液化天然气(LNG)作为一种清洁、高效的能源，已经成为油气工业的热点[1]。LNG的体积只有同量气态体积的1/625，有利于储存和运输；但是，LNG的储存温度极低，约为-162 ℃，一旦泄漏，与空气混合并发生换热，低温甲烷的密度大于空气，会在近地面形成低温白色云团，对周围的环境、设备和人员安全造成危害[2-3]。天然气是一种易燃气体，如果遇到明火，会发生蒸气云火灾或者池火灾，造成更大的危害[4-5]。因此，在实际运行生产中，LNG的安全应始终放在首要位置。
从20世纪60年代末，国内外不少学者开始对LNG泄漏扩散进行研究，研究方法分为试验研究和数值模拟研究。试验研究分为大尺度现场试验，如Burro系列试验、Coyote系列试验等[4]，风洞实验研究(如Meroney气象学风洞实验[6-7])、阿肯色大学危险化学品研究中心(CHRC)的风洞实验研究等。
随着试验数据的完善和计算机性能的提升，从20世纪70年代开始，数值模拟逐渐成为低温液体泄漏扩散的主要研究手段。常用的数学模型主要包括MTB模型(高斯修正模型)、经验唯象模型、箱及相似模型、浅层模型和计算流体力学(CFD)模型。桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)推荐使用计算流体力学模型[8]。庄学强等[9]证明CFD数值模拟模型能够更好地吻合试验数据，可以视为研究LNG气云扩散的最好工具，代表该领域的研究方向。黄琴等[8]对比DEGADIS、SLAB和Fluent分别模拟LNG泄漏扩散过程，分析结果表明Fluent模拟结果与试验数值最为接近。F. Gavelli等[10]利用Fluent软件模拟Falcon1试验，发现围堰能够明显地限制气云向下风向及两侧扩散，减少危险区域。李清等[11]采用数值模拟方法提出了无围堰条件下小型LNG储罐泄漏扩散距离与泄漏量的计算公式。W.C.Ikealumba等[12]用CFD方法直接模拟LNG泄漏和液池形成过程，结果表明围堰能够有效减慢气云蔓延速度。由前人的研究成果可知，围堰在气云的扩散过程中能够有效地缩小危险区域，是一种有效的泄漏应对手段。
近年来，我国的天然气进口持续增长，LNG接收站在LNG贸易中发挥着巨大的作用，对大型LNG储罐的泄漏扩散特性进行研究，能够为LNG接收站的生产运行提供安全保障。本研究采用CFD模拟方法，建立了16×104 m3 LNG储罐的三维数值计算模型，利用Fluent软件研究有无障碍物情况下的LNG储罐泄漏扩散过程。按照国家规范设定了3种围堰尺寸，研究围堰形状及挡板对LNG储罐泄漏后气云扩散的影响，进而优化围堰和挡板的结构设计。
以某LNG接收站储罐为例，选用16×104 m3的LNG储罐作为研究对象，罐内储存温度为-162 ℃，结构尺寸如图 1所示。利用ICEM软件建立三维储罐模型，研究过程中将LNG储罐简化为直径82 m的圆柱和球形拱顶相交完成建模。
三维模型的原点设置在地面，位于储罐底部中心。为使风场和LNG流场充分发展，更好地模拟气云扩散行为，并且考虑障碍物摆放，确定计算流域分别为x方向：-400~800 m；y方向：0~300 m；z方向：-400~400 m。储罐中心距离出口800 m，阻塞率为1.7%，满足阻塞率要求(根据文献研究[13]，阻塞率小于3%时，计算域基本不会影响障碍物附近的流场)。
本研究主要研究的是储罐等复杂区域周围气云的流动问题，所以需要在储罐附近划分精密网格。由于计算域很大，考虑到计算机性能，采用分体法对计算域进行网格划分，在泄漏孔附近区域划分精密网格。计算域采用结构化网格进行离散，具有网格生成质量好、精度高等优点。最后，离散得到网格总数846 514个，具体网格如图 2所示。
控制方程是对基本物理过程中守恒定律的一种数学描述，描述流动过程的控制方程为三维瞬态守恒方程，包括质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。因为流动涉及不同组分的混合，还要遵守组分守恒定律。所以实际计算时，还要考虑流体的流态，引入湍流模型。
流体的质量守恒方程表达式如下：
式中：v为速度矢量，vx、vy、vz分别为x、y、z方向上的速度分量，m/s；ρ为气云密度，kg/m3。
液体的动量方程表达式如下：
式中：p为压力，Pa；τ为应力张量，Pa；Sx、Sy、Sz为动量守恒方程的广义源项。
式中：E为总能量，J/kg；hj为组分j的焓，J/kg；keff为有效导热率，W/(m·k)；Jj为组分j的扩散通量；Sh为源项。
将标准k-epsilon(2eqn)方程作为LNG泄漏扩散过程的湍流模型，其表达式如下。
k方程：
ε方程：
式中：Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能，J；Gb为由浮力产生的湍流动能，J；YM为在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动；C1ε、C2ε、C3ε为经验系数；σk和σε为k方程和ε方程的湍流普朗特数；Sk和Sε为源项。
因为LNG的主要成分为甲烷，占90%以上，本研究采用纯甲烷进行模拟。
式中：Yj为组分j的质量分数，%；$\vec{J}_{j}$为组分j由于温度、浓度梯度导致的扩散率，%。
在计算LNG储罐泄漏量时，采用伯努利方程，计算公式如式(9)。
式中：Qs为LNG储罐泄漏速率，kg/s；C0为流量系数，取0.6；A为泄漏孔的面积，m2；ρ为LNG密度，取420 kg/m3；h为储罐内液面与泄漏孔口中心的垂直高度差，m；p为储罐内液面的压力，Pa；p0为大气压力，Pa；A0为储罐液面横截面面积，m2。
实际情况下，与储罐液面横截面面积相比，泄漏孔的面积非常小，式(9)的第二项近似为0，式(9)可简化为式(10)：
在建立的计算域中需要设定的边界有：计算域风入口、计算域出口、计算域顶面、计算域侧面、地面、储罐壁面、泄漏入口、围堰壁面。边界条件类型见表 1。
在本研究模拟中，环境温度设置为300 K，环境压力设置为101 325 Pa。主要研究LNG储罐液相泄漏形成液池后的气云扩散特性，不考虑相变过程。因此在泄漏开始时，假设已经形成液池且蒸发速率与泄漏速率保持动态平衡，液池面积保持不变，液池高度不考虑，将此时的LNG液池表面作为泄漏入口。
圆形泄漏口位置设定在储罐下风向壁面上，直径0.2 m，泄漏口中心坐标为(41, 0, 15)。根据实际生产数据，假定储罐内液位为30 m，罐内工作压力为120 kPa，根据式(10)计算出泄漏量为154.9 kg/s。模拟过程中泄漏量为154.9 kg/s，并且形成了半径为24.5 m的圆形液池。根据质量守恒定律，得出液池表面上的蒸气入口速率为0.046 7 m/s。
LNG泄漏扩散中，大气环境中空气与CH4进行换热，CH4温度上升，另外风不断地稀释和扩散CH4气体，推动其在水平方向上的蔓延。因此，整个求解过程按时间发展分为2个阶段进行模拟：第1阶段为在泄漏开始前，建立稳定的风场和温度场；第2阶段为在泄漏开始后，以第1阶段的结果作为初始条件，将液池表面从壁面改为速度入口，动态模拟CH4在空气中的扩散过程。压力、速度耦合方式用PISO算法，对动量和能量方程采取二阶迎风格式进行离散。
用模拟结果与Burro 8试验数据对比验证模型[14]。模拟和试验中体积分数为2.5%(1/2 LEL)的CH4气云在下风向的最远扩散距离随时间变化趋势如图 3所示。由图 3可以发现，模拟得到的气云在下风向的扩散趋势与试验结果基本吻合，最大偏差在10%以内。另外，模拟的气云在下风向的最远距离低于试验峰值，达到稳定状态所需的时间更长，这主要是模拟情况中对环境条件的设置相对于多变的试验环境而言更稳定，气云不易稀释，所以模拟得到的气云扩散距离更小。因此，可认为气云扩散趋势与试验结果基本吻合，模型可靠。
考虑到低风速为危险情况，以风速2 m/s为例，图 4为泄漏开始后不同时刻CH4气体体积分数为2.5%的等值面图。泄漏初期，受风向的影响，气云在储罐下风向蔓延迅速，同时缓慢地从储罐两侧向上风向移动，说明气云的扩散速度高于风速；并且在泄漏初期，CH4气云在近地面积聚，呈现明显的重气特征。不同时间时体积分数为2.5%(1/2 LEL)的气云在下风向能够达到的最远距离如图 5所示。由图 5可知，在t = 300 s时，气云扩散已达到稳定，下方向最远距离不再增加，保持定值190 m。
根据GB 50351-2014《储罐区防火堤设计规范》的相关规定[15-16]：全冷冻式液化石油气、天然气凝液及LNG储罐组的防火堤内的有效容积应容纳储罐组内一个最大罐的容量，且防火堤高度应比设计液面高度高出0.2 m。GB 50183-2015《石油天然气工程设计防火规范》对于防火堤有以下规定[17]：天然气凝液及液化石油气储罐应满足防火堤内有效容积应为一个最大储罐的容量。根据GB/T 20368-2006《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》[18]：对于单个LNG储罐的拦蓄区，拦蓄区最小容积等于储罐的总容积。为了研究围堰在气云扩散中的作用，在储罐外围设计围堰；考虑储罐最高液位为34 m，LNG的密度为420 kg/m3；设计的围堰水平横截面为正方形，为了满足围堰区的体积和储罐最大体积相等，尺寸分别为100 m×100 m×38 m、145 m×145 m×11.5 m、190 m×190 m×6 m。风速为2 m/s，泄漏量为154.9 kg/s。
图 6~图 8分别为3种围堰情况下不同时间2.5%(φ)CH4气云等值面示意图。分析图 6~图 8可得，围堰是否能在储罐泄漏时发挥作用，与围堰高度设计有很大的关系。气云在扩散初期表现出明显的重气特征，在近地面很快地扩散至围堰，此时气云并没有与空气充分地换热，低温气体仍主要积聚在近地面，此时围堰的高度才是阻碍气云向围堰外扩散的关键。围堰越高，气云攀升出围堰的所需时间越长。
从图 6~图 8可以看出，在细高围堰(100 m×100 m×38 m)情况下，直到360 s时气云始终积聚在围堰内，整个围堰都被气云占满，并且随着扩散时间的增加，气云的高度也在增加，可以预计的是，随着泄漏的持续，气云终将从各个方向溢出围堰；在145 m×145 m×11.5 m围堰情况下，气云在近地面积聚，在泄漏发生180 s时就已经充满整个围堰，然而直到360 s时才明显地从各个方向溢出围堰，因为风向的原因，溢出围堰的气云主要向下风向蔓延；在低矮围堰(190 m×190 m×6 m)情况下，气云受风向影响30 s时在下风方向蔓延到围堰，并没有接着充满围堰，120 s时就已经明显扩散到围堰外侧，并且继续向下风向蔓延。
图 9为不同围堰形式下的气云扩散情况。从图 9也能看出，在60 s时，低矮围堰(190 m×190 m×6 m)已经不能起到阻碍气云向下风向蔓延的作用，且随着扩散的进行，有无围堰的差距越来越小；无围堰时，气云在120 s就已经蔓延至165 m，低矮围堰(190 m×190 m×6 m)情况下气云在300 s蔓延至此位置，把气云的扩散行为推迟了180 s。
因为在泄漏初始阶段，气云主要在近地面蔓延，所以围堰的保护作用主要体现在高度上，限制气云在水平方向上的扩散，而且因为风向的影响，气云在下风向的危险范围最大。因此，以下仅分析在下风向设立障碍物对于气云扩散的影响。
根据4.2节的结论，在储罐的下风向距计算域原点145 m处设立一个100 m×10 m的挡板。图 10为不同时刻气云的扩散情况。60 s时，气云近乎蔓延到挡板，而从120 s、240 s、360 s时的扩散情况来看，挡板只能阻挡自身截面范围内的气云，LNG会从挡板两侧绕行，且因为挡板的阻拦作用，被阻挡的气云除了向挡板上侧攀升外，还会从挡板两侧绕行，挡板两侧的气云蔓延速度比无障碍时更快。
图 11为有无挡板条件下气云在下风向扩散的最远距离。由图 11可知，挡板的阻挡作用仅体现在120 ~180 s，即气云扩散到挡板后的60 s内；180 s之后，有挡板情况下的气云蔓延速度远超于无挡板情况，直至240 s。在240 s时，气云在下风向的扩散达到稳定状态，与无障碍物情况时间相同，挡板的存在非但对于气云达到稳定的时间没有影响，甚至它的存在使得稳定气云的范围增加至200 m，与无障碍物相比增加了5.2%。
根据规范设置了3种不同尺寸的围堰，分别是100 m×100 m×38 m、145 m×145 m×11.5 m、190 m×190 m×6 m，3种围堰内最小容积相同，且都略大于储罐的总容积，符合规范要求。190 m×190 m×6 m的围堰对于气云扩散的抑制性能最差，100 m×100 m×38 m的围堰抑制性能最优，但二次灾害的可能性也随之提高；145 m×145 m×11.5 m的围堰不仅有效地推迟了气云的扩散行为，为人员疏散、救灾抢险争取了时间，而且二次灾害的可能性仍在可控的范围内。
图 12为不同障碍物情况下气云在下风向最远扩散距离随时间的变化曲线。总体来说，3种围堰都能够有效地推迟气云的扩散，限制气云在水平方向上的扩散，围堰的高度决定了延迟气云扩散的时间，最少延迟了180 s。而挡板的作用不明显，气云只是暂时没有蔓延到挡板的横截面的下风向位置。前期未遇到挡板时与无障碍物的扩散过程基本一致，挡板只作用了60 s，后期气云绕过挡板后扩散速度加快，最后达到稳定的距离比无挡板时更广。设置挡板只是增加了气云扩散过程的扰动，而对最终距离并没有什么影响，甚至会使其恶化。从图 12可看出，围堰越高，对于气云扩散的抑制作用越明显，但当围堰过高时，气云长时间聚集在围堰内会增加产生二次灾害的可能，所以需要在站场内的LNG储存区内划出一定范围的危险区域，任何可能产生火花的设备都应该禁止。因此，围堰的高度需要根据储罐容量进行合理的设计，可以根据已知条件给出合理的围堰尺寸设计，满足达到抑制气云扩散和降低二次灾害几率的目的。
针对大型LNG储罐的泄漏扩散问题，建立了实际尺寸的LNG储罐蒸气云扩散的数值模型，采取CFD数值模拟方法，模拟计算了无围堰、有围堰以及挡板情况下的扩散特性，研究得出以下结论：
(1) LNG储罐泄漏扩散初期由于蒸气云的温度较低，密度大于空气密度，因此扩散表现出重气的特征，气云在近地面积聚，并且迅速地向下风向蔓延，很快达到稳定状态。
(2) 通过对不同尺寸的围堰情况下蒸气云扩散行为的研究可知：围堰能够有效地限制气云向下风向扩散，减少危险区域。通过增加围堰高度可以有效地推迟气云在下风向的扩散行为，实现LNG罐区安全防护的作用，但是也会使得CH4气云长时间大量积聚在储罐附近，增加了发生二次灾害的可能性。因此，围堰的尺寸需要根据储罐容量进行合理的设计。
(3) 通过在储罐下风向设置挡板的研究可知：挡板对气云的抑制作用低于围堰，甚至可能会加大气云扩散的范围；挡板虽然会在一定时间内阻挡气云的蔓延，但一旦气云绕过挡板，扩散速度会比之前更快，危险距离并没有减小。在实际生产中，挡板的运用需要进一步的理论研究作为支撑。
2019, Vol. 48 Issue (2): 103-110
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