李 素， 陳保東， 張振庭， 杜明俊， 李慶杰

（1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001；2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司華北分公司，河北任丘062552）

LNG儲罐火災(zāi)環(huán)境熱響應(yīng)數(shù)值分析研究

李 素1， 陳保東1， 張振庭2， 杜明俊2， 李慶杰1

（1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001；2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司華北分公司，河北任丘062552）

建立了LNG受熱自然對流及氣化傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型。針對立式全容儲罐不同火災(zāi)情況的熱響應(yīng)過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬。分析了不同火災(zāi)情況下，不同充裝率對LNG儲罐熱響應(yīng)的影響。研究表明：火災(zāi)初期，罐內(nèi)溫升較快，自然對流劇烈。罐體充裝率相對越高，罐內(nèi)壓力響應(yīng)越快，溫度響應(yīng)越慢。且池火情況充裝率對壓力的影響更大。噴射火災(zāi)引起的熱響應(yīng)快于池火火災(zāi)。計算結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)吻合較好，可為工程應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

LNG儲罐； 火災(zāi)； 熱響應(yīng)； 充裝率； 數(shù)值模擬

天然氣作為當(dāng)今世界能源消耗的重要組成部分，與煤炭、石油并稱為世界能源的三大支柱。LNG是天然氣經(jīng)過脫水、脫酸性氣體和重?zé)N后壓縮、膨脹、液化而成的低溫液體是天然氣的一種獨特儲存和運輸形式。隨著全球天然氣消耗量的不斷加大，發(fā)生LNG火災(zāi)、爆炸事故的頻率也隨之增加［1］。分析LNG儲 罐火災(zāi)環(huán)境熱響應(yīng)對進(jìn)一步研究LNG儲罐失效機(jī)理具有實際意義。

儲罐外部高溫環(huán)境是引發(fā)LNG儲罐爆炸的主要原因。根據(jù)火焰包圍儲罐的程度和加熱的均勻性，可分為噴射火焰和池火。隨著儲罐外壁不斷向罐內(nèi)漏熱，液相熱響應(yīng)分為兩個階段，即：自然對流和沸騰傳熱階段［2］，此時罐內(nèi)流體已由單相流動轉(zhuǎn)化為兩相流動使問題的研究變的更為復(fù)雜。目前國內(nèi)外學(xué)者對儲罐火災(zāi)熱響應(yīng)過程進(jìn)行了大量的實驗和模擬研究，并取得了一些有意義的成果。加拿大New.Brownswick大學(xué)火焰科學(xué)中心針對水平圓柱罐體火災(zāi)熱響應(yīng)進(jìn)行了實驗研究，并相繼提出了PLGS－1，PLGS－2和PLGS－3模型［3］。Venart J E等［4］正式提出了BLEVE和BLCBE兩個概念，并對各自的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。國內(nèi)對該領(lǐng)域的研究起步較晚，愈昌銘等［5－7］對液化氣儲罐受熱環(huán)境進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并在球罐和柱形罐外部均勻受熱實驗的基礎(chǔ)上，開發(fā)了計算LPG熱響應(yīng)的數(shù)值模擬程序。邢志祥等［8］采用CFD軟件對液化石油氣儲罐火災(zāi)環(huán)境熱響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析了罐內(nèi)壓力、溫度隨火災(zāi)類型的變化規(guī)律。前人對儲罐火災(zāi)熱響應(yīng)的研究多為LPG儲罐，對于低溫LNG儲罐火災(zāi)環(huán)境熱響應(yīng)的研究還未見報道。本文針對LNG儲罐在噴射火焰和池火環(huán)境中的熱響應(yīng)過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬。分析了影響LNG儲罐失效的因素，可為工程實際應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

1 模型的建立

1.1 物理模型

LNG儲罐形式多樣，立式全容罐是目前應(yīng)用較廣的LNG貯存罐體。這里針對火災(zāi)環(huán)境下立式全容罐熱響應(yīng)過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，模擬罐體高14.75m，拱頂高4.5m，罐體直徑9.5m，壁厚15 mm，罐體采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進(jìn)行單元劃分，拱頂采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行單元劃分，計算區(qū)域網(wǎng)格模型見圖1。

Fig.1 The three－dimensional model mesh of calculated region圖1 計算區(qū)域三維網(wǎng)格模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

LNG受熱自然對流及沸騰氣化過程，除質(zhì)量守恒，動量守恒，能量守恒外，還包括RNGK－ε湍流模型，VOF兩相流模型以及相變傳質(zhì)的UDF程序。故相變流動換熱的基本控制方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；為3個方向平均速度，m/s；Sm為質(zhì)量源相；μ為動力粘度，Pa·s；E為流體總能，J；τij亞網(wǎng)格應(yīng)力；δij動量損失。

1.3 邊界條件

由于火災(zāi)環(huán)境的復(fù)雜性，計算時做如下假設(shè)：忽略風(fēng)速對火焰溫度的影響。噴射火災(zāi)可視為固定溫度的加熱壁面［9］。罐外壁選取對流和輻射混合加熱的邊界條件?；鹧鏈囟? 050℃，對流換熱系數(shù)200 W/m2·K［10］，輻射率0.3，輻射溫度為火焰溫度。池火火焰溫度750℃，對流換熱系數(shù)25W/（m2·K），輻射率0.9，輻射溫度設(shè)為火焰溫度。且兩種火災(zāi)均對整個罐體外壁面進(jìn)行加熱。

1.4 物性參數(shù)

LNG是一種多組分混合物，根據(jù)LNG各組分的摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行計算，并將其當(dāng)量為一種物質(zhì)。數(shù)值計算過程中所涉及的流體物性參數(shù)見表1［11］。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

LNG儲罐內(nèi)氣液兩相初始溫度均為111K，初始壓力均為0.15MPa，罐體充裝率70%，氣化潛熱509.86kJ/kg。

圖2，3分別給出了不同火災(zāi)情況下，儲罐受熱20s后罐內(nèi)X－Y截面溫度場、速度場矢量云圖。分析可知：火災(zāi)初期，由于罐體內(nèi)外溫度梯度較大，罐內(nèi)流體升溫較快，噴射火焰加熱20s后儲罐最高溫度可達(dá)185K而池火火災(zāi)儲罐最高溫度為155 K。由圖3可以看出，兩種火災(zāi)情況下，最初一段時間罐內(nèi)流體自然對流劇烈且最大速率均出現(xiàn)在兩相交界面附近，噴射火災(zāi)罐內(nèi)流體平均速率為0.353 2 m/s，而池火火災(zāi)為0.324 1m/s，噴射火災(zāi)對LNG儲罐影響較大。

表1 LNG與天然氣物性參數(shù)Table 1 The property parameters of LNG and natural gas

Fig.2 X－Ysection temperature field image of the tank after heated 20 s圖2 受熱20s后罐內(nèi)X－Y截面溫度場云圖

Fig.3 Fluid velocity vector diagram of the tank after heated 20 s圖3 受熱20s后罐內(nèi)流體速度場矢量圖

圖4（a），（b）分別給出了不同火災(zāi)情況下罐內(nèi)平均壓力和平均溫度隨受熱時間的變化關(guān)系。分析可知：相同情況下噴射火災(zāi)罐內(nèi)壓力響應(yīng)和溫度響應(yīng)快于池火火災(zāi)，且儲罐溫度響應(yīng)受火災(zāi)影響相對較大。

Fig.4 Average pressure and temperature changes over time relationship under different fire in the tank圖4 不同火災(zāi)下罐內(nèi)平均壓力溫度隨時間的變化關(guān)系

圖5（a），（b）分別給出了噴射火災(zāi)和池火火災(zāi)情況下，不同充裝率對罐內(nèi)壓力響應(yīng)的影響。分析可知：充裝率越高，儲罐升壓越快，這主要是由于液相在受熱過程中不斷蒸發(fā)和沸騰產(chǎn)生大量蒸汽，加之液相區(qū)受熱分層，密度減小，體積增大，使氣相空間減小，同時氣相區(qū)不斷吸熱體積膨脹，從而使罐內(nèi)壓力升高較快。由圖5（a）可以看出：充裝率對池火火災(zāi)壓力響應(yīng)的影響要大于噴射火災(zāi)情況。

Fig.5 The impact of different filling ratio over the tank pressure圖5 不同充裝率對罐內(nèi)壓力變化的影響

圖6（a），（b）分別給出了噴射火災(zāi)和池火火災(zāi)情況下，不同充裝率對罐內(nèi)溫度響應(yīng)的影響。分析可知：充裝率越低，儲罐溫升越快，這主要是由于充裝率相對越低在吸收相同的熱量后液相介質(zhì)氣化率越高，釋放潛熱越多，且氣相介質(zhì)的溫度響應(yīng)快于液相介質(zhì)的溫度響應(yīng)。從計算的數(shù)據(jù)可知：噴射火災(zāi)比池火火災(zāi)罐內(nèi)溫度響應(yīng)要快。

Fig.6 The impact of different filling ratio over the tank temperature圖6 不同充裝率對罐內(nèi)溫度變化的影響

3 結(jié)束語

隨著全球LNG儲運技術(shù)迅猛發(fā)展，對低溫LNG儲罐安全技術(shù)的研究迫在眉睫。本文通過對LNG儲罐火災(zāi)環(huán)境的三維數(shù)值模擬可得出以下結(jié)論：火災(zāi)初期，罐內(nèi)溫升較快，自然對流劇烈。噴射火災(zāi)情況罐內(nèi)流體溫升快于池火。且罐體充裝率相對越高，罐內(nèi)壓力響應(yīng)越快，溫度響應(yīng)越慢。池火情況下，充裝率對壓力響應(yīng)的影響更大，且罐內(nèi)達(dá)到相同壓力和溫度時噴射火焰所需要時間更短。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)對比分析，進(jìn)一步驗證了計算結(jié)果的正確性。綜上所述，噴射火災(zāi)引起的熱響應(yīng)快于池火火災(zāi)，對儲罐失效影響較大。

因此，筆者建議，在儲罐建設(shè)和運行中，應(yīng)著重考慮噴射火災(zāi)對儲罐安全帶來的隱患，充分考慮到LNG儲罐燃燒帶來的嚴(yán)重后果，對于儲罐消防系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置消防水系統(tǒng)和泡沫滅火或惰性氣體消防系統(tǒng)，并布置相應(yīng)的消防豎管、冷卻噴淋、消防水幕和帶架水槍等固定或非固定的消防設(shè)施，以及充分考慮自動報警和系統(tǒng)緊急連鎖啟動等控制系統(tǒng)。

［1］張海紅，王風(fēng)琴，畢明樹.LNG儲罐泄漏擴(kuò)散火災(zāi)后果分析［J］.化學(xué)工程與裝備，2010，28（2）：185－187.

［2］刑志祥，常建國，蔣軍成.液化石油氣儲罐對火災(zāi)熱響應(yīng)的CFD模擬［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（5）：115－117.

［3］Reid RmC.Possiblemeehanismforpressurized－liquidtankexplosion or BLEVE’s［J］.Seienee，1979（203）：1263－1265.

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［6］俞昌銘，壓力陡降及容積加熱條件下氣一液兩相系統(tǒng)瞬態(tài)分析［C］//中國工程熱物理學(xué)會第八界年會.北京：出版社不詳，1992.

［7］淮秀蘭、俞昌銘.盛有液化氣的壓力容器在高溫環(huán)境下的熱響應(yīng)［J］.油氣儲運，1993，12（4）：55－60.

［8］邢志祥，蔣軍成.液化石油氣儲罐對火災(zāi)熱響應(yīng)的CFD模擬［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（5）：115－117.

［9］車威.LPG儲罐在火災(zāi)環(huán)境中熱響應(yīng)的數(shù)值模擬［D］.大連：大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

［10］Birk A M.Scale effecfs with fire exposure of pressure－liquefied gas tahks［J］.Journal of loss prevention in the process industries，1995，8（5）：275－290.

［11］竇興華.LNG沉浸式汽化器流動傳熱過程的數(shù)值模擬［D］.大連：大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

（Ed.：WYX，Z）

Numerical Analysis and Research About the Thermal Response of the LNG Storage Tank in the Fire Environment

LI Su1，CHEN Bao－dong1，ZHANG Zheng－ting2，DU Ming－jun2，LI Qing－jie1
（1.College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun Liaoning113001，P.R.China；2.China Petroleum Engineering CO，LTD.North China Company，Renqiu Hebei062552，P.R.China）

The mathematical model of the natural convection and the gasified mass transfer about LNG storage tank was established.Three dimension numerical values was applied to simulate the hot response process according to the different fire situation of the vertical and full storage tank.The values analyzes the hot response of the LNG storage tank at different filling ratio and fire situation.The research shows that the temperature in the LNG storage tank rises quickly and the natural convection is fierce at fire initial stage.The filling ratio of the LNG storage tank is higher relatively and the internal pressure response is also quicker，however，the temperature response is slower，what＇s more，the filling ratio of the LNG storage tank have a bigger effect on the pressure under the situation of the pool fire.The hot response caused by spraying fire is quicker than that of pooling fire.The computing results comply with the actual situation well，the research results may supply theory instruction for the project application.

LNG storage tank；Fire；Hot response；Filiting ratio；Numerical simulation

.Tel.：＋86－413－6865188；e－mail：lisu0912＠qq.com

TE88

A

10.3696/j.issn.1006－396X.2011.01.018

2010－09－15

李素（1983－），男，陜西榆林市，在讀碩士。

遼寧省高校優(yōu)秀人才支持計劃（2009R37）。

1006－396X（2011）01－0078－04

Received15September2010；revised20December2010；accepted4January2011