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。
1 DEGADIS稳态模型及其验证
1.1 模型描述
DEGADIS(DEnse GAs DISpersion)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NFPA 59A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：
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：
泄漏组分守恒：
能量守恒：
垂直和水平特征扩散参数控制方程[3]：
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。
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。
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。大气稳定度是用于衡量大气湍流程度的一种半定量方法，常用的大气稳定度分类采用帕斯圭尔(Pasquill)方法[6]，将气象条件分为6种稳定度等级，即A、B、C、D、E、F，可依次定性为极不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、弱稳定、稳定。
图2示出B5条件下，大气稳定度及风速对气体扩散距离的影响。在同一稳定度等级时，随着风速增大(风速大于2m/s)，安全距离随之减小。原因在于风速越大，大气湍流对云团稀释越迅速，同时重气效应减弱也越快。随着大气条件趋于稳定时，安全距离随之增加。而在大气条件不稳定时，大气卷吸增强会加速云团浓度稀释，造成扩散距离减小。对于连续泄漏扩散，当风速较小且大气环境趋于稳定时，安全隐患较大。
2.2 泄漏速率
在给定风速条件下，随着泄漏速率增加，下风向的安全距离也随之增大(如图3所示)。泄漏速率大小是影响稳态重气扩散安全距离的决定因素。
2.3 围堰尺寸
LNG储罐周围通常要设计围堰，以防止储罐发生泄漏时，液体四处流淌蔓延，若发生火灾，还可以防止火焰蔓延到周边地区[4]。LNG泄漏到围堰内，会迅速蒸发气化，形成以围堰为二次源的蒸气云团扩散。图4给出下风向安全距离随着围堰直径和泄漏速率的变化。当围堰尺寸较小时，以围堰为二次源云团的范围也较小，有限的蒸发气受大气湍流影响，其浓度较快稀释，安全距离较小；当围堰尺寸过于增大时，二次源云团的天然气浓度较低，其下风向扩散距离不再增加，反而略有减少。
此外，LNG泄漏表面(水面或地面影响蒸发速率)、空气湿度[7](气溶胶的影响)、下风向的地形结构等因素也会对重气扩散过程产生很大影响[8～9]，如果地形结构复杂，障碍物较多，风场的风速分布将会发生变化，在障碍物的背风面，会产生低压回流，使得在小范围内云团浓度增大。
3 结束语
所建立的LNG泄漏气体扩散模型计算方法，经过实验验证，其平均偏差为24.28%，并较准确地体现了重气扩散过程中云团内部特性的变化规律。对于稳态LNG气体扩散，当风速大于2m/s时，随着风速的增加，安全距离是逐渐减小的；对于较小风速(小于2m/s)时，该稳态模型将不再适用。泄漏速率增大使安全距离几乎成比例增大，是影响安全距离最重要因素之一。对于给定的LNG泄漏率，围堰尺寸变化对安全距离的影响会呈现出一个弱峰，之后安全距离会随围堰尺寸的增加而略有减小。
本文计算主要反映了LNG大规模持续泄漏的状况，建立的LNG气体扩散模型计算方法可供工程上LNG泄漏扩散安全距离的分析和评估采用。
符号说明
BEFF为云团有效半宽度，m；c为云团浓度，kg/m3；cc为地表中心线浓度，kg/m3；Cp为云团定压比热，J/(kg·K)；Cpa为空气定压比热，J/(kg·K)；E为泄漏源强度，kg/s；h0为传热系数，J/(m2·K)；HEFF为有效云团高度，m；k为卡门系数，0.35；Ri′*为理查森数；u0为环境风速，m/s；UEFF为云团移动速度，m/s；ux为竖直方向风速分布，m/s；w为竖直方向湍流速度，m/s；we′为竖直方向空气卷吸速度，m/s；x为下风向中心线距离，m；y为侧风向距离，m；z为竖直方向高度，m；z0为环境风速测量高度，m；α为竖直方向风速分布指数；β为水平扩散参数系数；δ为水平扩散参数系数(与大气稳定度相关)；ρa为环境空气密度，kg/m3。
参考文献
[1] KOOPMAN R P，ERMAK D L.Lessons learned from LNG safety research[J].Journal of Harzardous Materials，2007，140(3)：412-428.
[2] 潘旭海，蒋军成.重气云团瞬时泄漏扩散的数值模拟研究[J].化学工程，2003，31(1)：35-39.
[3] HAVENS J，SPICER T.A dispersion model for elevated dense gas Jet chemical releases[R].[S.l.]：EPA，1988.
[4] Standard for Production，Storage and handling of LNG[S].NFPA 59A，2006：9-15.
[5] MOHAN M，PANWAR T S，SINGH M P.Development of dense gas dispersion model for emergency preparedness[J].Atmosphere Environment，1995，29(16)：2075-2087.
[6] 谷清，李云生.大气环境模式计算方法[M].北京：中国气象出版社，2002：5-20.
[7] 魏利军.重气扩散过程的数值模拟[D].北京：北京化工大学，2000.
[8] 姜传胜，丁辉，刘国梁，等.重气连续泄漏扩散的风洞模拟实验与数值模拟结果对比分析[J].中国安全科学学报，2003，13(2)：8-13.
[9] 潘旭海，华敏，蒋军成.环境条件对LNG泄漏扩散影响的模拟研究[J].天然气工业，2009，29(1)：117-119.
(本文作者：孙标 郭开华 中山大学工学院)
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