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OL AND GAS TREATING AND PROCESSING smor 29
LNG地面泄漏蒸发速率的计算
王琳12季洁2贺宝龙,2潘旭海1,2
1.南京工业大学城市与工业安全重点实验室,江苏南京210009
2.上海建科工程咨询有限公司,上海200032
摘要:分析评估LNG地面泄漏的危险性需要对其地面扩散和蒸发速率的变化进行准确预
測。利用液体扩散的动力学模型和热传递模型,采用微分方法对LNG在连续性泄漏情况下液池扩
散半径及蒸发速率随时间的变化关系进行研究,结果表明LNG蒸发速率先随时间线性增加到最大
值,然后与时间的平方根成反比逐渐降低,并对实际泄漏情況下的泄漏速率、蒸发速率、液池扩
散半径变化以及堤防中低温液体质量和液池厚度变化进行了准确计算。该研究结果对LNC地面泄
漏事故发生后应急措施的采取和人员疏散等具有参考意义。
关键词:扩散;热传递;模型;蒸发速率
DOL:10.3969/issn.1006-5539.2014.05.008
0前言
散半径、蒸发速率,以及液体质量、液池厚度随时间变化
液化天然气(LNG)是一种优质、高效的清洁能源,关系进行计算,研究LNG泄漏、扩散蒸发过程有助于
但在储存、运输和使用过程中有可能发生泄漏,迅速蒸LNG泄漏危险性的评估,对泄漏事故后应急反应、人员
发并与空气混合形成易燃易爆、不断扩散的蒸汽云团リ,疏散等具有重要意义。
对周围安全造成严重的威胁。LNG泄漏后与地面发生
热传递并不断蒸发,最初产生的蒸汽温度很低,密度大1LNG地面扩散及热传递计算
于周围空气并沿地面向下风向扩散,随着空气卷吸和热1.1LNG液体泄漏速率的计算
辐射影响,蒸汽的温度升高,密度开始降低,气体达到正
LNG泄漏速率7:
浮力状态向下风向扩散2。国内外对LNG泄漏扩散、蒸
?=CaDa
2(P-P)
发进行了大量的实验和数值模拟研究并取得成果6,但
+2gh
(1)
以往蒸发速率的计算仅仅是利用一维傅里叶导热方程式中:Q为ING质量流率、kgs:P-为LNG的密度,kg/m;
计算热通量的变化,没有考虑液池扩散半径变化对热传D为泄漏孔面积,m;p为容器内介质的压力,Pa;p为
递的影响,实际上两者是一个相互耦合的过程,液池扩环境压力,Pa:C为流量系数。表1给出了不同形状泄漏
散半径变化导致热流密度变化,单纯依赖一维傅里叶导口的流量系数值。
热方程,只能片面认为液池的蒸发速率很大,实际情况表1不同形状泄漏口的流量系数
是先随时间线性变化达到最大值,然后蒸发速率随时间
漏孔形状
的平方根成反比逐渐降低。本文利用微分方法结合液体
雷诺数
圆形
角形
长条形
扩散模型和热传递模型对最大蒸发速率以及蒸发速率
>100
0.65
0.60
0.55
随时间的变化进行准确预测,并结合实际算例对液池扩
≤100
0.50
0.45
0.40
收稿日期:2014-04-20
基金项目:江苏省自然科学基金青年基金资助项目(SBK201241828);教育部博士点基金资助项目(20113221120010)
作者简介:王琳(1987-),男,安徽毫州人,助理工程师,硕士,主要从事水幕作用下LNG泄漏扩散动力学机理研究、高倍消防
泡沫覆盖下LNC与周围环境传热传质过程研究。
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30天数与地812014年10月
1.2LNG地面扩散半径变化
Britter1得出在连续性泄漏情况下,液体在无障碍阻式中:A为液池扩散面积,m2。
挡时沿泄漏中心向周围扩散,扩散半径随时间变化的关
对于第二时间段2d内,此时第一时间段内蒸发速
系见式(2)
率降低
R()
2
2=d43
+da
/dt
(8
式中:R为扩散半径,m;o为LNG体积流率,m/s;t为泄
般情况下,当t-ndt时
漏时间,s
。=dA-S-+dA
1.3LNG地面热传递模型建立
√(n-1)dr
+da
var (9
由于太阳辐射热和周围环境热用来加热低温的蒸
解式(9)崙求出液池面积随时间变化的关系,利用
汽,NG液池蒸发所需要的热量出地面传给液体,对蒸式(2)得出液池面积随时间变化的关系,任意时间段内
发速率计算做以下假设:
液池的面积dAn为:
热传递利用一维傅里叶导热方程;
地面是平坦和光滑的
d4=元(2ngo)'2 Nndt di
4
储罐尺寸与堤防尺寸比起来很小;
将式(10)带人式(9)可得:
随着液池的扩散,热边界层厚度不断增加。
LNG与地面发生热传递,热流密度计算?见式(3):
vn (n-1)0-2
2()=47
为了简便,式(1)中
式中:q为热流密度,Jんm2s;:れ为地面热导率,Wm;
3engu,令S,=广
△ア为LNG与地面温差,K;a为热扩散率,m/s。
+1ーx
在热传递过程中,热边界层的厚度随时间变化
对式(11)进行积分得:
O=Vπat
(4
S,-anvーaいー(n+?,对于n远大于1,
式中:8为热边界层的厚度,mm;
LNC蒸发通量计算?见式(5)
△T
式(11)化为:
式中:1为蒸发速率,kg/s;H、为LNG蒸发热,Jkg
Vr=sct
(12
式(5)中s包含了地面物理参数,其方程见式(6)
式(12)显示,对于连续性泄漏,液池蒸发的速率开始
△T(Ap.H
并不是无限大,而与时间成正比,计算比例因数值为0.6。
Hy
2.2最大蒸发速率计算
式中:Hv为地画比热,J(kg·K);p为地面密度,kg/m3
当液体扩散受到堤防限制时,液池半径等于堤防半
从式(5)可以看出LNC泄湘初期的蒸发速率很大,径,由式(2)计算液池前沿扩散到堤防的时间t。,代入式
实际情况是在蒸发一定时间之后随时间平方根成反比(12)计算液池最大蒸发速率V。此后液池的蒸发速率
变化。
会逐渐降低,且与时间的平方根成反比
当液池扩散不受堤防限制时,液池在扩散过程中蒸
2蒸发速率计算
发速率不断增大,当蒸发速率与泄漏速率相等时,利用
2.1初始蒸发速率计算
式(13)计算此时时间a,代入式(2)得液池最大半径rn,
为了得到整个液池t时刻内的平均蒸发速率,需要见式(14)。
考虑液池在毎一个积分单元dA在d时间内的蒸发速
率,下面采用微分法对整个液池的蒸发速率在ncdt时间
内进行计算:
mnax
(14
对于第一时间段dt内