LNG槽罐车泄漏—燃烧耦合演化特性研究

发布时间：2020-07-15 21:10

【摘要】：随着全球能源需求和环境保护矛盾的日益突出,液化天然气(LNG)在各国能源结构中的比例不断提高。作为LNG陆路运输的重要方式之一,槽罐车运输以其方便、快捷等优势不断得到推广,但在其运输过程中发生泄漏、燃烧与爆炸事故时有报道,造成了严重的经济损失、人员伤亡和不良社会影响。LNG槽罐车泄漏燃料一旦着火,往往使槽罐车进入“泄漏→燃烧→热反馈→槽罐内升温升压→强化泄漏”的事故链演化过程,易造成较大危害。本文围绕槽罐车泄漏并引发燃烧的事故工况,针对泄漏燃烧将形成槽罐车被持续加热、继而可能引发罐内升压爆炸的危险情形,并基于我国典型LNG槽罐车工况,建立了其“泄漏-燃烧”耦合发展模型,研究了泄漏相态、储罐充装率和泄漏孔径对该类泄漏事故演化过程的影响特性,为LNG泄漏事故的应急处置提供科学支撑。研究结果表明,液相泄漏时,储罐一旦形成发生“泄漏-燃烧”耦合过程,往往导致泄漏速率与燃烧反馈热流之间“正反馈”发展过程,易造成LNG储罐压力突然急剧升高爆炸的危险;气相泄漏时,相同外界环境条件下,罐内压力不易升高,发生罐体超压失效可能性较低。此外,低充装率储罐在泄漏初期阶段危险性较高,而对于高充装率储罐,其最终可达峰值压力往往更大。另外,泄漏孔径是影响储罐泄漏特征的最重要且复杂参数之一,在一定孔径范围和充装率条件下,储罐内可达峰值压力随孔径的增大而主要呈减小趋势,然而,在90%充装率条件下,当泄漏孔径为70mm和80mm时,却形成明显高于其它工况的储罐峰值压力,且在大孔径泄漏条件下快速达到,体现了此时的高超压爆炸危险性。最后,在LNG槽罐车泄漏火灾事故应急救援时,不应盲目靠近施救,需根据泄漏类型做出审慎的救援策略,外界火灾热辐射对罐体的反馈作用不容忽视,尽快灭火对罐体降温以降低罐内压力是关键。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE88
【图文】：

示意图,液相,罐车,示意图

逑２．２液相泄漏子模型逡逑对于火灾环境下一个水平放置的卧式ＬＮＧ罐车发生泄漏，如图２．２所示，当逡逑圆形泄漏小口位于罐车底面时，因罐内液面高于小孔位置，发生液相泄漏。逡逑ｕ逦Ｌ邋逦＾逡逑／＂￣￣ｍ逦ｍ￣ｐＴｔＴＴｍ逦ｍ￣＼逡逑〈ｕ逦—邋ＪＰ邋？逡逑ＢＢＳＳＳＢＸ逡逑卜管ｒ逡逑图２．２邋ＬＮＧ罐车液相泄漏示意图逡逑液相泄漏时，仅液相区域纯液体泄漏出储罐，液面处液体蒸发出的蒸气补充逡逑到罐内的气相区，气相和液相均处于动态平衡状态。根据伯努利方程，液相泄漏逡逑质量速率计算如下：逡逑Ｖ／＝ＪＥＫｚＭ逦（２．１）逡逑Ｖ邋Ｐｉ逡逑Ｐｍ邋＝邋ｐｖ邋＋邋ＰｉｇＨ逦（２．２）逡逑ｖ，＝逦ＩｌｇＨ邋＋邋＾＾Ｓ逦（２．３）逡逑Ｖ逦Ｐｉ逡逑＾ｌｅａｋ－ｌ邋＝邋＾ｄ，Ｉ＾ＰｌＶｌ邋＝邋Ｑ邋／＾Ｐ／ａ逦￣＾邋２ｉ＾逦（２．４）逡逑Ｖ逦Ｐｉ逡逑式中，ｒｈｔｅａＪＣ＿！为液体泄漏质量速率，ｋｇ／ｓ；邋Ｊ为泄漏口面积，ｍ２；邋ｖ／为液体逡逑泄漏速率，ｍ／ｓ；逦为泄漏口处压力，Ｐａ；逦为外界环境压力，ｐａ；邋ｐｖ为罐内逡逑气相区压力

示意图,闪蒸,示意图,储罐

界向储罐输入热量是均匀的，忽略罐壁与介质的温度差异，且相变仅发生在气液逡逑交界面处，即罐内液相与气相之间的相变传热传质模式仅为表面闪蒸和蒸发，如逡逑图２．４所示。逡逑（（逡逑Ｉ邋Ｌｉｑｕｉｄ邋Ｊ逡逑图２．４罐内ＬＮＧ闪蒸示意图逡逑这时蒸气温度与储罐压力下的饱和温度一致，可达到暂时的瞬态平衡，此时，逡逑基于能量守恒可得：逡逑（ｍｌＣｐＪ邋＋邋ｍｖＣｐ，ｙ邋）＾邋＝邋Ｑ－逦（２．１５）逡逑故，逡逑手上＾＾逦（２１６）逡逑ｄｔ邋ｍｌＣｐＪ＋ｍＶＣｐ，ｙ逡逑１７逡逑

泄漏火,火灾蔓延,热量,蒸气云

而形成大面积火灾事故。逡逑ＬＮＧ泄漏火灾事故主要为４种类型，即池火灾、喷射火、蒸气云爆炸和沸逡逑腾液体扩展蒸汽爆炸（ＢＬＥＶＥ），见图３．１。当ＬＮＧ罐车发生介质大量泄漏时，逡逑如果泄漏的液体未发生快速气化，则会沿地面形成液池，一旦遇到火源就会被点逡逑燃而引起池火灾。喷射火是因为加压气体从裂口高速泄漏喷出形成射流扩散，当逡逑达到燃烧浓度范围，遇明火则形成了喷射火。蒸气云爆炸指的是大量液化气体蒸逡逑气积聚形成云团，一旦蒸气云团浓度达到爆炸极限，且遇明火就会发生蒸气爆炸逡逑事故。沸腾液体扩展蒸汽爆炸（ＢＬＥＶＥ）指的是当压力容器受到外界热量作用，逡逑使容器材料耐压性能下降，并突然破坏发生瞬时破裂，容器内的过热液体或液化逡逑气体突然释放并被引燃，形成巨大火球导致爆炸发生。虽然池火灾和喷射火的直逡逑接伤害影响没有蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸气爆炸大

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