基于QRA角度評(píng)價(jià)LNG儲(chǔ)罐類型的選擇*

楊凌鵬 耿孝恒 王衛(wèi)強(qiáng) 經(jīng)琥玉 杜勝男

(1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院 遼寧撫順113001； 2.濱州學(xué)院 山東濱州 256600)

0 引言

LNG接收站中幾乎均是大型和特大型儲(chǔ)槽，容積一般在4萬(wàn)m3以上，最大單罐容積可高達(dá)20萬(wàn)m3，一般采用立式圓柱形低溫常壓儲(chǔ)槽；中下游產(chǎn)業(yè)鏈多采用中小型儲(chǔ)存裝備，一般為立式圓柱形帶壓儲(chǔ)罐，但近年來(lái)，研究的深入使得球形罐等罐體儲(chǔ)存方式，常壓罐和帶壓罐聯(lián)合使用的方式逐漸得到認(rèn)可[1]，但這也使其存儲(chǔ)安全性得到廣泛重視，部分國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)LNG泄漏事故后果進(jìn)行了研究與分析:馬欣等[2]和師統(tǒng)麾[3]分別利用貝葉斯和RBI(基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè))詳細(xì)地分析了導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐失效泄漏的各類原因及其作用的主要路線;陳兵等[4]、閆曉等[5]和潘旭海等[6]利用仿真方法，主要針對(duì)環(huán)境因素和泄漏口類型對(duì)固定式LNG儲(chǔ)罐泄漏事故進(jìn)行了后果模擬，得出風(fēng)速及泄漏口的大小是最主要的影響因素。

雖然與LNG儲(chǔ)存相關(guān)的安全分析日漸豐富，但關(guān)于罐體類型與形狀對(duì)于LNG泄漏安全事故的影響的專項(xiàng)分析仍然較少，難以成體系，不足以為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐類型的選擇提供綜合指導(dǎo)意見。故而尋求從QRA角度，利用壓力和罐體類型等方面的區(qū)別對(duì)LNG儲(chǔ)罐泄漏事故進(jìn)行分析計(jì)算，分別為中小型LNG儲(chǔ)罐分析、大型LNG儲(chǔ)槽分析和帶壓LNG儲(chǔ)罐充注壓力對(duì)比分析專項(xiàng)，以期能夠更為完善地為其儲(chǔ)罐類型的選擇提供理論依據(jù)。

1 安全閾值

在事故定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程中，將其后果與行業(yè)公認(rèn)安全閾值進(jìn)行對(duì)比從而劃分出事故不同影響區(qū)域，其中采用的安全閾值主要來(lái)自AQ/T 3046—2013《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》，分為熱輻射閾值和超壓閾值，分別見表1和表2。

表1 熱輻射安全閾值

表2 超壓安全閾值

2 中小型LNG儲(chǔ)罐

2.1 立式圓柱儲(chǔ)罐

2.1.1 常壓罐

在低溫常壓圓柱罐中，分析基本參數(shù)見表3。其中最大充注比例如圖1所示。當(dāng)儲(chǔ)罐未知泄漏高度時(shí)，選擇中間高度處為泄漏點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算具有代表性；在已知泄漏點(diǎn)情況下，對(duì)于不同高徑比儲(chǔ)罐選擇同一高度進(jìn)行計(jì)算利于分析對(duì)比，具體高度詳見表4和表5。蒸汽云爆炸(VCE)延遲點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)為40 s。事故均由儲(chǔ)罐罐體泄漏導(dǎo)致，儲(chǔ)罐均處于最大充注水平(下同)。

表3 常壓圓柱罐計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)

圖1 LNG儲(chǔ)罐最大充注比例

由表4和表5可見，在相同容積條件下，無(wú)論是由中間高度還是相同高度泄漏，亦無(wú)論是中孔泄漏或是大孔泄漏，儲(chǔ)罐高度越高，即高徑比越大，事故影響范圍越大，這主要是因?yàn)閮?chǔ)罐高度越高使得泄漏點(diǎn)距儲(chǔ)液面的高度越大，導(dǎo)致泄漏點(diǎn)處的壓力更高。且罐體越高，罐體本身的穩(wěn)定性越差，在高處越易受到影響，因此，常壓圓柱罐應(yīng)盡量選擇高徑比較小的儲(chǔ)罐以減小事故發(fā)生后的影響范圍。

表4 中間高度泄漏比較

表5 等高度泄漏比較

2.1.2 帶壓罐

帶壓罐計(jì)算基本參數(shù)見表6。這里由于儲(chǔ)罐壓力較高，故由池火災(zāi)改為關(guān)注更易發(fā)生的噴射火的影響范圍。

表6 帶壓圓柱罐計(jì)算基本參數(shù)

在不同高徑比情況下得到的事故后果見表7。在壓力罐事故中，儲(chǔ)罐充注壓力對(duì)事故后果起主導(dǎo)作用，此時(shí)高徑比的影響微乎其微，不同高度處泄漏影響范圍不會(huì)隨著高徑比的變化而改變。

表7 圓柱壓力罐事故后果

2.2 球形罐與圓柱罐

2.2.1 常壓罐對(duì)比

選取設(shè)計(jì)容積為215.5 m3的常壓儲(chǔ)罐，其余參數(shù)同表3。將球形罐與等高的圓柱罐的事故后果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2和圖3所示(兩種儲(chǔ)罐中孔池火災(zāi)影響均小于10 m, 故未畫出)。對(duì)于幾類常見泄漏安全事故，常壓球形罐均比相同高度的圓柱罐事故影響范圍小，且由2.1.1節(jié)常壓圓柱罐結(jié)論還可推知，也一定比高度大于其直徑的圓柱罐影響范圍更小。但計(jì)算沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸(BLEVE)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其影響范圍只與壓力有關(guān)，與儲(chǔ)罐形狀及高徑比均無(wú)關(guān)系。但從整體上看，出于安全考慮，當(dāng)對(duì)儲(chǔ)罐高度有一定要求時(shí)，球形罐是更為合理的選擇。

圖2 常壓球形罐與圓柱罐中孔事故影響比較

圖3 常壓球形罐與圓柱罐大孔事故影響比較

2.2.2 帶壓罐對(duì)比

使用2.2.1節(jié)基本參數(shù)，將帶壓球形罐與等高的帶壓圓柱罐的事故后果進(jìn)行比較。結(jié)果見表8，其中括號(hào)中的數(shù)字為圓柱罐與球型罐結(jié)果不同的數(shù)據(jù)。在充注較高壓力時(shí)，球形罐與圓柱罐泄漏事故安全影響范圍基本一致且很大程度上取決于壓力與容積，但當(dāng)泄漏點(diǎn)高度差較大時(shí)，泄漏高度對(duì)影響范圍有微弱影響。綜合考慮球形罐受壓均勻，抗壓性能更好，故相比圓柱罐發(fā)生事故的可能性較低，所以在帶壓儲(chǔ)存方面球形罐仍是更好的選擇。

3 大型LNG儲(chǔ)槽

大型LNG儲(chǔ)槽現(xiàn)以立式低溫常壓圓柱罐為主，球罐等其他類型儲(chǔ)槽的研究正在進(jìn)行當(dāng)中。分析基本參數(shù)見表9。分析采用常用壓力罐充注壓力范圍的壓力值：0.3～0.8 MPa；VCE點(diǎn)火位置距泄漏點(diǎn)80 m(下同)；事故均由儲(chǔ)罐罐體大孔泄漏導(dǎo)致；在PHAST軟件中均關(guān)注事故下風(fēng)向影響距離。

表8 帶壓罐事故后果

表9 LNG儲(chǔ)槽計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)

分析計(jì)算結(jié)果見表10。不同于中小型儲(chǔ)罐壓力罐與常壓罐的區(qū)別，在大型儲(chǔ)槽中，雖然事故后果會(huì)隨著壓力的增加而呈上升趨勢(shì)，但增幅甚小，這主要是由于大型儲(chǔ)罐在離地面不高的泄漏點(diǎn)處，自身重量造成的壓力對(duì)其后果起到支配作用，常用范圍內(nèi)的壓力影響很小，這樣也會(huì)大大抑制儲(chǔ)罐內(nèi)部蒸發(fā)氣體(BOG)的產(chǎn)生。若繼續(xù)增大壓力至數(shù)兆帕，也許會(huì)對(duì)大型儲(chǔ)槽泄漏安全事故的影響范圍產(chǎn)生較大差別，更加強(qiáng)有力的抑制BOG的生成，但同時(shí)會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐材料提出更高的抗壓要求，且當(dāng)儲(chǔ)槽內(nèi)一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定工況時(shí)，儲(chǔ)槽極易發(fā)生安全事故，這樣又會(huì)造成安全性能的降低。故對(duì)于大型儲(chǔ)槽，常壓儲(chǔ)存方式是性價(jià)比更高的選擇。

表10 大型LNG儲(chǔ)槽泄漏事故影響范圍

4 壓力罐充注壓力對(duì)比

為了探究中小型壓力罐中壓力與事故后果的具體關(guān)系，對(duì)不同壓力下的各種事故的大孔泄漏進(jìn)行了分析計(jì)算。分析基礎(chǔ)參數(shù)見表11，其中儲(chǔ)罐底部附管直徑0.1 m，長(zhǎng)度為10 m。

表11 對(duì)比分析專項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)

計(jì)算結(jié)果分別見表12和表13，將各種安全事故的輕傷影響范圍繪制成圖，如圖4和圖5所示。隨著儲(chǔ)罐壓力的升高，LNG氣化后會(huì)被壓力驅(qū)使至更遠(yuǎn)的區(qū)域，故會(huì)導(dǎo)致處于爆炸濃度內(nèi)的氣體范圍增大，所以VCE和BLEVE會(huì)隨著壓力增大而小幅增加影響范圍。但儲(chǔ)罐壓力增加也意味著發(fā)生泄漏時(shí)壓降速率增加，在事故發(fā)展后期有可能會(huì)出現(xiàn)泄漏點(diǎn)處的壓力小于充注壓力較小的同樣工況下的壓力的情況，故而會(huì)導(dǎo)致噴射火和池火災(zāi)并未表現(xiàn)與爆炸后果一致的規(guī)律：噴射火在0.3 MPa到0.5 MPa之間出現(xiàn)了下滑的趨勢(shì)，隨后其影響范圍才逐漸增加，而至最后，壓力為0.7 MPa和0.2 MPa時(shí)的影響范圍相差無(wú)幾；池火災(zāi)一反常態(tài)，隨著壓力的增加影響范圍反而減小。由上可知，減小儲(chǔ)罐充注壓力并非能夠縮小任意類型泄漏事故的影響范圍，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，對(duì)出現(xiàn)概率最高類型的安全事故進(jìn)行分析計(jì)算，找出最佳的充注與設(shè)計(jì)壓力，例如：某地常用800 m3儲(chǔ)罐，當(dāng)其BLEVE和噴射火發(fā)生的概率最大時(shí)，由圖8可得知，出于安全考慮，0.5 MPa即為較為合適的充注壓力。當(dāng)然，除此之外，根據(jù)結(jié)果還可知，應(yīng)對(duì)壓力罐區(qū)設(shè)置防火墻或隔熱墻以控制爆炸的影響范圍；在儲(chǔ)罐周圍應(yīng)裝置撬裝式防火圍堰以大大減小池火災(zāi)的熱輻射范圍；加強(qiáng)明火檢測(cè)和管理以防止大型爆炸事故的發(fā)生。

表12 VCE和BLEVE超壓影響范圍

表13 Pool Fire和Jet Fire熱輻射影響范圍

圖4 VCE和BLEVE超壓輕傷影響范圍

圖5 Pool Fire和Jet Fire熱輻射輕傷影響范圍

5 結(jié)論

根據(jù)以上對(duì)于LNG各種儲(chǔ)罐類型的分析與計(jì)算，從QRA角度，最終得出如下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)在中小型各類常壓罐中，立式圓柱形罐應(yīng)盡量選擇高徑比較小，接近1的罐體；球形罐比具有相同或更高高度的圓柱罐安全性更高。對(duì)于中小型儲(chǔ)罐帶壓儲(chǔ)存方式，壓力對(duì)泄漏安全事故的影響范圍起到支配作用，此時(shí)罐體形狀和高徑比對(duì)后果影響不大。

(2)對(duì)于大型LNG儲(chǔ)槽，雖然常壓儲(chǔ)槽和帶壓儲(chǔ)槽泄漏安全事故后果范圍相差不大，但如若選擇帶壓儲(chǔ)存來(lái)抑制BOG的產(chǎn)生，欲達(dá)到和中小型儲(chǔ)罐對(duì)于BOG有相同的抑制作用需要跨越現(xiàn)有常用范圍內(nèi)的壓力，這樣就會(huì)大大提高對(duì)于材料和工藝技術(shù)的要求，且又降低了安全性，故而，大型LNG儲(chǔ)槽選擇常壓儲(chǔ)存的方式更合適。

(3)對(duì)于不同的泄漏事故類型，隨著儲(chǔ)罐壓力的增加其影響范圍表現(xiàn)出了不同的變化趨勢(shì)，這表明并非隨著壓力增加所有事故的影響范圍都會(huì)增加，這就需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析與計(jì)算以選取最適合的設(shè)計(jì)與充注壓力。