LNG低温储罐泄漏事故危险性分析综述(全文)

第三届中国LNG 论坛论文编号：1260304LNG 低温储罐泄漏扩散危险性分析方法综述张文冬张永信路江华（中国石化青岛液化天然气有限责任公司，山东青岛，266400）摘要:液化天然气（LNG ）低温储罐泄漏可能导致喷射火、闪火、沸腾液体扩展蒸气爆炸和蒸气云爆炸等事故，国内外学者在LNG 泄漏扩散的危险性分析方面取得了一定的理论和实验研究成果。

文章从数值模拟和实地物理模拟两个方面，总结了近年来国内外学者LNG 泄漏事故危险性分析尤其是泄漏扩散方面的成果。

数值模拟方面，介绍了基于不同原理泄漏扩散的数值计算模型，如三维传递模型、高斯模型、经验模型、BM 模型、一维积分模型、浅层模型等的建立及其在LNG 泄漏扩散中的应用，并总结了目前广泛应用于定量风险评估的计算机软件。

物理模拟试验以风洞试验为主，本文归纳了国内外LNG 泄漏试验的研究成果，作为数值模型的验证和进一步补充。

通过对比分析不同的分析研究方法在LNG 储罐泄漏事故中的应用，为进一步研究提供参考，以便更加合理地进行LNG 接收站安全设计。

关键词：LNG 储罐；泄漏；扩散；数值模拟；试验随着社会经济的发展，液化天然气（LNG ）作为一种清洁能源越来越受到人们的普遍关注，其在储存过程中的安全性也备受关注。

液化天然气储罐一旦发生泄漏，将可能导致喷射火、闪火、沸腾液体扩展蒸气爆炸和蒸气云爆炸等事故，会对周围的环境、人员、设备等造成极大危害。

国内外此类事故常有发生，如美国俄亥俄州发生的天然气泄漏事故造成128人死亡和难以计数的财产损失。

许多国家对LNG 的相关设施制定了严格的安全标准，如美国联邦规范将LNG 设备的安全归于管网安全。

国内外学者对于LNG 泄漏扩散危险性分析的理论和试验研究工作已开展多年，并且得到了很多具有实际指导意义的成果。

1.LNG泄漏模型LNG 储罐的泄漏形式包括气相泄漏、液相泄漏和两相流泄漏，不同的泄漏模式对应有不同的泄漏模型。

由于LNG 储罐主要发生液相泄漏和两相流泄漏，这里只介绍这两种泄漏模式的预测模型。

1.1液相泄漏模型基于伯努利方程，LNG 储罐液相泄漏预测模型[1]:22000gC A Q C A t A ρ=−（1）QV A ρ=i （2）其中，V 是泄漏处泄漏速度，Q 为LNG 泄漏的质量速率，ρ为液化气密度，h 为液面与泄口的高度差，A 为储罐横截面积，t 泄漏时间，g 是重力加速度。

由此可见，LNG 的泄漏速度除与储罐的内外压差有关外，还与液面与泄口的高差及泄漏口面积等有关。

1.2两相流泄漏模型当过热液体，发生泄漏时，会出现气液两相流动。

在《建设项目环境风险评价技术导则》中[2]，给出了两相流泄漏预测模型。

LNG 在泄漏时，部分LNG 瞬间发生汽化，这里假设液相和气相是均匀的，且相互平衡，则均匀两相流的泄漏速率计算公式如下：00Q C =（3）其中，0Q -两相流泄漏的质量速率，0C -两相流泄漏系数（一般取0.8），p -两相混合物的压力，c p -临界压力，一般可取0.55c p p =；ρ-两相混合物的平均密度。

王洪丽等[3]利用上述方法，对上海LNG 项目进行了预测研究，并对预测的不确定因素进行分析。

2.LNG扩散模型LNG 泄漏后形成原始气团，主要有喷射扩散和绝热扩散两种形式。

国外学者从20世纪6O 年代就开始了对危险气体泄漏扩散的试验和理论研究，并提出了许多计算模型，常用的气体扩散模型有：三维传递模型、高斯模型、经验模型、BM 模型、一维积分模型、浅层模型等。

2.1三维传递模型三维传递现象模型采用计算流体力学（CFD ）方法模拟层流及湍流场，主要用于重气扩散的三维非定常态湍流流动过程模拟。

该方法基于求解Navier-Stokes 流体方程，结合一些初始和边界条件，运用数值计算理论和方法，预报各种真实场的分布。

三维传递模型主要有零方程模型、单方程模型和双方程模型等，其中双方程模型使用较多，如k ω−、k τ−、k ε−模型等。

该模型可以模拟平坦地形及复杂地形下的气体扩散，准确的描述流体的三维物理特性，但在模拟涡流和浮力效应时的准确性存在一定的限制。

三维现象传递模型的计算复杂、计算量大，但随着计算机技术能力的发展和近似计算方法（有限元法、有限差分法等）的完善，这个方法已经可以在个人电脑上运行使用。

三维传递模型的典型代表如Lawrence Livermore 国家实验室研究的有限元计算模型FEM3及其升级版本FEM3C 。

FEM3在空间上采用伽辽金有限元法，在时间上采用有效差分法，FEM 3模型处理湍流问题时，需用梯度输运理论和混合长理论(简称为K 理论)，该理论是一种局部平衡理论。

Koopman [4]指出，当所研究的问题与环境的湍流混合长相接近时，K 理论是比较适合的。

最新的FEM3C [5]模拟了在螺旋状和分叉型的气云下不同地形、障碍物的流动扩散。

FEM3C 包含了相变模型，以说明蒸气云中水和气的相互作用，同时可选择使用k ε−湍流输运方程。

2.2高斯模型高斯模型基于拉格朗日函数，包括烟羽模型（plume model ）和烟团模型（puff model ），分别适用于连续源和短时间泄漏（如储罐爆炸导致的突发性泄漏）的扩散。

高斯模型适用于点源的扩散，从统计方法入手，考察扩散LNG 的浓度分布。

烟羽模型的浓度分布公式为：222111()()(222(,,,)[]2y z z y Z H Z H y z QC x y z H e e e σσσπσσ−+−−−=+（4）其中，C 为扩散质的浓度（以百分数表示的体积分数），Q 为源的泄放速率，H 为有效源高，x 、y 、z 是该点坐标，y σ、z σ分别是横风向和竖直方向的扩散系数。

烟团模型的浓度分布公式为：22221()[]22232(,,,)(2)h z x t H z h MC x y z H e µσσπσσ−−+=（5）其中，h σ为水平方向上的扩散系数，M 为气体或污染物的泄放总量，其它符号意义同式(4)。

高斯模型适用于轻气体或与空气密度相差不多的气体的扩散，该模型简单、易于理解、运算量小，计算结果与试验值能较好的吻合，在扩散领域得到广泛的应用。

但高斯模型未考虑重力影响，不能模拟重气扩散[6]。

Sykes 等[7]在高斯非线性烟团模型的基础上发展了SCIPUFF （Second-order Closure Integrated Puff ），其中包含了重气扩散模型，重气效应通过动量守恒的旋度形式来模拟，解决了高斯模型无法进行重气模拟的弊端。

Ermark 等[8]将重气扩散模型预测结果与Maplin 、Burro 和Coyote 等一系列LNG 泄漏试验结果进行了比较。

2.3经验模型这是一种改良型的高斯烟羽/烟团模型，并假定空气输送发生在气云边缘，内部气体均匀分布，其下风向的浓度剖面使用ad hoc 方程表示。

国外学者提出了多种经验模型的计算公式，其中Havens 等[9]对多种经验模型进行了比较研究。

2.4BM模型该模型是一种统计学模型，初由一系列重气体连续泄放和瞬时泄放的试验数据绘制成的计算图表组成，该模型提出的连续和瞬时释放的浓度关系表达式为：'1/20m c C f C =（6）'1/3001/3200[,m i i i C g V x f C V u =（7）式中，m C 、0C 分别为气云横截面上的平均和初始浓度，将0/m C C 实验数据绘制成曲线，根据曲线来确定烟流长度和危险范围。

后来经Hanna 等人[10]进行无因次处理并拟合成解析公式,发现与试验结果吻合得较好。

BM 模型只适用于重气的扩散，对于喷射或二相释放的近源区是不合适的，另外该模型只能用作基准的筛选模型，而不能用于超出其导出范围的情形，如城市或工业区。

2.5一维积分模型一维积分模型使用相似性剖面，该剖面假定浓度和其他特性在风横截面具有特定的形状，下风向气云的平均高度、平均半径仅由下风向的浓度方程决定，不考虑空间上的细节特征，也被称为箱模型。

由于考虑了气体重力及流动扩散阻力等因素的影响，较之高斯模型精度更高，同时计算速度快，便于使用，被广泛应用于重大事故的危险评价。

这种模型的缺点是只能限制在由平板泄漏的天然气泄漏后果预测，只考虑了在光滑表面进行泄漏扩散，而没有考虑障碍物和地形的不同造成的流动的变化。

SLAB [11]和DEGADIS [12]是两种被广泛应用的一维积分模型。

这两种模型均可以模拟浮力支配型、稳定分层的或介于两者之间的泄漏以及喷射泄漏。

DEGADIS 是一个综合扩散结果模型，对于作用于扩散天然气的重力影响和在风的作用下天然气的“收聚”作用所做的处理，是该模型的先进之处，其数学表达式为：21100||()(,,)()exp[()()],||()()(,,)()exp[()],||()()a c y z a c z a x y b x z c x y z c x y b S x S x z c x y z c x y b S x z u u z ++−⎫=−−>⎪⎪⎪=−≤⎬⎪⎪=⎪⎭ （8）式（8）中，x u 为沿x 方向的风速，0u 为0z z =时测得的风速，a为风力图常数；0z 为风力图基准高度。

2.6浅层模型该模型假设气云的横向尺寸远大于竖向尺寸，即LNG 泄漏形成低而宽的气云。

如Hankin 等人[13]提出的TWODEE 模型，其浓度变化利用浓度方程在横向进行二维求解，这是一种介于一维积分模型和三维传递模型之间的模型，其计算量远远超过一维积分模型。

国内外学者对以上模型进行了广泛深入的研究。

Hanna 等[14]对15种积分模型进行了评估，并与8个不同地区的试验数据进行了比较。

彭世尼等[15]比较了MTB 、DEGADIS 、FEM3A 计算机模型，并与风洞实验结果进行了对比。

苑伟民等[16]研究和比较了几种气体扩散模型，将板模型和高斯模型相结合建立LNG 泄漏扩散模型，重点讨论了泄漏后蒸气扩散的运动规律及重要影响因素，结合大气湍流理论和气体运动状态方程对LNG 蒸气的重气扩散和被动扩散的过程进行了详细论述。

邓海发等[17]采用大涡模拟理论计算湍流流动，采用组分输运方程模拟气体组分质量变化，大涡模拟采用滤波思想过滤掉湍流运动中的小尺度脉动，将小尺度脉动对大尺度（大涡）的作用建立模型，满足Navier-Stokes方程和质量扩散方程，能够有效分析复杂地形气体运动。

3.软件应用随着计算机技术的不断进步，许多LNG泄漏扩散模型都已实现计算机软件化，按照其模拟方式的不同，可以分为扩散模式模拟和数值计算模拟[18]。

目前的商品化软件都可以进行泄漏扩散的危险性分析，如ISC3VIEW、挪威船级社DNV的PHAST软件、荷兰应用技术研究院TNO的DAMAGE和EFFECT软件、英荷壳牌SHELL的FRED软件等，这些软件往往基于某种特定的模型，如ISC3VIEW 基于高斯模型开发，而PHAST软件基于UDM模型开发，属于扩散模式模拟。