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浅谈LNG管线的泄漏与预防
【摘要】液化天然气（LNG）管线是液化天然气生产工厂的重要组成部分，其规范操作是保证液化天然气工厂正常生产必要的条件。本文针对液化天然气工厂管线系统可能出现的泄漏情况作了简要分析，包括阀门的泄漏、连接管线的泄漏、气相线的泄漏，并针对以上问题提出了相应的预防措施。【关键词】液化天然气；LNG；泄露预防LNG是在一定的条件下经过热交换降温被液化了的天然气。（剩余2058字）
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液化气体瞬时泄漏产生两相云团演化机理研究
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3秒自动关闭窗口15年专注于LNG加气站低温储罐设备
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一、的工艺流程概述
& &LNG由槽车运至，利用LNG卸车增压器使槽车内压力增高，将槽车内LNG送至LNG气化站的内储存。当从LNG储罐外排时，先通过储罐的白增压系统，使储罐压力升高，然后打开储罐液相出口阀，通过压力差将储罐内的LNG送至气化器后，经调压、计量、加臭等工序送入市政燃气管网。当室外环境温度较低，空温式气化器出口的天然气温度低于5℃时，需在空温式气化器出口串联水浴式加热器，对气化后的天然气进行加热。
二、 LNG的潜在危险
&&　根据LNG的特性，在LNG储存和生产过程中，如操作不慎会产生如下危险。
&&①设备或管道低温脆断
&&　设备及管道在低温状态下，可能会发生材质脆断，如有LNG泄漏极容易冻伤操作者。另外，LNG泄漏或溢流后会急剧气化，形成LNG蒸气云团使人窒息。
&&②受热超压
&&　由于LNG气液体积比很大，所以少量LNG受热就能转化为大量的气体，可使设备及管道内压力急剧上升而发生超压事故。
& &　若LNG泄漏、气化后与空气混合达到爆炸极限，此时遇到明火极易发生爆炸、燃烧，产生的热辐射会对人体及设备造成巨大危害。
三、的设计
& &　目前，我国颁布关于LNG气化站设计的相关规范，主要有《城镇燃气设计规范》GB 、《石油天然气工程设计防火规范》GB 、《火灾自动报警系统设计规范》GB 50116&98、《建筑设计防火规范》GB 等；常用的国外标准主要有美国标准《液化天然气(LNG)生产、储存和装运标准》NFPA 59A。在这些规范中对LNG气化站的设计做了明确规定。
1、 LNG气化站的选址及总图布置
&&　气化站的位置与其安全性有着密切的关系，因此气化站应布置在交通方便且远离人员密集的地方，与周围的建构筑物防火间距必须符合《城镇燃气设计规范》GB 的规定，而且要考虑容易接入城镇的天然气管网，为远期发展预留足够的空间。
& &②&总图布置
& &　合理布置气化站内的建构筑物、工艺设施，可使整个气化站安全、经济、美观。站区总平面应分区布置，即分为生产区(包括卸车、储存、气化、调压等工艺区)和辅助区，生产区布置在站区全年最小频率风向的上风侧或上侧风侧，站内建构筑物的防火间距必须符合《城镇燃气设计规范》GB 的规定。
2、 卸车及管道预冷工艺
& &LNG卸车时，一般不需要额外消耗动力，通过卸车增压器使槽车压力升高，在压力差的作用下将LNG送至储罐内。槽车内的气体则回收到BOG储罐或经调压、计量、加臭后送入管网。
& &　在卸车过程中要注意两个问题：一是，液体在管道中流动或进入储罐后可能气化，生成的气体也会进入储罐，导致储罐内压力升高，阻碍卸车；二是，随着液体进入，储罐液位升高，气相空间被不断压缩，使储罐内压力升高，致使液体流速大大下降[1]。这些问题的解决措施如下。
& &a.&合理使用储罐的上进液口和下进液口，上进液时LNG以喷淋的形式进入罐内，下进液则为常规的进液方式。当槽车的液体温度比储罐的液体温度低时，可以选择上进液。此时，液体以喷淋方式穿过储罐气相空间，过冷液滴会吸收储罐内的气体，使得储罐内压力下降，从而加快卸车的速度。上进液口之所以采用喷淋方式，是为了加大气液的换热面积，气液两相在储罐内形成对流，加速降压过程。槽车的液体温度比储罐的液体温度高时，应选择下进液。温度相对较高的LNG进入储罐后先接触温度相对较低的液体，使其迅速降温，减弱气化倾向，避免对卸车产生影响。当然，如果没有温度差可任意选择进液方式。
& &b.&卸车工艺见图1。在储罐自动减压阀(阀门12)上并联一个截止阀(阀门14)，卸车时打开截止阀，提高BOG的流量，使储罐保持稳定的压力，卸车结束后关闭。
&&②管道预冷
&&　卸车台管道为常温管道，而LNG为低温液体，所以每次卸车前都要对卸车台至储罐入口的液相管道先进行预冷，以便减少卸车时间，防止管道破裂。管道预冷工艺见图1。为了达到预冷的目的，通常是在卸车台处将主液相管道和气相管道间设置2个跨接阀门(阀门2、阀门15)。预冷时关闭阀门1、阀门3，打开阀门15，再打开阀门9，让低温液体缓慢地进入液相管道，这时候管道降温产生的气体就会通过跨接阀门15进入BOG储罐，而达到预冷的目的。一般在槽车到之前1～2h进行预冷(利用储罐内LNG)，预冷结束后关闭跨接阀门15。卸车结束后再关闭阀门1，打开阀门3及跨接阀门2，让槽车内残留的气体进入BOG储罐，待液相管道升到正常温度后(观察管道裸露处霜冻的情况来判断)，即可关闭跨接阀门2。
3、 LNG的储存
&&①储罐容积的确定
&&　储罐的总容积通常按3～7d高峰月平均日用气量来确定，还应考虑长期供气气源厂的数量、检修时间、运输周期及用户用气波动等因素，工业用气量要根据用气设备性质及生产的具体要求确定。若只有一个气源厂，则储罐的总容积应考虑在气源厂检修期间能保证正常供气。
&&②&LNG的储存方式
& &　是LNG气化站的主要设备，直接影响气化站的正常生产，也占有较大的造价比例。按结构形式可分为地下储罐、地上金属储罐和金属预应力混凝土储罐[2]。对于LNG储罐，现有真空粉末绝热型储罐、正压堆积绝热型储罐和高真空层绝热型储罐，中、小型气化站一般选用真空粉末绝热型储罐分内、外两层，夹层填充珠光砂并抽真空，减小外界热量传入，保证罐内LNG日气化率低于0.3%[3]。
& &③储罐内LNG的翻滚与分层
& &LNG的翻滚会导致储罐内失去压力、温度平衡，使内压力升高，而分层是导致储罐内液体翻滚的必要条件。为保证储罐压力的稳定，必须防止LNG的翻滚与分层。在实际设计过程中我们可以采取一些方法防止LNG的翻滚与分层。
& &a.&对储罐内LNG进行竖向温度检测。
& &b.&设置循环系统，LNG的循环有2种方法。第一，如站区设有低温泵，可以采用低温泵使储罐内LNG循环，从而消除LNG密度差；第二，储罐之间相互倒罐，使LNG循环。
4、 LNG的气化
& &　气化装置是气化站向外界供气的主要装置，设计中我们通常采用空温式气化器，其气化能力宜为用气城镇高峰小时计算流量的I.3～1.5倍，不少于2台，并且应有1台备用。当环境温度较低时，空温式气化器出口天然气温度低于5℃时，应将出口天然气进行二次加热，以保证整个供气的正常运行。一般天然气加热器采用水浴式加热器。
5、 BOG与EAG(安全放散气体)的处理
& &BOG主要来源于LNG槽车回气和储罐每天0.3%的自然气化。现在常用的槽车容积为40m3，回收BOG的时间按照30min计算，卸完LNG的槽车内气相压力约为0.55MPa，根据末端天然气压力的不同，回收BOG后槽车内的压力也不同，一般可以按照0.2MPa计算。回收槽车回气需要BOG加热器流量为280m3/h，加LNG储罐的自然蒸发量，则可计算出BOG加热器流量。LNG的储存温度为-163℃，即BOG的温度约为-163℃，为保证设备的安全，要将BOG加热到15℃。根据流量和温度可以确定BOG加热器的规格。回收的BOG经过调压、计量、加臭后可以直接进入管网，如果用户用气非连续则需要设置BOG储罐进行储存。
& &EAG主要是在设备或管道超压时排放。当LNG气化为气体天然气时，天然气比常温空气轻时的临界温度为-110℃。为防止EAG在放散时聚集，则需将EAG加热至高于-110℃后放散。容积为100m3的LNG储罐选择500m3/h的EAG加热器，最大量放散时出口温度不会低于-15℃[4、5]。
& &LNG在我国城镇燃气发展过程中发挥着越来越重要的作用。LNG气化站的设计，必须严格遵守现行国家相关规范，安全合理地布置总图，严格控制管道及设备的温度、压力参数，并应设计合理、安全的自动控制、电气、消防设施，消除LNG的各种隐患，使其在社会发展中发挥更大的作用。
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地址：河北省饶阳县西城工业区正港路1号第三届中国LNG论坛论文编号：1260304；LNG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，；摘要:液化天然气（LNG）低温储罐泄漏可能导致喷；随着社会经济的发展，液化天然气（LNG）作为一种；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；1.1液相泄漏模型；基于伯努利方
第三届中国LNG论坛论文编号：1260304
LNG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]
Aiρ?ρgC02A2A0t（1）V=（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：
Q0=C0（3）其中，Q0-两相流泄漏的质量速率，C0-两相流泄漏系数（一般取0.8），p-两相混合物的压力，pc-临界压力，一般可取pc=0.55p；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LawrenceLivermore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，FEM3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（plumemodel）和烟团模型（puffmodel），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：
C(x,y,z,H)=Q
2πσyσze1y?()22y[e1Z?H2)?2σz+e1Z+H2?(2σz]（4）
（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、其中，C为扩散质的浓度
y、z是该点坐标，σy、σz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：
C(x,y,z,H)=2M
2(2π)σzσh23e1(x?μt)2H2?+2]22σhσz（5）
其中，σh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-orderClosureIntegratedPuff），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adhoc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。
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：
'1/2Cm=fcC0'1/3CmVi0xg0=fi[1/3,C0Vi0u2（6）（7）
式中，Cm、C0分别为气云横截面上的平均和初始浓度，将Cm/C0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：
c(x,y,z)=cc(x)exp[?(
c(x,y,z)=cc(x)exp[?(
ux=u0(za??z0|y|?b(x)2z1+a?()??],Sy(x)Sz(x)z1+a??],Sz(x)?|y|&b???|y|≤b?????（8）
??为风力图常数；z0为风力图式（8）中，ux为沿x方向的风速，u0为z=z0时测得的风速，a
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。朱伯龄等[19]介绍了PHAST软件在储罐空洞泄漏扩散危险区域分析中的应用，并用STATISTIC软件拟合不同孔径下易燃易爆区域面积的变化曲线。潘鹏[20]介绍了DNVPHAST软件的功能和特点，并说明了该软件在安全设计中的应用，论证了模拟分析对安全设计的重要意义以及模拟分析与标准规范的关系。
数值计算模拟软件则是基于CFD理论，将原来在时间、空间上连续的物理量流场，用有限离散点的值的集合来代替，根据研究对象的控制方程，建立这些值的代数方程组，求解得到物理场的近似值。比较有代表性的用于计算泄漏扩散的CFD软件，如FLUENT、CFX、PHONIECS等。赵会军等
[21]基于紊流模式理论，在考虑重力影响的基础上，建立储气罐区气体泄漏扩散数学模型，采用CFD软件PHOENICS对该数学模型进行数值求解，并与实际采集来的实验数据进行比较，发现误差较小。
此外，部分学者以两种或多种模型为基础，开发了用于LNG泄漏扩散定量评价的软件。如张海红等[22]以高斯模型和ILO模型为基础，开发了可视化的LNG泄漏后果分析软件，可以获得火灾危害的定量数据、泄漏后浓度扩散范围和热辐射通量图。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，并使用MicrosoftVisualBasic和MATLAB开发了LNG泄漏扩散模拟软件。
4.试验研究
试验研究是数值模拟的必要补充和验证，同时也为理论研究、软件计算等提供各种参数支持，可以通过数据分析真实的反应试验现象。试验研究往往成本较高，且考虑到LNG泄漏扩散的特殊性，其外部条件往往不能得到有效的控制，为试验增加的很大的难度。按照试验规模及比例，LNG泄漏扩散试验主要分为两类，现场实地试验和模型试验。
70年代开始，国外进行了一系列较大型的气体泄漏扩散试验，如ESSO、Shell、Maplinsands、Avocet、Burro等，Luketa-Hanlin[23]、丁信伟等[24]均对此类试验进行了总结，此类大型试验数据真实性、可用性和指导性较高，对于数学模型验证有重要作用。邓海发等[17]在川东北某大型气田一集气站场区域进行，通过释放一定数量的示踪气体，采集多个位置不同时刻气体样品，最后测量得到采样点浓度分布情况。试验过程中基本气象条件通过该集气站场实时监测数据获取，包括风向、风速、环境温度、大气压力和湿度等参数，采用气相色谱－电子捕获检测法进行样品分析，以获得各采集时间段内SF6质量浓度，试验结果与数值模拟吻合较好。
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