基于FDS數(shù)值模擬的LNG儲(chǔ)備站火災(zāi)安全評(píng)定研究

■ 高明旭 薛艷平 張宏濤 白玉星 張乙 北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱(chēng)LNG）是由天然氣進(jìn)行凈化處理，通過(guò)常壓液化降至其沸點(diǎn)之后形成另一種能源形式。甲烷是主要成分，屬于相當(dāng)優(yōu)質(zhì)環(huán)保的燃料。同時(shí)，LNG的危險(xiǎn)性極高，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了巨大威脅。近年來(lái)，LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)安全事故屢屢發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1944年克里夫蘭LNG因儲(chǔ)罐泄漏發(fā)生爆炸和火災(zāi)。1972年1月，加拿大東蒙特利爾魁北克的一座LNG調(diào)峰站因壓縮機(jī)入口的天然氣管道超壓泄漏發(fā)生爆炸。2014年2月8日，江蘇徐州市二環(huán)西路北首沈場(chǎng)立交橋旁加氣站的儲(chǔ)氣罐發(fā)生泄露引發(fā)大火。因此，LNG儲(chǔ)備站火災(zāi)安全便成了重要的研究課題。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)顯示，火災(zāi)主要是LNG泄漏引起。而在LNG火災(zāi)類(lèi)型中，池火是對(duì)廠區(qū)的危險(xiǎn)性最大。當(dāng)發(fā)生 LNG 池火災(zāi)時(shí)，池火火焰的熱輻射場(chǎng)會(huì)對(duì)周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的設(shè)備和人員造成危害。如果廠區(qū)內(nèi)的布置不合理、存在安全隱患，很有可能會(huì)引起進(jìn)一步的火災(zāi)，造成更大的損失。本文基于FDS軟件，以L(fǎng)NG場(chǎng)站真實(shí)情況布置建立模型，分析了最不利工況火災(zāi)場(chǎng)景下火災(zāi)造成事故嚴(yán)重程度、場(chǎng)站溫度場(chǎng)的分布及熱輻射危害的影響范圍。由此確定LNG儲(chǔ)罐周?chē)奈ｋU(xiǎn)區(qū)域和安全范圍，從而為該液化天然氣儲(chǔ)備站的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，使其池火火災(zāi)對(duì)周?chē)奈：p失降低到可接受的水平。

一、數(shù)值計(jì)算原理

FDS （Fire Dynamics Simulator）以火災(zāi)中的流體運(yùn)動(dòng)作為主要模擬對(duì)象，專(zhuān)用于火災(zāi)動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，適用于火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中煙氣的傳播和火焰周?chē)鸁彷椛渫孔兓约奥拥臄?shù)值仿真 。FDS采用的流體動(dòng)力學(xué)模型為N-S方程的近似形式，該方程可以很好的描述低馬赫數(shù)流動(dòng)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外火災(zāi)研究者們對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行了大量的研究，證明了FDS與實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

二、FDS模型建立

（一）LNG儲(chǔ)備站模型建立

根據(jù)LNG儲(chǔ)備站的實(shí)際尺寸，計(jì)算區(qū)域尺寸設(shè)定為：X方向140m，Y方向140m，Z方向25m。LNG中甲烷是主要成分，占到94．4%。因此，將反應(yīng)的元素參數(shù)近似設(shè)定為甲烷的元素構(gòu)成較為合理。從火焰中心開(kāi)始，在距離火焰中心30m、50m、70m、130m處依次布置熱輻射通量測(cè)點(diǎn)。

（二）最不利火災(zāi)工況設(shè)置

根據(jù)石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范第10．3．4條規(guī)定，需模擬燃燒面積為儲(chǔ)罐圍堰內(nèi)全部容積（但不包括儲(chǔ)罐）的表面著火。質(zhì)量燃燒速率為0．124 kg（/m2．s）。此火災(zāi)場(chǎng)景是LNG池火災(zāi)的最不利工況。

三、數(shù)據(jù)分析

（一）熱輻射通量及溫度場(chǎng)分布狀況

圖1 LNG儲(chǔ)備站煙氣、熱輻射示意圖

圖2 LNG儲(chǔ)備站溫度場(chǎng)分布圖

圖1為L(zhǎng)NG儲(chǔ)備站池火火災(zāi)煙氣、熱輻射通量示意圖，圖2為溫度分布圖。顯然，火災(zāi)煙氣及熱輻射通量影響范圍廣，大部分區(qū)域的溫度達(dá)到了1000～1500℃，在這種最不利火災(zāi)場(chǎng)景發(fā)生后，會(huì)使得NGL儲(chǔ)罐區(qū)的設(shè)備損壞，甚至發(fā)生更大的次生災(zāi)害。

（二）儲(chǔ)備站熱輻射通量分析

圖3 距火焰中心30m處熱輻射通量

圖4 距火焰中心50m處熱輻射通量

圖5 距火焰中心70m處熱輻射通量

圖6 距火焰中心130m處熱輻射通量

由圖3到6可知：火災(zāi)發(fā)生后熱輻射通量隨著距離的增加而逐漸減小，距離火焰中心30m處熱輻射通量值約為40kW/m2，距離火焰中心50m處熱輻射通量值約為25kW/m2，距離火焰中心70m處熱輻射通量值約為12kW/m2，距離火焰中心130m處熱輻射通量值約為5kW/m2。

四、結(jié)論及工程建議

發(fā)生大型泄露事件導(dǎo)致泄露液體布滿(mǎn)圍堰，一旦遇到火源，立即會(huì)引起大型池火火災(zāi)。熱輻射是池火火災(zāi)危害的主要表現(xiàn)形式，它會(huì)對(duì)鄰近的設(shè)備造成很大的破壞，對(duì)人體產(chǎn)生很大的傷害，根據(jù)美國(guó)LNG規(guī)范、參考石油化工裝置設(shè)施的火災(zāi)熱輻射破壞準(zhǔn)則，歸納出了熱輻射通量大小對(duì)人和設(shè)備的傷害如表1所示。

表1 熱輻射通量對(duì)設(shè)備和人的影響

（一）距儲(chǔ)罐周?chē)?0m～130m內(nèi)熱輻射通量值約為5kW/m2～12kW/m2，根據(jù)表1熱輻射通量對(duì)設(shè)備和人的影響分析，對(duì)人體可能會(huì)產(chǎn)生燒傷。因此建議不得建造人員密集的場(chǎng)所。

（二）在儲(chǔ)備站周邊50m～70m范圍內(nèi)熱輻射通量值約為12kW/m2～25kW/m2，根據(jù)表1熱輻射通量對(duì)設(shè)備和人的影響分析，在熱輻射通量達(dá)到25kW/m2，人在此環(huán)境下暴露1分鐘就有死亡的危險(xiǎn)，因此建議為不得居民區(qū)等建筑物。

（三）在30m～50m范圍內(nèi)熱輻射通量值約為25kW/m2～40kW/m2，根據(jù)表1熱輻射通量對(duì)設(shè)備和人的影響分析，在此環(huán)境下設(shè)施將受到嚴(yán)重?fù)p失，人員也會(huì)有傷亡，因此不能存在建（構(gòu)）筑物，并根據(jù)熱輻射的強(qiáng)度適當(dāng)加厚擬建設(shè)備和建筑物的混凝土的厚度并設(shè)置防輻射措施。

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