??? 在LNG場(chǎng)站選址時(shí)，需要遠(yuǎn)離居民區(qū)，以保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，場(chǎng)站與居民區(qū)之間的距離是重要的考慮因素。LNG在泄漏過程中，自泄漏源開始，氣體濃度逐漸被稀釋，當(dāng)其體積濃度在5%～15%范圍內(nèi)(即甲烷的爆炸極限內(nèi))，存在發(fā)生火災(zāi)或者爆炸的可能性。為了確保間隔距離劃定的可靠性，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(如NFPA59A)，規(guī)定其下風(fēng)向體積濃度為2.5%處的距離為安全距離^[4]。以Burro系列5號(hào)實(shí)驗(yàn)為例(以下簡(jiǎn)稱B5)，其下風(fēng)向上體積濃度的等濃度線見圖1，可以看出下風(fēng)向體積濃度5%和2.5%的最大距離差約為110m。以下用所建的計(jì)算模型，對(duì)氣體擴(kuò)散過程和安全距離的影響因素進(jìn)行分析。

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??? 環(huán)境風(fēng)速是衡量大氣湍流程度的一個(gè)必不可少的條件，在LNG重氣擴(kuò)散過程中，風(fēng)速對(duì)云團(tuán)下風(fēng)向的運(yùn)動(dòng)速率，云團(tuán)濃度稀釋，空氣卷吸以及云團(tuán)加熱等過程有著重要的影響，進(jìn)而影響安全距離的大小。大氣穩(wěn)定度是用于衡量大氣湍流程度的一種半定量方法，常用的大氣穩(wěn)定度分類采用帕斯圭爾(Pasquill)方法^[6]，將氣象條件分為6種穩(wěn)定度等級(jí)，即A、B、C、D、E、F，可依次定性為極不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、弱穩(wěn)定、穩(wěn)定。

??? 圖2示出B5條件下，大氣穩(wěn)定度及風(fēng)速對(duì)氣體擴(kuò)散距離的影響。在同一穩(wěn)定度等級(jí)時(shí)，隨著風(fēng)速增大(風(fēng)速大于2m/s)，安全距離隨之減小。原因在于風(fēng)速越大，大氣湍流對(duì)云團(tuán)稀釋越迅速，同時(shí)重氣效應(yīng)減弱也越快。隨著大氣條件趨于穩(wěn)定時(shí)，安全距離隨之增加。而在大氣條件不穩(wěn)定時(shí)，大氣卷吸增強(qiáng)會(huì)加速云團(tuán)濃度稀釋，造成擴(kuò)散距離減小。對(duì)于連續(xù)泄漏擴(kuò)散，當(dāng)風(fēng)速較小且大氣環(huán)境趨于穩(wěn)定時(shí)，安全隱患較大。

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??? 在給定風(fēng)速條件下，隨著泄漏速率增加，下風(fēng)向的安全距離也隨之增大(如圖3所示)。泄漏速率大小是影響穩(wěn)態(tài)重氣擴(kuò)散安全距離的決定因素。

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??? LNG儲(chǔ)罐周圍通常要設(shè)計(jì)圍堰，以防止儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏時(shí)，液體四處流淌蔓延，若發(fā)生火災(zāi)，還可以防止火焰蔓延到周邊地區(qū)^[4]。LNG泄漏到圍堰內(nèi)，會(huì)迅速蒸發(fā)氣化，形成以圍堰為二次源的蒸氣云團(tuán)擴(kuò)散。圖4給出下風(fēng)向安全距離隨著圍堰直徑和泄漏速率的變化。當(dāng)圍堰尺寸較小時(shí)，以圍堰為二次源云團(tuán)的范圍也較小，有限的蒸發(fā)氣受大氣湍流影響，其濃度較快稀釋，安全距離較小；當(dāng)圍堰尺寸過于增大時(shí)，二次源云團(tuán)的天然氣濃度較低，其下風(fēng)向擴(kuò)散距離不再增加，反而略有減少。

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??? 此外，LNG泄漏表面(水面或地面影響蒸發(fā)速率)、空氣濕度^[7](氣溶膠的影響)、下風(fēng)向的地形結(jié)構(gòu)等因素也會(huì)對(duì)重氣擴(kuò)散過程產(chǎn)生很大影響^[8～9]，如果地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，障礙物較多，風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速分布將會(huì)發(fā)生變化，在障礙物的背風(fēng)面，會(huì)產(chǎn)生低壓回流，使得在小范圍內(nèi)云團(tuán)濃度增大。

??? 所建立的LNG泄漏氣體擴(kuò)散模型計(jì)算方法，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其平均偏差為24.28%，并較準(zhǔn)確地體現(xiàn)了重氣擴(kuò)散過程中云團(tuán)內(nèi)部特性的變化規(guī)律。對(duì)于穩(wěn)態(tài)LNG氣體擴(kuò)散，當(dāng)風(fēng)速大于2m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，安全距離是逐漸減小的；對(duì)于較小風(fēng)速(小于2m/s)時(shí)，該穩(wěn)態(tài)模型將不再適用。泄漏速率增大使安全距離幾乎成比例增大，是影響安全距離最重要因素之一。對(duì)于給定的LNG泄漏率，圍堰尺寸變化對(duì)安全距離的影響會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)弱峰，之后安全距離會(huì)隨圍堰尺寸的增加而略有減小。

??? 本文計(jì)算主要反映了LNG大規(guī)模持續(xù)泄漏的狀況，建立的LNG氣體擴(kuò)散模型計(jì)算方法可供工程上LNG泄漏擴(kuò)散安全距離的分析和評(píng)估采用。

??? B_EFF為云團(tuán)有效半寬度，m；c為云團(tuán)濃度，kg/m³；c_c為地表中心線濃度，kg/m³；C_p為云團(tuán)定壓比熱，J/(kg·K)；C_pa為空氣定壓比熱，J/(kg·K)；E為泄漏源強(qiáng)度，kg/s；h₀為傳熱系數(shù)，J/(m²·K)；H_EFF為有效云團(tuán)高度，m；k為卡門系數(shù)，0.35；R_i′*為理查森數(shù)；u₀為環(huán)境風(fēng)速，m/s；U_EFF為云團(tuán)移動(dòng)速度，m/s；u_x為豎直方向風(fēng)速分布，m/s；w為豎直方向湍流速度，m/s；w_e′為豎直方向空氣卷吸速度，m/s；x為下風(fēng)向中心線距離，m；y為側(cè)風(fēng)向距離，m；z為豎直方向高度，m；z₀為環(huán)境風(fēng)速測(cè)量高度，m；α為豎直方向風(fēng)速分布指數(shù)；β為水平擴(kuò)散參數(shù)系數(shù)；δ為水平擴(kuò)散參數(shù)系數(shù)(與大氣穩(wěn)定度相關(guān))；ρ_a為環(huán)境空氣密度，kg/m³。

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