LNG 储罐泄漏扩散模拟研究

引言

自上世纪六十年代末起，随着美国 LNG 进口量的增大与工业发展速度的加快，液化天然气行业的安全性逐渐引起人们的重视。由于LNG 储罐的大型化，为了确定因 LNG 意外泄漏和扩散而导致的潜在火灾和爆炸事件的位置，泄漏的扩散建模至关重要。王志寰等人 ^[1] 建立 LNG 泄漏扩散三维预测模型，对不同因素条件下的 LNG 泄漏进行敏感性分析，并预测 LNG 接收站的灾害效应。闫晓等人 ^[2] 应用风险评价指数对大型 LNG 储罐区开展风险识别，对 LNG 泄漏事故进行定量风险分析，得到 LNG 接收站的个人及社会风险图表。研究 LNG 储罐泄漏扩散对 LNG 储罐的定量风险评价具有重大意义，本文建立了LNG 储罐泄漏扩散模型，分析 LNG 泄漏的气云分布规律，以供 LNG储罐泄漏的应急处置。

1 LNG 泄漏扩散建模

1.1 几何模型建立

研究对象为 16 万方 LNG 储罐，泄漏点的位置位于储罐，距离地面 10m。LNG 储罐的直径为 82m，高度为 51m 。对模型进行简化，将储罐外形视为圆柱体，模拟区域地面平坦且周围无其他建筑，仅分析1 个储罐。为消除边界效应，设置仿真计算区域长宽高分别为 300m、300m 、 200m 。在计算过程中，重点关注 LNG 泄漏的扩散行为，设置以泄漏点为中心的一定范围为核心区域及重点关注区域，核心区域的长宽高分别为 100m 、 100m 、 80m ，重点关注区域的长宽高分别为40m 、 40m 、 40m 。

在进行网格划分时，核心区域网格尺寸为 1m，对重点关注区域网格进行细化，网格大小设置为 0.5m。本次模拟采用液池模型，由于液池扩展发生在地面，且 LNG 泄漏蒸发后呈重气扩散，主要在地面扩散，故将高度方向（Z 方向）接近地面处的网格密度加大，设置为 0.25m，其余区域采用拉伸网格，总体网格数量为 208.5 万。LNG储罐泄漏模型如图1 所示。

1.2 边界条件及参数

边界条件的设定对计算结果影响较大。模拟时，考虑了风对泄漏的影响，因此，将吹风口设置为风边界，其余设置为射流边界。其余主要参数设置如表1 所示。

2 泄漏后果分析

LNG 泄漏导致的危险是多方面的。首先，LNG 自身温度过低，一般约为 -162% ，泄漏到大气中，极易造成人员冻伤；其次，LNG过量泄漏，在地面会形成液池，一旦遇到火源将发生池火灾；LNG在大气扩散时，空气中氧气所占比例降低，一旦含氧量低于 10% 时，可能对工作人员造成窒息；同时，LNG 储罐区结构设备复杂，在储罐区内容易产生可燃云团，遇到火源容易发生火灾爆炸，产生二次灾害。

甲烷的爆炸极限为 5%-15% ，根据标准要求，将爆炸下限的 50% 作为危险区域的下限，因此，将浓度为 2.5%-15% 的区域定义为潜在爆炸区域，如图 2 所示。泄漏停止后 25s 后（ ），高浓度云团仍在形成，潜在爆炸区域得到扩大，云团主要聚集在泄漏点周边。

LNG 泄漏后蒸发导致周围环境的温度迅速下降，存在冻伤的潜在危险，如图 3 所示。同时空气中水蒸气冷凝形成冰雾，不仅扩大窒息风险范围，还通过削弱可见度阻碍应急响应。低温冻伤区域与潜在爆炸区域基本重叠，尽管低温可抑制燃烧速率，但也延长了云团的滞留时间。救援人员在紧急抢修时应同时注意冻伤和爆炸的潜在危险。

总结

本文采用液池模型建立了 LNG 储罐泄漏扩散数值模型，揭示了LNG 储罐泄漏扩散的分布规律，甲烷潜在爆炸区域与低温冻伤区空间高度重合，形成“双重风险区域”。LNG 蒸发后以重气云团形式贴地扩散，将进一步扩大窒息风险，并因能见度下降阻碍应急处置。建议在重叠风险区优先部署可燃气体探测器与低温传感器，实时监测LNG浓度与环境温度，为事故后果动态预测及应急响应优化提供数据支撑。本研究对LNG 接收站定量风险评价与安全设计具有一定的实践价值。

参考文献

[1] 王志寰 ， 李成兵 ， 周宁 . 大型 LNG 接收站泄漏事故灾害效应分析与预测 [J]. 天然气工业 ，2019，39（05）：145-153.

[2] 闫晓 ， 赵东风 ， 孟亦飞 . 大型 LNG 储罐区卸料管线泄漏事故定量风险分析 [J]. 中国安全生产科学技术 ，2013，9（04）：72-77.