因此甲烷浓度区域首先沿长度方向增长;之后甲烷密度对扩散范围影响较大,因而浓度区域向高度方向增长;最终泄漏量又对扩散范围占主导作用,因而浓度区域再次沿长度方向增长。扩散稳定时,爆炸上限扩散距离距泄漏口约3.6 m,甲烷体积分数为10%的扩散距离距泄漏口约5.6 m,甲烷体积分数为6%的扩散距离距泄漏口约11.2 m ,爆炸下限扩散距离距泄漏口约12.0 m。因此,沿泄漏方向距泄漏口12.0 m内均有较大危险。

 

5   LNG验证实验


在计算、模拟相同工况条件下进行LNG泄漏扩散验证实验,将实验结果与模拟结果、计算结果进行比对分析。

 

①实验系统

 

实验系统见图8。主要由模拟泄漏源(LNG气瓶及测试控制系统)、模拟泄漏点、测试系统(甲烷体积分数场测试、其他辅助测试、数据采集系统)组成。

 

8   实验系统

 

通过电磁阀控制LNG低温绝热气瓶的开启及关闭,实现远程控制泄漏工况。LNG流经截止阀和电磁阀,在泄漏管内气化,通过模拟泄漏点泄漏至空气中。利用红外甲烷探测仪测量甲烷体积分数,利用温度传感器、压力传感器测得泄漏管内LNG温度与压力,利用风速风向传感器监测风速风向,利用防爆电子秤称重,间接测量LNG泄漏量。

 

②实验流程

 

a.确认场地及周围安全,无火灾隐患;

 

b.进行实验系统的安装、调试,确认传感器、仪器、电磁阀工作正常;

 

c.连续记录温度、压力、浓度、风速风向等测试数据;

 

d.手动打开截止阀,远程开启电磁阀,LNG开始泄漏;

 

e.等待数据稳定或泄漏完成后关闭电磁阀;

 

f.等待残余天然气扩散完毕后手动关闭截止阀,实验结束。

 

③实验结果及分析

 

实验在空旷田地进行。地面凹凸不平,有一定天然气吸收率。环境温度约为7 ℃,空气相对湿度约为20%,环境风向时刻变化,因此测量有一定误差。实验场地见图9。实验测得泄漏管内压力为0.1 MPa,温度为-148 ℃,此时甲烷为气态,因此泄漏点泄漏的云团为气态。

 

9   实验场地

 

a.爆炸下限扩散范围实验

 

泄漏量为0.12 kg/s,红外甲烷探测仪每5 s测定一次甲烷体积分数,实验共测得45组实验数据。平均风向与横轴夹角45°,方向斜向下,平均风速为1 m/s。实际测点布置见图10。泄漏点位于场地中心位置,即图10中横纵坐标轴交点,泄漏高度为0.75 m,两侧布置甲烷探测仪,探测仪高度为0.75 m。图1014横轴设为xt,表示测点到泄漏口沿长度方向的距离,单位为m,纵轴设为yt,表示测点到泄漏口沿宽度方向的距离,单位为m

 

 

10   爆炸下限扩散范围实验实际测点布置

 

泄漏量为0.12 kg/s,泄漏时长分别为30 s40 s50 s60 s时,爆炸下限扩散范围甲烷体积分数分布见图11。泄漏稳定时等体积分数线见图12

 

11   爆炸下限扩散范围甲烷体积分数分布


12   泄漏稳定时等甲烷体积分数线

 

由图11可以看出,甲烷主要集中在泄漏口中心线上,宽度范围内体积分数较低。甲烷泄漏过程与黏性流体流过物面过程类似。甲烷体积分数区域左右基本对称,受风向和风力影响较大。当泄漏时长为50 s时,扩散过程达到动态平衡,区域内甲烷体积分数趋于稳定。由图12可以看出,甲烷体积分数为6%扩散范围距泄漏口最远距离约为10.8 m,爆炸下限扩散距离距泄漏口最远约为11.5 m,甲烷体积分数为4%扩散范围距泄漏口最远距离约为12.5 m,甲烷体积分数为2%扩散范围距泄漏口最远距离约为14.0 m

 

b. 爆炸上限扩散范围实验

 

天然气泄漏扩散120 s,共测得24组数据。泄漏量为0.12 kg/s,平均风向为与横轴夹角45°,方向为斜向上,风速为1 m/s。泄漏点位置不变,只改变甲烷探测仪位置。探测仪高度均为0.75 m。爆炸上限扩散范围实验实际测点布置见图13。泄漏量为0.12 kg/s,泄漏时长分别为35 s40 s45 s时,爆炸上限扩散范围甲烷体积分数分布见图14

13   爆炸上限扩散范围实验实际测点布置


14   爆炸上限扩散范围甲烷体积分数分布

 

由图14可以看出,天然气泄漏时长为45 s时达到稳定状态。爆炸上限扩散范围距泄漏口较近,且风速风向对扩散范围影响较大。甲烷主要集中在泄漏口中心线上,宽度范围内体积分数较低。爆炸上限扩散范围距泄漏口最远距离约为3.5 m。经估算,甲烷体积分数为10%距泄漏口最远距离约为5 m

 

结合爆炸下限、爆炸上限扩散范围实验结果,当泄漏量为0.12 kg/s时,爆炸范围约为3.5~11.5 m。

 

6   结果对比分析

 

泄漏量为0.12 kg/s时,将板模型计算结果、Fluent模拟结果与实验结果进行对比,板模型计算,Fluent模拟、实验结果见表1

 

1   板模型计算、Fluent模拟、实验结果   m


由表1可以看出,天然气泄漏扩散体积分数范围基本一致,验证了板模型与Fluent模拟的准确性。Fluent模拟结果与实验结果相对接近,但仍有一定误差。分析原因,是由于实验影响因素较多、实验次数不足引起。实验土地有一定甲烷吸收率,风速风向时刻改变,因此相对模拟而言,甲烷被空气稀释较快,体积分数较低,扩散范围也较近。由于甲烷探测仪测量时间间隔较大,对实验数据也有一定影响。板模型准确度一般,计算量小,只适用于重气扩散。

 

7   结论及建议

 

①板模型计算得出,当泄漏量为0.12 kg/s时,爆炸范围约为3.47~11.39 m

 

Fluent模拟得出泄漏量为0.04 kg/s时,爆炸范围约为1.25~9.6 m;泄漏量为0.12 kg/s时,爆炸范围约为3.6~12.0 m;泄漏量为0.20 kg/s时,爆炸范围约为5.0~14.0 m

 

③当泄漏量为0.12 kg/s时,实验得出爆炸范围约为3.5~11.5 m

 

④当泄漏量为0.12 kg/s时,板模型、Fluent模拟、现场实验3种方式得出的爆炸范围基本一致。

 

LNG泄漏速度与环境风速会影响重力沉降阶段与非重气扩散阶段泄漏过程。风向是影响体积分数区域的一个重要因素。

 

⑥由于受测试环境与实验次数所限,本文只测得了LNG云团重力沉降与对流换热阶段的体积分数范围,后期还可以设计实验测得非重力扩散阶段体积分数范围,并利用高斯模型对比分析。


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