基于PHAST軟件的LNG儲(chǔ)配站儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散分析

周玉希 蔡治勇

(重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶 401331)

LNG(liquefied natural gas)是一種清潔、高效的能源，主要成分是甲烷。LNG無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒且無(wú)腐蝕性，其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1600，大大節(jié)約了儲(chǔ)運(yùn)空間，而且具有熱值大、性能高等特點(diǎn)，使天然氣的應(yīng)用方式更靈活、范圍更廣。天然氣作為清潔能源越來(lái)越受到青睞，很多國(guó)家都將LNG列為首選燃料，現(xiàn)正以每年約12%的速度增長(zhǎng)，成為全球增長(zhǎng)最迅猛的能源行業(yè)之一。隨著天然氣工業(yè)的大發(fā)展，LNG儲(chǔ)配站憑借其建設(shè)周期短、儲(chǔ)氣量大以及能迅速滿足用氣市場(chǎng)需求的優(yōu)勢(shì)，作為城鎮(zhèn)的備用、調(diào)峰氣源或者過(guò)度氣源，目前得到較為廣泛的建設(shè)和應(yīng)用。LNG儲(chǔ)配站儲(chǔ)罐貯存著大量的液化天然氣，屬于易燃易爆場(chǎng)所，一旦發(fā)生泄漏，容易發(fā)生火災(zāi)爆炸，造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。

1 某LNG儲(chǔ)配站的危險(xiǎn)性分析

1.1 某LNG儲(chǔ)配站工程概況

100 m3LNG儲(chǔ)罐一座、配套液化天然氣接卸裝置、城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉溲b置、LNG儲(chǔ)配站公用工程及輔助設(shè)施等。

1.2 危險(xiǎn)性分析

LNG無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)毒且無(wú)腐蝕性，主要成分為甲烷，是一種易燃易爆的氣體。LNG的燃點(diǎn)和沸點(diǎn)都很低(見(jiàn)表1)，最小點(diǎn)火能為0.28 MJ。LNG泄漏后，會(huì)吸收周?chē)橘|(zhì)的熱量迅速蒸發(fā)，和空氣混合后，溫度只要達(dá)到550℃就能燃燒。LNG極易燃燒，表面輻射通量很高，發(fā)生火災(zāi)爆炸后很難控制，對(duì)周邊環(huán)境具有極強(qiáng)的破壞性［3］。因此LNG泄漏時(shí)應(yīng)首先考慮其可能產(chǎn)生火災(zāi)爆炸的區(qū)域。

表1 LNG的理化參數(shù)

2 PHAST軟件模擬過(guò)程

2.1 PHAST軟件介紹

PHAST(Process Hazard Analysis Software Tool)軟件是由DNV(挪威船級(jí)社)公司開(kāi)發(fā)的專門(mén)用于石油石化和天然氣領(lǐng)域危險(xiǎn)分析和安全計(jì)算的軟件，已得到全世界許多國(guó)家的廣泛運(yùn)用和認(rèn)可。PHAST軟件內(nèi)嵌了燃燒(包括池火、噴射火和沸騰液體擴(kuò)展為蒸汽爆炸)、泄漏和擴(kuò)散、爆炸和毒氣擴(kuò)散4種計(jì)算模型。

PHAST軟件計(jì)算范圍較廣，能夠快速地得出模擬事故的各種數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也較為吻合［5］。通過(guò)對(duì)發(fā)生事故時(shí)的真實(shí)場(chǎng)景輸入，包括設(shè)備類型、物質(zhì)種類、存儲(chǔ)參數(shù)、泄漏方式、周?chē)h(huán)境(大氣溫度、濕度、穩(wěn)定度、風(fēng)速)等設(shè)置，即可利用PHAST軟件模擬石油化工裝置可能發(fā)生的火災(zāi)爆炸事故的影響范圍及程度［3］。其中泄漏和擴(kuò)散模塊采用 UDM 模型［3］。

2.2 UDM模型

UDM模型(Unified Dispersion Mode1)是PHAST軟件中用于計(jì)算泄漏和擴(kuò)散的模型。通過(guò)參數(shù)輸入和計(jì)算能夠得出發(fā)生事故之后的安全區(qū)域、易燃易爆區(qū)域、準(zhǔn)危險(xiǎn)區(qū)域。為安全技術(shù)人員及安全管理人員采取相應(yīng)應(yīng)急措施提供重要參考信息，幫助減小事故帶來(lái)的影響。

UDM模型主要模擬有限時(shí)間的泄漏。它假定泄漏速度在一個(gè)有限的時(shí)間內(nèi)是一個(gè)常量。UDM模型包括2個(gè)子模型:準(zhǔn)瞬時(shí)模型(Quasi－instantaneous model)和有限時(shí)間修正模型(Finite－duration－correction model)。

準(zhǔn)瞬時(shí)模型主要模擬一個(gè)連續(xù)釋放源的初始階段(忽略下風(fēng)向的垂直和水平擴(kuò)散)。當(dāng)云的寬度相對(duì)于長(zhǎng)度變成“大”的時(shí)候，蒸氣云就取而代之地成為一個(gè)“等效的”圓形云團(tuán)，隨后的階段繼續(xù)被模擬成一個(gè)“瞬時(shí)的”圓形云團(tuán)，如圖1、圖2所示。

圖1 準(zhǔn)瞬時(shí)泄漏模型

有限時(shí)間修正模型是基于從SLAB擴(kuò)散模型派生出的HGSYSTEM公式。有限時(shí)間修正模型有一個(gè)更好的科學(xué)依據(jù)，它逐步考慮順風(fēng)擴(kuò)散的影響，包括湍流的傳播和垂直的風(fēng)切變。該模型的局限性是它只適用于地面的無(wú)壓力釋放，并且沒(méi)有明顯的凝雨散落物。此外，它只能預(yù)測(cè)最高濃度(地面中心線)，如圖3所示。

圖2 準(zhǔn)瞬時(shí)泄漏的過(guò)程

圖3 有限時(shí)間修正模型

UDM模型適用范圍較廣，任何泄漏方式都可采用PHAST軟件對(duì)氣體泄漏擴(kuò)散的過(guò)程以及造成的影響進(jìn)行描述，其模擬結(jié)果與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景接近，具有很強(qiáng)的準(zhǔn)確性和直觀性。

2.3 參數(shù)設(shè)置

LNG成分復(fù)雜，進(jìn)行危害定量分析時(shí)需要取其代表成分進(jìn)行簡(jiǎn)化。LNG主要成分為甲烷，因此計(jì)算時(shí)選取甲烷作為危險(xiǎn)物質(zhì)進(jìn)行后果模擬［5］。

某LNG儲(chǔ)配站儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存壓力為0.2 MPa，儲(chǔ)存溫度為－162℃，儲(chǔ)罐容積為100 m3。

由于對(duì)連續(xù)孔徑尺寸進(jìn)行計(jì)算是不現(xiàn)實(shí)的，根據(jù)API581的推薦，采用孔徑尺寸為6.35、25.4、102 mm和完全破裂(＞152.4 mm)這4種情況進(jìn)行后果模擬。根據(jù)LNG儲(chǔ)配站工藝設(shè)備的實(shí)際情況，選擇6.35 mm和完全破裂(＞152.4 mm)進(jìn)行后果模擬分析［5］。

泄漏事故的后果模擬應(yīng)考慮天氣情況、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、氣溫和濕度等因素對(duì)氣體擴(kuò)散產(chǎn)生的燃燒爆炸區(qū)域的影響。

某LNG儲(chǔ)配站所在地區(qū)的年平均風(fēng)速為3.5 ms，年平均氣溫為17.1℃，年平均濕度為80%，大氣穩(wěn)定度為穩(wěn)定。

3 PHAST軟件模擬結(jié)果分析

FHAST軟件模擬的噴射火影響范圍如圖4所示。

噴射火的危害定量分析結(jié)果如表2所示。

3.1 噴射火的危害定量分析結(jié)果

圖4 噴射火影響范圍

表2 噴射火的危害定量分析結(jié)果

3.2 蒸汽云爆炸的危害定量分析結(jié)果

FHAST軟件模擬的可燃蒸汽云爆炸的影響范圍如圖5、圖6所示。

蒸汽云爆炸的危害定量分析結(jié)果如表3所示。

3.3 閃火的危害定量分析結(jié)果

FHAST軟件模擬的閃火的影響范圍如圖7所示。

圖5 泄漏孔徑為6.35 mm時(shí)可燃蒸汽云爆炸影響范圍

圖6 破裂時(shí)可燃蒸汽云爆炸影響范圍

表3 蒸汽云爆炸的危害定量分析結(jié)果

閃火的危害定量分析結(jié)果如表4所示。

表4 閃火的危害定量分析結(jié)果

圖7 閃火的影響范圍

4 結(jié)論

(1)用PHAST軟件模擬LNG儲(chǔ)配站儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散是一種行之有效的方法，能有效的對(duì)泄漏擴(kuò)散影響區(qū)域范圍進(jìn)行定量描述，準(zhǔn)確性高［8］。

(2)LNG儲(chǔ)配站儲(chǔ)罐泄漏一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸會(huì)造成嚴(yán)重后果。對(duì)比文中給出的噴射火、蒸汽云爆炸及閃火對(duì)人和周邊環(huán)境的影響程度可以得出，蒸汽云爆炸產(chǎn)生的沖擊波影響范圍要大于噴射火和閃火產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度的影響范圍。

(3)不同孔徑尺寸的泄漏所造成的事故后果嚴(yán)重程度也不同。孔徑越大，泄漏的危險(xiǎn)物質(zhì)越多，氣體擴(kuò)散的面積隨之增大，熱輻射強(qiáng)度和沖擊波影響程度增大，危險(xiǎn)區(qū)域也隨之?dāng)U大。

(4)控制點(diǎn)火源，嚴(yán)格執(zhí)行動(dòng)火規(guī)則;做好防雷措施，嚴(yán)格執(zhí)行消防法規(guī);加強(qiáng)安全生產(chǎn)宣傳教育，增強(qiáng)員工安全意識(shí)。充分考慮安全防護(hù)距離，劃分危險(xiǎn)區(qū)域，加強(qiáng)安全管理和日常監(jiān)測(cè)，做好設(shè)備設(shè)施的維護(hù)檢修。

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