LNG儲(chǔ)罐泄漏事故模擬分析

王坤

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京　102249）

LNG儲(chǔ)罐泄漏事故模擬分析

王坤

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）

針對(duì)LNG儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏易造成安全事故的問(wèn)題，使用化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模擬分析軟件safer trace建立了LNG儲(chǔ)罐泄漏事故模型，模擬發(fā)生泄漏、閃火、蒸汽云爆炸及池火的4種事故工況，定量分析了LNG泄漏后發(fā)生火災(zāi)的熱輻射影響范圍和爆炸超壓波的影響范圍，對(duì)比不同風(fēng)速條件下事故的影響能力，并確定了LNG儲(chǔ)罐與周邊設(shè)施的最小安全距離為25 m。

LNG儲(chǔ)罐泄漏熱輻射池火安全距離

0　引言

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存的是極低溫度下的LNG，一旦儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏，LNG將會(huì)沿空氣低點(diǎn)形成一個(gè)流動(dòng)層，迅速?gòu)闹車(chē)h(huán)境中吸熱，當(dāng)其中的甲烷溫度達(dá)到-113℃時(shí)將形成密度小于空氣的氣體，并隨之上升。在此過(guò)程中可能發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故，LNG著火火焰溫度很高，其帶來(lái)的熱輻射能量很大，會(huì)對(duì)周邊的人群及設(shè)施產(chǎn)生巨大的傷害［1］。

1　事故假設(shè)

儲(chǔ)罐里的LNG組分主要為甲烷，LNG儲(chǔ)罐為全容罐，儲(chǔ)存溫度為-160℃，儲(chǔ)存壓力為常壓，泄漏事故釋放時(shí)間為10 min，泄漏高度為1 m，泄漏孔徑假設(shè)為圓形，直徑為10 cm，流量系數(shù)取0.7。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，事故假設(shè)的外部條件數(shù)據(jù)采用為［2］：風(fēng)速1.5 m/s，大氣穩(wěn)定度為F，空氣相對(duì)濕度為50%，溫度為25℃。

2　事故模擬分析

筆者使用safer trace模擬軟件對(duì)LNG儲(chǔ)罐泄漏事故工況進(jìn)行模擬分析。safer trace軟件是一款用于化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)管理分析的應(yīng)用工具，軟件可以用于對(duì)泄漏到大氣中的有毒、易燃、易爆等化工產(chǎn)品的危害進(jìn)行評(píng)估。

LNG屬于甲A級(jí)火災(zāi)危險(xiǎn)物品，當(dāng)其發(fā)生泄漏時(shí)，遇火源極易發(fā)生閃火、爆炸及池火等危險(xiǎn)，筆者針對(duì)儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏、閃火、蒸汽云爆炸及池火事故時(shí)，使用safer trace建立事故模型并對(duì)事故工況進(jìn)行模擬，分析在不同氣象條件下事故的影響力。

2.1泄漏

使用safer trace對(duì)LNG從儲(chǔ)罐中泄漏出的工況進(jìn)行模擬，LNG的影響范圍如表1所示，從表中可見(jiàn)，風(fēng)速會(huì)加快氣化后的LNG向空中的擴(kuò)散，相同濃度的擴(kuò)散氣在高風(fēng)速下的影響范圍更小，由于LNG中甲烷含量在90%以上，根據(jù)美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì)的規(guī)定，甲烷在空氣中的閃火濃度范圍為50 000～150 000 mg/L，在此濃度區(qū)間內(nèi)的甲烷遇明火將會(huì)出現(xiàn)燃燒（爆炸），風(fēng)速低的氣象條件不利于甲烷的擴(kuò)散，將更有可能發(fā)生爆炸燃燒事故。

表1　LNG儲(chǔ)罐泄漏影響結(jié)果表

2.2閃火熱輻射

模擬定義的熱輻射值是根據(jù)美國(guó)工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會(huì)所指定的ERPG［3］（緊急響應(yīng)計(jì)劃指南）標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

表2　熱輻射強(qiáng)度傷害表

不同風(fēng)速條件下的熱輻射模擬結(jié)果如圖1和圖2所示，圖中紅色區(qū)域內(nèi)（內(nèi)圈）表示達(dá)到了37 500 W/m2的輻射量，黃色區(qū)域內(nèi)（中圈）表示達(dá)到了12 500 W/m2的輻射量，綠色區(qū)域內(nèi)（外圈）表示達(dá)到了4 000 W/m2的輻射量。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速對(duì)熱輻射的影響和對(duì)擴(kuò)散濃度的影響呈相反作用，風(fēng)速高的事故狀態(tài)下氣體燃燒熱輻射影響范圍更廣，且在下風(fēng)向最遠(yuǎn)影響距離點(diǎn)，燃燒產(chǎn)生的熱輻射量最低也在37 500 W/m2以上；而低風(fēng)速下，3種輻射量的最遠(yuǎn)影響距離差別明顯。因此，LNG擴(kuò)散發(fā)生燃燒事故時(shí)，高風(fēng)速下熱輻射影響后果更為嚴(yán)重。

圖1　風(fēng)速為5m/s時(shí)的熱輻射影響距離圖

2.3蒸汽云爆炸

圖2　風(fēng)速為1.5m/s時(shí)的熱輻射影響距離圖

使用軟件內(nèi)嵌的Baker-Strehlow模型來(lái)計(jì)算蒸汽云爆炸超壓影響范圍，計(jì)算結(jié)果顯示，在風(fēng)速為1.5 m/s的爆炸事故狀態(tài)下，爆炸壓力超過(guò)50 kPa的最遠(yuǎn)距離為39 m，超過(guò)10 kPa的最遠(yuǎn)距離為144.1 m，超過(guò)3 kPa的最遠(yuǎn)距離為413.3 m；而在風(fēng)速為5m/s的蒸汽云爆炸事故狀態(tài)下，爆炸壓力超過(guò)50 kPa的最遠(yuǎn)距離為39.5 m，超過(guò)10 kPa的最遠(yuǎn)距離為144.3 m，超過(guò)3 kPa的最遠(yuǎn)距離為414.1 m。不同風(fēng)速條件下的爆炸超壓影響范圍如圖3和圖4所示，圖中顯示了兩種風(fēng)速條件下的爆炸超壓影響范圍幾乎一致，可認(rèn)為風(fēng)速對(duì)蒸汽云爆炸事故的超壓影響范圍沒(méi)有作用。

2.4池火熱輻射

圖3　風(fēng)速為5m/s時(shí)的爆炸超壓影響范圍圖

使用safer trace軟件建立LNG儲(chǔ)罐泄漏發(fā)生池火火災(zāi)模型，模擬事故對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生的熱輻射影響，模擬結(jié)果顯示，在風(fēng)速為5 m/s的爆炸事故狀態(tài)下，池火熱輻射量超過(guò)37 500 W/m2的最遠(yuǎn)距離為7.8 m，超過(guò)13 500 W/m2的最遠(yuǎn)距離為13m，超過(guò)4 000 W/m2的最遠(yuǎn)距離為25.3 m；風(fēng)速為1.5 m/s的爆炸事故狀態(tài)下，池火熱輻射量超過(guò)37 500 W/m2的最遠(yuǎn)距離為6.3 m，超過(guò)13 500 W/m2的最遠(yuǎn)距離為9.5 m，超過(guò)4 000 W/m2的最遠(yuǎn)距離為20.3 m，見(jiàn)圖5和圖6?？梢?jiàn)風(fēng)速會(huì)顯著影響池火熱輻射范圍，較低的風(fēng)速有利于現(xiàn)場(chǎng)事故的控制工作。

圖4　風(fēng)速為1.5m/s時(shí)的爆炸超壓影響范圍圖

3　結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)LNG儲(chǔ)罐的泄漏事故工況進(jìn)行模擬分析，得出事故燃燒熱輻射在風(fēng)速為5 m/s時(shí)的4 kW/m2輻射量的最遠(yuǎn)影響距離為100 m，風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)的4 kW/m2輻射量的最遠(yuǎn)影響距離達(dá)到了130 m。因此，較高的風(fēng)速可適當(dāng)縮小燃燒熱輻射的影響范圍。

2）LNG儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏爆炸的后果非常嚴(yán)重，此次模擬的3 kPa影響范圍達(dá)到了413 m，且基本不受風(fēng)速的影響。

圖5　風(fēng)速為5m/s時(shí)的池火熱輻射影響范圍圖

3）當(dāng)發(fā)生池火事故時(shí)，在風(fēng)速為5 m/s時(shí)4 kW/m2輻射量的影響范圍為25 m以上，且風(fēng)速增大時(shí)熱輻射影響范圍將會(huì)擴(kuò)大，因此防火池建筑墻離儲(chǔ)罐的距離不得少于25 m。

圖6　風(fēng)速為1.5m/s時(shí)的池火熱輻射影響范圍圖

4）裝有危險(xiǎn)液體的儲(chǔ)罐發(fā)生事故的不確定性較大，運(yùn)用事故模擬軟件safer trace對(duì)各種常見(jiàn)的事故類(lèi)型進(jìn)行模擬分析，有利于庫(kù)區(qū)的安全運(yùn)行和事故預(yù)防。

［1］朱伯齡，於孝春.PHAST軟件對(duì)液化天然氣泄漏擴(kuò)散的研究［J］.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2009，26（11）：1418-1422.

［2］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB/T50183-2004石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2004.

［3］ AIHA.TheAIHA1999EmergencyResponsePlanning Guidelines and Workplace Environmental Exposure Level Guidelines Handbook（1999）［S］.Fairfax：AIHA Press，1999.

（編輯：蔣龍）

B

2095-1132（2016）04-0047-03

10.3969/j.issn.2095-1132.2016.04.013

修訂回稿日期：2016-07-29

王坤（1992-），碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜌馓锿暾怨芾怼-mail：bibberwhut@163.com。