液化天然气在当今国际中的应用范围非常广泛, 但其存储安全性也成为了国际关注的焦点话题。由于管道超压、安全阀失灵、垫片老化、管道腐蚀等问题造成的安全事故不在少数。针对液化天然气泄漏问题来说, 一旦出现泄漏问题会导致冻伤、低温麻醉、窒息等事故, 同时会损害周围的设备和器材。最重要的是液化天然气在泄漏过程中会逐渐汽化, 如果扩散到厂区内, 遇到火源会瞬间爆炸, 造成更为严重的生命安全隐患。因此, 我们必须要强化对液化天然气泄漏扩散过程进行研究, 主要包括现场试验、实验室模拟、风洞试验、数字模拟等, 其中数字模拟是当今液化天然气泄露扩散研究的主流措施。
液化天然气泄露扩散过程的影响因素非常多, 通常情况下包括气象因素、地理因素、泄露参数等, 这些问题都会在一定程度上造成液化天然气泄露问题, 并且导致液化天然气泄露都是多个因素共同影响造成的结果。
第一, 气象因素主要包括:大气湍流、周围自然风、太阳光辐射、温度层结、大气压力等。
第二, 地理因素包括:地物、地形、局地气流等。
第三, 泄露参数包括:泄露气体初始状态、泄露气体参数、初始状态、泄露形式等。
在正常温度下, 天然气呈现出气体形式, 并且密度要比空气小很多, 是一种典型的轻质气体, 但是通过降温能够让天然气从气体转变为液体, 也就是液化天然气, 通常存储温度为-160℃。一旦液化天然气发生泄漏问题, 液化天然气会大量吸收环境中的热量, 这时的液化天然气会急剧汽化, 肉眼能够看到白色的水雾, 这是液化天然气与环境大气发生热量交换的现象, 也就是气液混合团, 雾状混合云团密度通常都大于空气密度, 也就是重质气体, 在扩散中带有明显的重气扩散特点。在液化天然气泄露扩散研究中, 需要工作人员重点考虑气体扩散中的重力作用和空气卷吸作用, 对气体扩散中的高度、云团宽度、泄露气体浓度随风向距离变化进行综合计算, 也就是就爱过三维计算。在研究过程中, 需要基于常态、横风向各类参数均匀一致的质量和动量, 重点模拟云团在平坦地面无障碍物条件下的扩散行为。其中:
组分守恒方程为: (ρUBhm) '=ρsWsBs
质量守恒方程为: (ρUBh) '=ρa (Veh+WeB) +ρsWsBs
在进行中期扩散研究时, 必须要确定基础的参数, 这也是为后续工作提供的先决条件, 会直接影响重气扩散试验的结果。第一, 大气稳定度。是指环境大气稳定程度, 该因素对液化天然气重气扩散有着重要影响。第二, 地表粗糙度。地表粗糙度作为影响泄露程度因素之一, 在正式开展试验之前, 需要精准测量地表粗糙度。因为气液混合团密度大于空气, 会受到重力因素影响, 其扩散速度与地表粗糙度有着反比例关系。待到确定这两个参数之后, 我们即可对重气扩散进行进一步研究。
水平喷射泄露作为重气扩散的一种形式, 主要是由于天然气经过孔口水平沿着风向喷射漏出的装填, 这时由于液氨具有和液化天然气相同的扩散特性, 因此为了能够保障试验的安全性, 我们可以选择更加温度的液氨进行试验。在实验过程中, 我们主要采用液氨作为主要介质, 液氨带压存储, 初始泄漏相态为两相流, 也就是蒸汽和液滴混合物, 泄漏方式为水平喷射连续泄露。我们假设环境风速为4.5 m/s、相对湿度为21.3%、环境温度为306.2K、表面粗糙度为0.003m、泄漏速率为107.87 kg/s。这些参数都是重气扩散研究中不可或缺的参数。在试验过程中, 假设泄露位置 (三维坐标) 为 (x, y, z) = (1, 0, 0) , 我们从下风向距离x=1 m开始, 并且选取步长h=0.001m。这样就能够对重气扩散进行模拟分析, 并且能够分析试验中的液氨扩散程度。
根据4.1所设定的试验环境进行模拟分析, 我们能够得到液氨泄漏所形成的扩散云团密度ρ、体积浓度Cv、温度T、干空气mda、液氨蒸气mev、云团高度h、横截面半宽B、含水量mw, 分析上述参数与下风向距离x的变化规律。
通过分析可知, 液氨自喷射口水平喷出后, 云团的密度会逐渐增大, 这是由于汽化速度低于喷射速度引起的, 泄露初期的云团高度变化较为缓慢, 但在后期速度会明显增加。这种变化的因素是液氨含量较高, 在泄露初期由于云团湿而冷、密度大, 重气效应占据了领导地位, 这样就能够让扩散云团贴近地表运动, 这样能够抑制了云团继续上升。待到重气扩散阶段接近结束时, 会使重气效应逐渐消失, 大气湍流占据了主导地位, 这时的云团高度也就会随之上升。造成这一因素的主要原因为在环境风俗较低的情况下会导致大气湍流较弱, 重气扩散结算接近结束时的云团高度相对较低。此外, 扩散云团横截面半宽度会随着x距离增大而增大, 二者主要呈现出正比例关系, 前期增加速度较为缓慢, 但在后期会迅速增大。主要是因为泄露初期受到重气效应影响, 扩散团会受到地面阻力和重力向四周扩展。相反云团密度ρ与x成反比例, 也就是密度大扩散的距离短, 主要是因为受到摩擦力和重力影响, 再加上高密度不容易气化造成的。
综上所述, 本文重点探究了液化天然气水平连续泄露重气扩散过程, 其中, 高度、云面半宽与扩散距离呈现出正比例关系, 密度与扩散距离呈现出反比例关系。可以说, 通过上述的研究方法, 能够得到x与任何云团参数之间的关系, 虽然该方法依然存在有待完善之处, 但计算误差能够控制在合理范围内。
摘要：天然气作为一种清洁的气体能源, 在当今社会生产中的应用愈加广泛。为了能够提高天然气运输与存储的便捷性, 通常情况下会将天然气进行冷却加压形成液化天然气。但是液化天然气在实际应用, 存在着水平连续泄漏重气扩散问题, 基于此, 本文重点对液化天然气连续泄漏重气的扩散过程进行研究。
关键词：液化天然气,水平连续泄漏,重气扩散,过程
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