Leakage analysis of fuel gas pipe in large LNG carrier engine room

CEN Zhuolun，LIU Tao，WANG Lei，DOU Xu R&D Dept. ，Hudong-Zhonghua Shipbuilding（Group）Co.，Ltd.，Shanghai 200129，China

Abstract：［Objectives］ The electric propulsion dual-fuel engine is becoming dominant in newly built Liquefied Natural Gas（LNG）carriers. To avoid the potential risks that accompany the use of flammable and explosive boil-off gas，the performance of precise safety and reliability assessments is indispensable. ［Methods］This research concerns the engine rooms of large LNG carriers which are propelled electrically by a dual-fuel engine. Possible fuel gas（natural gas）leak cases in different areas of the engine room are simulated and analyzed. Five representative leak cases defined by leak form，leak location and leak rate are entered into a Computational Fluid Dynamics（CFD）simulation，in which the Reynolds stress model of Fluent software is adopted as the turbulence model. The results of the leaked gas distribution and ventilation velocity field are analyzed in combination to obtain the diffusion tendency and concentration distribution of leaked gas in different areas.［Results］Based on an analysis of the results，an optimized arrangement of flammable gas detectors is provided for the engine room， and the adoption of an explosion-proof exhaust fan is proven to be unnecessary. ［Conclusions］ These analysis methods can provide a reference for similar gas leakage scenarios occurring in confined ventilated spaces. In addition， the simulation results can be used to quantitatively assess potential fire or explosion damage in order to guide the design of structural reinforcements. Key words：Liquefied Natural Gas （LNG）；pipe leakage；Computational Fluid Dynamics （CFD）； quantitative risk assessment

收稿日期：2017 - 03 - 14 网络出版时间：2017-9-26 10:32作者简介：岑卓伦（通信作者），男，1988年生，硕士，工程师。研究方向：LNG低温液货处理系统开发设计。E-mail：cenzhuolun@hotmail.com刘涛，男，1983年生，博士，高级工程师。研究方向：轮机系统开发设计。E-mail：smuliutao@163.com

0引言

随着环保规范的完善和排放标准的提高，以Liquefied Natural Gas，LNG液化天然气（ ）等清洁气体为动力燃料的船舶得以迅速发展［1-3］。由于天然气的成本优势以及发达国家对其配套基础设施的不断完善，它将成为未来航运的主流燃料［4-7］。但天然气供气管线连接件密封不严、管道振动、冷热交替等造成的疲劳损伤，或高含硫燃料的酸性腐蚀，乃至人为操作不当等不可预见因素，均有可能造成天然气泄漏。天然气无色无味，发生泄漏后难以察觉，长时间累积后若遇火花则存在燃爆4.9%时即有燃风险［8-9］。当天然气摩尔浓度大于爆风险（按纯甲烷计算），过高浓度还可能造成人员窒息，因此，需要准确评估和有效防范天然气的使用风险。在气体流动扩散的场分布定量计算方面，计Computational Fluid Dynamics，CFD）算流体力学（方法能够模拟由流体的可压缩性、湍流流动、密度差等引起的自然流动、混合物热力学运动和分子扩散等物理效应，适于模拟验证复杂湍流流动的气体扩散过程［10-11］，以及易燃、易爆气体的泄漏扩散风险评估。2006 DNV FLACS KFX 12 ］利用［年， 和 软件对MAN公司某型主机高压供气系统在机舱内的泄漏燃爆风险进行了危险性评估。2011年，程浩力等［13］对城市街道的狭窄有限空间内不同风力条件CFD分析。2014下的天然气管线扩散泄漏进行了Fluent年，王丽华［14］利用 软件分析了风速、风向、泄漏方向对海洋平台油气泄漏扩散的影响。2016年，Fu CFD等［15］将事件树分析法与 方法相结合， LNG研究了 船泄漏事故的发生概率并定量评估Fiates 等［16］利了泄漏事故的严重程度。同年， 用OpenFOAM软件对甲烷和二氧化碳气体在海洋平台和风洞内的泄漏扩散过程进行了模拟分析。IMO［17 LNG ］针对某大型矿砂船的 燃料预处理房间，采用事件树分析法和故障树分析法评估了潜CFD在风险，并借助 方法对燃爆事故后果进行了定量评估。然而，鲜有通过泄漏事故模拟计算来指导预防机制（如可燃气体探测器布置）和设备防爆设计等方面的研究。1.74×105 m3 LNG本文将针对某新型 运输船发电机室的泄漏事故进行模拟计算，并进行可燃气体探测器布置和排气风机的防爆需求估算。发电机室作为核心动力单元，存在燃气泄漏、燃爆等事故风险，而发生燃爆的可能性、剧烈程度与燃气泄 CFD漏量、燃气浓度密切相关。因此，将借助商用Fluent软件 计算分析舱内气体流动和燃气泄漏扩散情况：首先，分析通风流场特性，并对发电机室的燃气供应管线进行分区；然后，在不同区域内选取典型泄漏点，计算分析泄漏后的天然气气云（以下简称“气云”）的扩散趋势和浓度分布；最后，合理布置可燃气体探测器，最大限度地降低燃爆风险。

1 建模与计算 1.1 计算方法

对于发电机室的内部空气流动，将采用非定N-S Navier-Stokes equation）求常雷诺平均 方程（解。对于泄漏天然气的扩散流动，将采用组分输运方程求解。在 xyz 直角坐标系下，时均后的控制方程为［18-19］ ¶Φ + ( )aeçè div ( ΦU )= div Γ grad Φ * ¶t Φ --- -----¶ u'Φ' + ¶ v'Φ' + ¶w 1 'Φ' +S （ ） ¶x ¶y ¶z Φ

式中：Φ 和Φ '分别为流体某一时均变量和相应的脉动量；t为时间； U 为时均速度矢量，其在直角3坐标系有 个方向的速度分量 u ，v ，w ；u' ，v' ， w ' 为 u ，v ，w 相应的脉动量； Γ* 为广义扩散系Φ

数；SΦ 为广义源项。21发电机室通风系统有 个不同尺寸的进风口。将入口进风视为射流，不同入射速度的进风会在流场内引起大范围掺混和动量交换，同时发电机室内多个不同形状的大尺度设备和结构平台将在背风侧形成大面积的尾涡。由于整个发电机室存在大量的剪切流动，故在计算中选取雷诺应型（Reynolds Stress Model，RSM力模 ）作为湍流模N-S型来封闭 动量方程中的雷诺应力项。与两方RSM程k-ε湍流模型相比， 通过直接对雷诺应力6分量建立 个输运方程，附加一个耗散方程进行求解［19］，而放弃了利用雷诺应力正比于时均速度2的应变和各向同性的湍流粘性系数这 个假设来计算湍流应力的方法。在预测有限空间内非稳态湍流流动的扩散过程方面，RSM的应用非常广泛，Cehlin等［20］研究了气体分布器对房间内空气流动的影响，其利用RSM所得的房间内空气速度分布稳态模拟结果与试验结果吻合较好，并指出非稳态模拟的结果将RNG RSM更加准确。郭栋鹏等［21］应用 k-ε模型和RSM计算了建筑物对污染物扩散的影响，其中 对污染物浓度分布和周围流场变化的预测效果更好。