??? 摘要：LNG儲(chǔ)存溫度為-161.5℃，一旦發(fā)生泄漏，迅速蒸發(fā)后的氣體密度約為空氣密度的1.5倍，低溫的重氣云團(tuán)將會(huì)發(fā)生重力沉降；同時(shí)，由于大氣湍流將空氣卷吸進(jìn)入云團(tuán)內(nèi)部，低溫重氣云團(tuán)也會(huì)被加熱，向正浮性氣體擴(kuò)散轉(zhuǎn)變。為此，研究了LNG大規(guī)模持續(xù)泄漏產(chǎn)生的氣體擴(kuò)散問(wèn)題，建立了LNG泄漏時(shí)安全距離的計(jì)算方法，并分析對(duì)安全距離的影響因素。從DEGADIS重氣擴(kuò)散基本模型出發(fā)，建立了LNG泄漏擴(kuò)散時(shí)的場(chǎng)景條件和計(jì)算程序，并考慮了LNG向下風(fēng)向擴(kuò)散過(guò)程中受熱形成的浮升效應(yīng)以及風(fēng)速和大氣不穩(wěn)定度的影響。所建立的方法比其他方法具有更好的準(zhǔn)確性和適用性。通過(guò)與LNG泄漏擴(kuò)散實(shí)地實(shí)驗(yàn)(Burro系列實(shí)驗(yàn))數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的計(jì)算結(jié)果，平均相對(duì)偏差為24.82%。通過(guò)研究風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、泄漏源大小、圍堰尺寸等因素對(duì)LNG氣體擴(kuò)散的影響，確定了不同條件下LNG擴(kuò)散的安全距離要求。

??? 關(guān)鍵詞：LNG；泄漏；重氣；擴(kuò)散；安全距離；積分模型；DEGADIS

??? 天然氣在常溫下密度比空氣密度小，但LNG儲(chǔ)存溫度為-161.5℃，一旦發(fā)生泄漏，迅速蒸發(fā)后的氣體密度約為空氣密度的1.5倍^[1]。低溫的重氣云團(tuán)將會(huì)發(fā)生重力沉降，同時(shí)，由于大氣湍流，空氣將被卷吸進(jìn)入云團(tuán)內(nèi)部，低溫的重氣云團(tuán)也會(huì)被加熱，向正浮性氣體(即比空氣密度小的氣體)擴(kuò)散轉(zhuǎn)變^[2]。

??? 筆者從DEGADIS重氣擴(kuò)散基本模型出發(fā)，建立了LNG泄漏擴(kuò)散時(shí)的場(chǎng)景條件和計(jì)算程序，計(jì)算模型中考慮了液化天然氣向下風(fēng)向擴(kuò)散過(guò)程中受熱形成的浮升效應(yīng)以及風(fēng)速和大氣不穩(wěn)定度的影響，給出相應(yīng)的分析模型和計(jì)算方法，并用國(guó)際上典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。重點(diǎn)對(duì)液化天然氣大規(guī)模持續(xù)泄漏產(chǎn)生的氣體擴(kuò)散問(wèn)題進(jìn)行了研究。

??? DEGADIS(DEnse GAs DISpersion)模型是由Havens和Spicer在1989年推出的一種用于分析重氣擴(kuò)散的模型^[3]，并作為NFPA 59A推薦使用的一種模型，用于評(píng)估LNG生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的重氣擴(kuò)散情況^[4]。

??? 連續(xù)泄漏模型又稱穩(wěn)態(tài)模型，即下風(fēng)向云團(tuán)內(nèi)部的各種性質(zhì)參數(shù)只是位置的函數(shù)。DEGADIS作為積分模型，假設(shè)氣體擴(kuò)散濃度在側(cè)風(fēng)向上采用修正的高斯分布，而豎直方向上采用指數(shù)分布，并且對(duì)風(fēng)速分布做了假設(shè)，其表達(dá)式如下：

?

式中下風(fēng)向不同距離處的擴(kuò)散系數(shù)S_y(x)、S_z(x)，以及特征寬度b(x)、密度ρ(x)和溫度T(x)的求解，需要滿足下列守恒及特征擴(kuò)散參數(shù)關(guān)系。

總質(zhì)量守恒：

?

泄漏組分守恒：

?

能量守恒：

?

垂直和水平特征擴(kuò)散參數(shù)控制方程^[3]：

?

??? 在上述控制方程中的能量方程反映了云團(tuán)擴(kuò)散過(guò)程受熱后的溫度變化，由此而產(chǎn)生的擴(kuò)散氣體的密度變化和浮升效應(yīng)在理查森數(shù)及相關(guān)的卷吸和擴(kuò)散特征參數(shù)中體現(xiàn)。

??? 上述方程采用數(shù)值積分方法聯(lián)立求解，其計(jì)算程序具有很好的收斂精度。本文建立的計(jì)算程序與DEGADIS通用計(jì)算程序?qū)Ρ龋溆?jì)算精度符合很好。利用建立的程序計(jì)算得到濃度分布中的擴(kuò)散參數(shù)，進(jìn)而求出下風(fēng)向的濃度分布和下風(fēng)向擴(kuò)散距離。

本文研究的數(shù)學(xué)模型通過(guò)Burro系列實(shí)驗(yàn)^[1，5]進(jìn)行驗(yàn)證，Burro實(shí)驗(yàn)在距離泄漏源下風(fēng)向57m、140m、400m、800m處分別測(cè)得天然氣的最大體積分?jǐn)?shù)值，該實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了多組，本文對(duì)其中的3號(hào)、5號(hào)、7號(hào)和9號(hào)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比，并進(jìn)行誤差分析，得出模型計(jì)算的平均相對(duì)偏差為24.28%。實(shí)驗(yàn)的初始條件以及對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1、2。

?