不同儲存條件下LPG儲罐泄漏事故危害范圍的對比分析

李向欣副教授 張 浩

（1.中國人民警察大學(xué) 消防指揮系，河北 廊坊 065000；2.中國人民警察大學(xué) 政治部，河北 廊坊 065000）

0 引言

液化石油氣（LPG）由于其較高的燃燒效率，豐富的儲量，已廣泛應(yīng)用于人類生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域。基于LPG的危險特性，一旦發(fā)生泄漏后，極易導(dǎo)致火災(zāi)爆炸事故發(fā)生，造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失。隨著LPG儲存方式的增多，LPG儲罐泄漏事故呈現(xiàn)復(fù)雜化、多樣化的特點(diǎn)。目前，國內(nèi)外研究學(xué)者常采用PHAST軟件、RMP*Comp軟件、SAFETⅠ軟件、ARCHⅠE軟件和ALOHA軟件等模擬危險化學(xué)品單一事故泄漏擴(kuò)散的危害范圍，針對不同外部條件對泄漏危害范圍的影響研究較少[1-3]。因此，作為化學(xué)事故處置的國家綜合性消防救援隊(duì)伍，如何針對不同儲存條件下的LPG儲罐泄漏規(guī)律，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件，快速、準(zhǔn)確地預(yù)測事故的危害范圍是國家綜合性消防救援隊(duì)伍亟待解決的重要課題。

本文將選用ALOHA軟件，針對不同存儲條件LPG儲罐泄漏事故的危害范圍進(jìn)行模擬，分析討論不同存儲條件對危害范圍的影響，掌握LPG儲罐泄漏擴(kuò)散規(guī)律，更好地為國家綜合性消防救援隊(duì)伍應(yīng)急預(yù)案的制定和現(xiàn)場應(yīng)急指揮決策提供理論支撐。

1 LPG儲罐泄漏事故分析

1.1 LPG儲罐類型

按形狀分，LPG儲罐有球罐、臥罐和立罐。其中球罐、臥罐為常用的有兩種儲罐形式。球罐的容積較大，通常用作大型罐區(qū)集中儲存使用。臥罐主要用作小型加氣、儲氣站常備液化石油氣使用，設(shè)計(jì)容量較低，無法滿足大型罐區(qū)的儲存要求。

1.2 LPG主要儲存方式

按溫度和壓力分，LPG可以采用常溫壓力儲存、低溫常壓儲存和低溫壓力儲存3種儲存方式[4]。其中，常溫壓力儲存是指LPG的儲存于環(huán)境溫度，壓力為常溫下的飽和壓力或略大于飽和壓力。它是我國LPG的主要儲存方式，但該儲存方式的容器要求高，建設(shè)成本大。低溫常壓儲存是一種LPG在低溫常壓條件下其飽和蒸氣壓接近常壓的儲存方式。該儲存方式儲罐耗鋼量低，一次性投入低，但其維護(hù)成本較高，保養(yǎng)工藝復(fù)雜，對日常維護(hù)保養(yǎng)及制冷系統(tǒng)有較高要求。低溫壓力儲存方式是將低、中壓力和制冷結(jié)合起來的一種儲存方式。雖然該儲存方式為滿足低溫要求仍需采用制冷設(shè)備，但對制冷設(shè)備要求并不高，制冷工藝簡易有效，維護(hù)成本低。不同設(shè)計(jì)容量的單罐LPG的儲罐類型及儲存方式，見表1。

表1 儲罐類型及儲存方式Tab.1 Tank types and storage methods of LPG

1.3 LPG儲罐泄漏事故后果

處于運(yùn)行狀態(tài)下的LPG儲罐，在其運(yùn)行過程中，可能由于操作不當(dāng)、設(shè)備老化等原因發(fā)生不同程度的泄漏事故。泄漏導(dǎo)致的事故后果，可由罐體的狀態(tài)、儲存方式、儲存條件以及泄漏口部位的形狀等因素決定。由于LPG的毒性、可燃性以及爆炸性等危險特性，LPG發(fā)生泄漏后，LPG擴(kuò)散至空氣中與空氣形成具有爆炸性的重氣云團(tuán)；遇到火源，易形成燃燒及火災(zāi)爆炸事故。因此，在處置LPG泄漏事故時，國家綜合性消防救援隊(duì)?wèi)?yīng)重點(diǎn)防范火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。LPG儲罐泄漏事故后果，如圖1。

圖1 LPG儲罐泄漏事故后果Fig.1 Types of LPG tank leakage accident consequences

2 危害范圍的確定方法

2.1 危害區(qū)域的劃分

準(zhǔn)確、高效的劃分潛在的危害區(qū)域?qū)ο啦筷?duì)力量部署、人員疏散、區(qū)域警戒有重要作用。為了區(qū)分不同區(qū)域的危險性，本文將危害區(qū)域劃分為：重度區(qū)、中度區(qū)以及輕度區(qū)。其中，重度區(qū)距離泄漏儲罐最近，泄漏LPG物料最多，空氣中LPG濃度最大。若泄漏儲罐發(fā)生燃燒爆炸事故，極易造成大規(guī)模人員傷亡以及戰(zhàn)斗車輛，建、構(gòu)筑設(shè)施損壞。中度區(qū)位于距離泄漏罐體中等距離的區(qū)域。在此區(qū)域中，可能不存在大量泄漏的LPG物料，在罐體持續(xù)泄漏的情況下，LPG蒸氣濃度提高，存在發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的危險性。由于距離泄漏罐體一定距離，所以發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的危險性并不高。輕危區(qū)是指距離泄漏罐體較遠(yuǎn)，基本不存在泄漏LPG液體，空氣中幾乎沒有LPG蒸氣，是相對重危區(qū)、中危區(qū)較為安全的區(qū)域。

2.2 傷害閾值的確定

傷害閾值是確定不同危害區(qū)域邊界的量化指標(biāo)。不同事故類型采用的傷害閾值標(biāo)準(zhǔn)不同。本文從罐體泄漏造成的擴(kuò)散及可能發(fā)生的火災(zāi)爆炸事故分別確定不同事故類型的傷害閾值。

（1）泄漏擴(kuò)散傷害閾值。由于LPG的燃爆危險性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其毒性，針對LPG泄漏擴(kuò)散事故，本文以泄漏后空氣中所含LPG濃度為傷害閾值的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，一般以達(dá)到LPG爆炸下限（LEL）的百分比表示。LPG儲罐泄漏擴(kuò)散的濃度傷害閾值[5]，見表2。

表2 泄漏擴(kuò)散的濃度傷害閾值Tab.2 Concentration damage threshold of leakage diffusion

（2）火災(zāi)事故傷害閾值。LPG引發(fā)火災(zāi)將產(chǎn)生大量熱輻射，熱輻射傷害的評價標(biāo)準(zhǔn)有：熱強(qiáng)度、熱通量、熱通量-熱強(qiáng)度、熱通量-時間以及熱強(qiáng)度-時間標(biāo)準(zhǔn)。本文采用熱輻射通量準(zhǔn)則進(jìn)行評判。根據(jù)不同危害區(qū)域的損傷程度，結(jié)合受熱強(qiáng)度及時間的長短對人員、設(shè)備所造成的危害程度，本文以不同熱輻射強(qiáng)度為傷害閾值標(biāo)準(zhǔn)，確定不同危害區(qū)域?qū)θ说膫5]，見表3。

表3 火災(zāi)熱輻射對人員的傷害閾值Tab.3 Personnel damage threshold of fire thermal radiation

（3）爆炸事故傷害閾值。爆炸事故的主要危害是爆炸所產(chǎn)生的沖擊波。沖擊波的危害評價標(biāo)準(zhǔn)有超壓、沖量和超壓-沖量等。沖擊波超壓準(zhǔn)則規(guī)定受沖擊波作用的物體所承受的沖擊波超壓一旦超過臨界值即會對其造成損傷。根據(jù)不同危害區(qū)域的損傷程度，結(jié)合爆炸沖擊波超壓對人員、建筑物傷害或破壞的標(biāo)準(zhǔn)，本文確定了爆炸事故對不同危害區(qū)域?qū)θ藛T、建筑物的傷害或破壞程度人的傷害閾值[5]，見表4。

表4 爆炸沖擊波超壓的傷害閾值Tab.4 Damage threshold of explosion wave overpressure

2.3 軟件模擬方法

ALOHA（Areal Locations of Hazardous Atmospheres）是由美國環(huán)境保護(hù)署化學(xué)制品突發(fā)事件應(yīng)急辦公室、美國海洋大氣管理響應(yīng)和恢復(fù)辦公室聯(lián)合開發(fā)的應(yīng)用程序。該軟件可以計(jì)算毒氣泄漏后擴(kuò)散濃度范圍、熱輻射強(qiáng)度、爆炸沖擊波當(dāng)量等。使用ALOHA軟件，可以對各類化學(xué)品儲罐進(jìn)行風(fēng)險評估和事故模擬[6]。應(yīng)用ALOHA軟件進(jìn)行模擬時，應(yīng)輸入物料性質(zhì)、時間、氣象、地理等參數(shù)，然后根據(jù)事故特定情景，選定事故后果模型，結(jié)合泄漏擴(kuò)散、火災(zāi)、爆炸等不同事故的傷害閾值，模擬出不同事故的危害區(qū)域，確定事故的危害范圍。

3 應(yīng)用舉例

3.1 事故情景設(shè)定

2017年4月22日，天津市某LPG儲氣站發(fā)生LPG泄漏事故。該儲氣站采用地上球罐儲存方式，儲罐體積2000m3。儲存條件：常溫壓力儲存條件下，儲存溫度21℃，充裝系數(shù)75%；低溫常壓儲存條件下，儲存溫度-47℃，常壓，充裝系數(shù)75%。儲罐相連管徑為150mm，暫不考慮圍堰，LPG的主要成分為丙烷。事故發(fā)生時：風(fēng)速5m/s（10m高的氣象塔測量），西北風(fēng)，大氣環(huán)境溫度21℃，30%的云層，相對濕度40%，沒有逆溫層，罐區(qū)為水泥地面。泄漏口成圓孔狀，直徑約為15cm，位于罐體下方35%高度。

3.2 不同事故的危害范圍

（1）LPG泄漏擴(kuò)散危害范圍。將事故情景參數(shù)輸入ALOHA軟件，套用球罐模型，以LPG泄漏擴(kuò)散的體積濃度作為LPG泄漏擴(kuò)散事故危險性判定指標(biāo)，用爆炸下限的百分比表示，得出常溫壓力儲存和低溫常用存儲條件下，LPG儲罐泄漏擴(kuò)散的危害范圍，如圖2。

圖2 不同儲存條件下LPG泄漏擴(kuò)散的危害范圍Fig.2 Hazard ranges of LPG leakage diffusion under different storage conditions

（2）噴射火危害范圍。當(dāng)LPG儲罐成小孔泄漏時，其內(nèi)部由于壓差導(dǎo)致向外壓力，形成高壓射流。若在泄漏口將其點(diǎn)燃，則可形成噴射火。將發(fā)生噴射火事故情景參數(shù)輸入ALOHA軟件，得到常溫壓力儲存和低溫常壓儲存條件下LPG儲罐噴射火造成的危害范圍，如圖3。值得一提的是，在低溫常壓儲存條件下，由于中度區(qū)和輕度區(qū)于中度區(qū)區(qū)分不大，故3個區(qū)域基本重合。

圖3 不同儲存條件下LPG噴射火的危害范圍Fig.3 Hazard ranges of LPG jet fire under different storage conditions

圖4 不同儲存條件下LPG蒸氣云爆炸的危害范圍Fig.4 Hazard ranges of LPG vapor cloud explosion under different storage conditions

（3）蒸氣云爆炸危害范圍。假設(shè)LPG泄漏后，在周圍空氣預(yù)混、延遲點(diǎn)火或局限化的空間等條件下發(fā)生蒸氣云爆炸。將發(fā)生蒸氣云事故情景參數(shù)輸入ALOHA軟件，得到常溫壓力儲存和低溫常壓儲存條件下LPG儲罐蒸氣云爆炸的危害范圍，如圖4。

（4）沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸危害范圍。沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸是LPG儲罐嚴(yán)重?fù)p壞，已無法繼續(xù)承擔(dān)儲存功能，其壓力平衡被破壞，導(dǎo)致沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸性泄放。LPG在突然釋放的急劇氣化情況下，遇到火源即會導(dǎo)致沸騰液體蒸氣爆炸。將發(fā)生沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸事故的情景參數(shù)輸入ALOHA軟件，得到常溫壓力儲存和低溫常壓儲存條件下LPG儲罐沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸危害范圍，如圖5。

圖5 不同儲存條件下LPG沸騰液體蒸氣爆炸危害范圍Fig.5 Hazard ranges of LPG boiling liquid expanding vapor explosion under different storage conditions

3.3 結(jié)果分析與討論

采用文中2.3的模擬方法，本文還模擬了20%管徑（30mm）以及完全破裂（設(shè)300mm）情況下，不同儲存條件下LPG儲罐事故危害范圍。當(dāng)泄漏孔徑為20%管徑（30mm）、100%管徑（150mm）以及完全破裂（設(shè)300mm）3種情況，常溫壓力儲存和低溫常壓儲存條件下LPG儲罐發(fā)生泄漏擴(kuò)散、噴射火、蒸氣云爆炸、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸時的危害范圍，見表5。

由5表中數(shù)據(jù)可知：

（1）當(dāng)泄漏孔徑為150mm時，常溫壓力儲存的LPG儲罐重度區(qū)、中度區(qū)、輕度區(qū)泄漏擴(kuò)散半徑分別為289m、370m、885m；低溫常壓儲存的LPG儲罐重度區(qū)、中度區(qū)、輕度區(qū)泄漏擴(kuò)散半徑分別218m、318m、822m。因此，LPG儲罐發(fā)生泄漏，常溫壓力儲存方式相較低溫常壓儲存泄漏擴(kuò)散的危害范圍大，更易導(dǎo)致液化石油氣擴(kuò)散至空氣中，若遇火源，更易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。

表5 不同儲存條件下LPG儲罐事故的危害范圍Tab.5 Hazard ranges of LPG accidents under different storage conditions

（2）當(dāng)泄漏孔徑分別為20%管徑（30mm）、100%管徑（150mm）以及完全破裂（設(shè)300mm）3種情況時，常溫壓力儲存和低溫常壓儲存條件下LPG儲罐發(fā)生泄漏擴(kuò)散、噴射火、蒸氣云爆炸，泄漏孔徑越大，危害范圍越大。

（3）其他條件不變，常溫壓力儲存和低溫常壓儲存條件下LPG儲罐發(fā)生泄漏擴(kuò)散、噴射火、蒸氣云爆炸、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸等不同事故類型，其危害范圍不同，危害范圍由大到小依次為蒸氣云爆炸、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸、泄漏擴(kuò)散、噴射火。

4 結(jié)論

本文通過對常溫壓力儲存和低溫常壓儲存兩種方式下LPG儲罐發(fā)生泄漏事故危害范圍的模擬，在分析比較結(jié)果的基礎(chǔ)上，得出結(jié)論：

（1）不同儲存方式下LPG儲罐發(fā)生泄漏事故，其危害范圍不同。常溫壓力儲存比低溫常壓儲存造成LPG泄漏擴(kuò)散的危害范圍大。因此，在今后的事故處置過程中，應(yīng)加強(qiáng)常溫壓力儲存LPG儲罐的泄漏擴(kuò)散的防控，防止更大范圍的擴(kuò)散。

（2）同種儲存條件下，不同泄漏孔徑、不同事故類型的LPG儲罐事故，其危害范圍也不同。泄漏口越大，事故危害范圍越大；蒸氣云爆炸、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸、泄漏擴(kuò)散、噴射火所造成的危害范圍存在由大變小的變化趨勢。

（3）由于不同LPG儲罐事故危害范圍的差異性，當(dāng)LPG儲罐發(fā)生泄漏事故，消防部隊(duì)不能判定儲罐的存儲方式、發(fā)生事故類型，應(yīng)按照最大危險原則，以常溫壓力儲存、且發(fā)生蒸氣云爆炸事故模式進(jìn)行決策、部署，提高處置人員安全，減低事故的風(fēng)險。