LNG重气扩散安全距离及影响因素.docx

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LNG重气扩散安全距离及影响因素

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???摘要：LNG储存温度为-161.5℃，一旦发生泄漏，迅速蒸发后的气体密度约为空气密度的1.5倍，低温的重气云团将会发生重力沉降；同时，由于大气湍流将空气卷吸进入云团内部，低温重气云团也会被加热，向正浮性气体扩散转变。为此，研究了LNG大规模持续泄漏产生的气体扩散问题，建立了LNG泄漏时安全距离的计算方法，并分析对安全距离的影响因素。从DEGADIS重气扩散基本模型出发，建立了LNG泄漏扩散时的场景条件和计算程序，并考虑了LNG向下风向扩散过程中受热形成的浮升效应以及风速和大气不稳定度的影响。所建立的方法比其他方法具有更好的准确性和适用性。通过与LNG泄漏扩散实地实验(Burro系列实验)数据进行比较，验证了该方法的计算结果，平均相对偏差为24.82%。通过研究风速、大气稳定度、泄漏源大小、围堰尺寸等因素对LNG气体扩散的影响，确定了不同条件下LNG扩散的安全距离要求。

???关键词：LNG；泄漏；重气；扩散；安全距离；积分模型；DEGADIS

0引言

???天然气在常温下密度比空气密度小，但LNG储存温度为-161.5℃，一旦发生泄漏，迅速蒸发后的气体密度约为空气密度的1.5倍[1]。低温的重气云团将会发生重力沉降，同时，由于大气湍流，空气将被卷吸进入云团内部，低温的重气云团也会被加热，向正浮性气体(即比空气密度小的气体)扩散转变[2]。

???笔者从DEGADIS重气扩散基本模型出发，建立了LNG泄漏扩散时的场景条件和计算程序，计算模型中考虑了液化天然气向下风向扩散过程中受热形成的浮升效应以及风速和大气不稳定度的影响，给出相应的分析模型和计算方法，并用国际上典型实验数据加以验证。重点对液化天然气大规模持续泄漏产生的气体扩散问题进行了研究。

1DEGADIS稳态模型及其验证

1.1模型描述

???DEGADIS(DEnseGAsDISpersion)模型是由Havens和Spicer在1989年推出的一种用于分析重气扩散的模型[3]，并作为NFPA59A推荐使用的一种模型，用于评估LNG生产储运过程中的重气扩散情况[4]。

???连续泄漏模型又称稳态模型，即下风向云团内部的各种性质参数只是位置的函数。DEGADIS作为积分模型，假设气体扩散浓度在侧风向上采用修正的高斯分布，而竖直方向上采用指数分布，并且对风速分布做了假设，其表达式如下：

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式中下风向不同距离处的扩散系数Sy(x)、Sz(x)，以及特征宽度b(x)、密度ρ(x)和温度T(x)的求解，需要满足下列守恒及特征扩散参数关系。

总质量守恒：

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泄漏组分守恒：

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能量守恒：

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垂直和水平特征扩散参数控制方程[3]：

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???在上述控制方程中的能量方程反映了云团扩散过程受热后的温度变化，由此而产生的扩散气体的密度变化和浮升效应在理查森数及相关的卷吸和扩散特征参数中体现。

???上述方程采用数值积分方法联立求解，其计算程序具有很好的收敛精度。本文建立的计算程序与DEGADIS通用计算程序对比，其计算精度符合很好。利用建立的程序计算得到浓度分布中的扩散参数，进而求出下风向的浓度分布和下风向扩散距离。

1.2模型验证

本文研究的数学模型通过Burro系列实验[1，5]进行验证，Burro实验在距离泄漏源下风向57m、140m、400m、800m处分别测得天然气的最大体积分数值，该实验共进行了多组，本文对其中的3号、5号、7号和9号实验进行模拟，将实验数据与模型计算结果对比，并进行误差分析，得出模型计算的平均相对偏差为24.28%。实验的初始条件以及对比结果见表1、2。

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2安全距离的影响因素分析

???在LNG场站选址时，需要远离居民区，以保证人民生命财产安全，因此，场站与居民区之间的距离是重要的考虑因素。LNG在泄漏过程中，自泄漏源开始，气体浓度逐渐被稀释，当其体积浓度在5%～15%范围内(即甲烷的爆炸极限内)，存在发生火灾或者爆炸的可能性。为了确保间隔距离划定的可靠性，相关标准(如NFPA59A)，规定其下风向体积浓度为2.5%处的距离为安全距离[4]。以Burro系列5号实验为例(以下简称B5)，其下风向上体积浓度的等浓度线见图1，可以看出下风向体积浓度5%和2.5%的最大距离差约为110m。以下用所建的计算模型，对气体扩散过程和安全距离的影响因素进行分析。

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2.1风速和大气条件

???环境风速是衡量大气湍流程度的一个必不可少的条件，在LNG重气扩散过程中，风速对云团下风向的运动速率，云团浓度稀释，空气卷吸以及云团加热等过程有着重要的影响，进而影响安全距离的大小。大气稳