不同儲(chǔ)存條件下LPG儲(chǔ)罐泄漏事故危害范圍的對(duì)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(chǔ)量，已廣泛應(yīng)用于人類生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域?；贚PG的危險(xiǎn)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(cái)產(chǎn)損失。隨著LPG儲(chǔ)存方式的增多，LPG儲(chǔ)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(xiǎn)化學(xué)品單一事故泄漏擴(kuò)散的危害范圍，針對(duì)不同外部條件對(duì)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(duì)不同儲(chǔ)存條件下的LPG儲(chǔ)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(duì)不同存儲(chǔ)條件LPG儲(chǔ)罐泄漏事故的危害范圍進(jìn)行模擬，分析討論不同存儲(chǔ)條件對(duì)危害范圍的影響，掌握LPG儲(chǔ)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(chǔ)罐泄漏事故分析

1.1 LPG儲(chǔ)罐類型

按形狀分，LPG儲(chǔ)罐有球罐、臥罐和立罐。其中球罐、臥罐為常用的有兩種儲(chǔ)罐形式。球罐的容積較大，通常用作大型罐區(qū)集中儲(chǔ)存使用。臥罐主要用作小型加氣、儲(chǔ)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(chǔ)存要求。

1.2 LPG主要儲(chǔ)存方式

按溫度和壓力分，LPG可以采用常溫壓力儲(chǔ)存、低溫常壓儲(chǔ)存和低溫壓力儲(chǔ)存3種儲(chǔ)存方式[4]。其中，常溫壓力儲(chǔ)存是指LPG的儲(chǔ)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(chǔ)存方式，但該儲(chǔ)存方式的容器要求高，建設(shè)成本大。低溫常壓儲(chǔ)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(chǔ)存方式。該儲(chǔ)存方式儲(chǔ)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(duì)日常維護(hù)保養(yǎng)及制冷系統(tǒng)有較高要求。低溫壓力儲(chǔ)存方式是將低、中壓力和制冷結(jié)合起來的一種儲(chǔ)存方式。雖然該儲(chǔ)存方式為滿足低溫要求仍需采用制冷設(shè)備，但對(duì)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(chǔ)罐類型及儲(chǔ)存方式，見表1。

表1 儲(chǔ)罐類型及儲(chǔ)存方式Tab.1 Tank types and storage methods of LPG

1.3 LPG儲(chǔ)罐泄漏事故后果

處于運(yùn)行狀態(tài)下的LPG儲(chǔ)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(chǔ)存方式、儲(chǔ)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(xiǎn)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(shí)，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(chǔ)罐泄漏事故后果，如圖1。

圖1 LPG儲(chǔ)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(xiǎn)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(chǔ)罐最近，泄漏LPG物料最多，空氣中LPG濃度最大。若泄漏儲(chǔ)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(xiǎn)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(xiǎn)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(duì)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(xiǎn)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其毒性，針對(duì)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(chǔ)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有：熱強(qiáng)度、熱通量、熱通量-熱強(qiáng)度、熱通量-時(shí)間以及熱強(qiáng)度-時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。本文采用熱輻射通量準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)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(shí)間的長短對(duì)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(duì)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(píng)價(jià)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(huì)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)各類化學(xué)品儲(chǔ)罐進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和事故模擬[6]。應(yīng)用ALOHA軟件進(jìn)行模擬時(shí)，應(yīng)輸入物料性質(zhì)、時(shí)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(chǔ)氣站發(fā)生LPG泄漏事故。該儲(chǔ)氣站采用地上球罐儲(chǔ)存方式，儲(chǔ)罐體積2000m3。儲(chǔ)存條件：常溫壓力儲(chǔ)存條件下，儲(chǔ)存溫度21℃，充裝系數(shù)75%；低溫常壓儲(chǔ)存條件下，儲(chǔ)存溫度-47℃，常壓，充裝系數(shù)75%。儲(chǔ)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(shí)：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(duì)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(xiǎn)性判定指標(biāo)，用爆炸下限的百分比表示，得出常溫壓力儲(chǔ)存和低溫常用存儲(chǔ)條件下，LPG儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散的危害范圍，如圖2。

圖2 不同儲(chǔ)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(chǔ)罐成小孔泄漏時(shí)，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(chǔ)存和低溫常壓儲(chǔ)存條件下LPG儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)區(qū)域基本重合。

圖3 不同儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)存和低溫常壓儲(chǔ)存條件下LPG儲(chǔ)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(chǔ)罐嚴(yán)重?fù)p壞，已無法繼續(xù)承擔(dān)儲(chǔ)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(huì)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(chǔ)存和低溫常壓儲(chǔ)存條件下LPG儲(chǔ)罐沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸危害范圍，如圖5。

圖5 不同儲(chǔ)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(chǔ)存條件下LPG儲(chǔ)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(chǔ)存和低溫常壓儲(chǔ)存條件下LPG儲(chǔ)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(shí)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(shí)，常溫壓力儲(chǔ)存的LPG儲(chǔ)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(chǔ)存的LPG儲(chǔ)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(chǔ)罐發(fā)生泄漏，常溫壓力儲(chǔ)存方式相較低溫常壓儲(chǔ)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(chǔ)存條件下LPG儲(chǔ)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(shí)，常溫壓力儲(chǔ)存和低溫常壓儲(chǔ)存條件下LPG儲(chǔ)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(chǔ)存和低溫常壓儲(chǔ)存條件下LPG儲(chǔ)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(duì)常溫壓力儲(chǔ)存和低溫常壓儲(chǔ)存兩種方式下LPG儲(chǔ)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(chǔ)存方式下LPG儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏事故，其危害范圍不同。常溫壓力儲(chǔ)存比低溫常壓儲(chǔ)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(chǔ)存LPG儲(chǔ)罐的泄漏擴(kuò)散的防控，防止更大范圍的擴(kuò)散。

（2）同種儲(chǔ)存條件下，不同泄漏孔徑、不同事故類型的LPG儲(chǔ)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(chǔ)罐事故危害范圍的差異性，當(dāng)LPG儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏事故，消防部隊(duì)不能判定儲(chǔ)罐的存儲(chǔ)方式、發(fā)生事故類型，應(yīng)按照最大危險(xiǎn)原則，以常溫壓力儲(chǔ)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(xiǎn)。