LNG儲罐泄漏風險定量評估

郭文杰，賈新磊，曹 青，申建軍，胡瑩瑩

(1.濱州學院 化工與安全學院，山東 濱州 256600；2.濱州市化工過程安全重點實驗室，山東 濱州 256600)

1 某LNG加氣站儲罐區(qū)概況

本文以某LNG加氣站儲罐區(qū)為例分析，研究其在發(fā)生泄漏后產(chǎn)生的次生衍生災害事故。儲罐區(qū)共有3個LNG儲罐，儲罐最大容積為100m3，各儲罐之間的距離為55m，儲罐其它參數(shù)如表1所示。本模擬選取物料成分為甲烷，單罐容積為100m3，模擬泄漏部位為DN50的管道進行計算，對其產(chǎn)生的次生災害如池火災、噴射火，蒸氣云爆炸等做定量分析，中毒窒息災害以及產(chǎn)生的衍生災害做定性分析。

2 池火災數(shù)值模擬定量分析

2.1 池火災

LNG儲罐泄漏后的揮發(fā)氣與空氣混合形成可燃氣體混合物，遇到點火源被引燃，火焰蔓延至整個液池表面，隨著火勢的加大，其燃燒速率會趨于穩(wěn)定發(fā)展階段。本文通過池火災后果模型計算池火災后果嚴重程度，主要是分析池火產(chǎn)生的熱輻射通量以及火災擴散距離，以此為依據(jù)分析池火的傷害范圍以及在不同傷害范圍內(nèi)的次生災害，衡量其危害后果。

2.2 參數(shù)設(shè)定

利用風險評估軟件模擬軟件中后果模塊的池火災模型模擬LNG儲罐泄漏，根據(jù)實際儲罐設(shè)置池火災模型參數(shù)，如表1所示。本次模擬以《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50183-2004)為參照標準，以熱輻射通量和池火半徑作為主要研究參數(shù)，分析產(chǎn)生的事故后果。

表1 池火災模擬參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

在風險評估軟件定量風險分析軟件中設(shè)置LNG儲罐泄漏的基本參數(shù)，選擇所要模擬的災害事故即池火災，運行計算后輸出圖表分析，可以得到池火災發(fā)生時的下風向擴散距離，如圖1所示，也可以得到池火災的熱輻射通量以及致死率半徑，具體結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖1 池火災熱輻射水平與下風向擴散距離

由圖1可知，隨著引燃時間的延長，池火災發(fā)生的嚴重程度也在不斷加大，其下風向擴散的距離也在不斷增加，可擴散至25m左右。當距離池火災發(fā)生處7m左右時池火災的最高熱輻射水平達到了90KW/m2，此時對人體危害最嚴重，最高熱輻射水平維持3m后才出現(xiàn)逐漸下降趨勢，因此在發(fā)現(xiàn)有出現(xiàn)池火災的勢頭時，有必要在其擴散至7m之前采取防范措施對池火災進行控制，使其火勢不再繼續(xù)蔓延，造成更大的危害。

由圖2和圖3我們可以看出隨著下風向擴散距離的增加，池火災的熱輻射通量逐漸減小，當池火災擴散至12m左右時，熱輻射通量達到最高值為37.5kW/m2，由表3可知此時如果有相關(guān)人員在此范圍內(nèi)，1min內(nèi)致死率為100%，有1%的人會在10s內(nèi)死亡，周圍的生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備將會受到嚴重破壞。當熱輻射通量對人員的危害降至相對安全范圍時，此時致死率為1%，距離池火災發(fā)生處大約為23m，在此范圍內(nèi)暴露長時間人員會感到疼痛但不會造成很大傷害，故而當發(fā)生池火災事故時，最好將附近相關(guān)人員疏散至23米開外，且23米之內(nèi)不設(shè)置重要設(shè)備設(shè)施。

圖2 池火災熱輻射通量

圖3 池火災致死率及半徑

3 噴射火數(shù)值模擬定量分析

3.1 噴射火

LNG儲存在高壓儲罐，一旦發(fā)生泄漏形成射流，在泄漏口處遇點火源被引燃，形成噴射火。本文通過噴射火模型計算出LNG儲罐泄漏產(chǎn)生的噴射火火球直徑及熱輻射通量，估計其影響范圍以及在此影響范圍內(nèi)的次生災害事故。

3.2 參數(shù)設(shè)定

利用風險評估軟件后果模塊中的噴射火模型進行模擬計算，設(shè)置儲罐相關(guān)參數(shù)，以熱輻射通量和火球直徑為參數(shù)分析事故后果嚴重程度，并提出相關(guān)防范措施，具體參數(shù)見表2所示。

表2 噴射火模擬參數(shù)

3.3 結(jié)果分析

在風險評估軟件定量風險分析軟件中輸入LNG儲罐泄漏的基本參數(shù)，選擇所要模擬的災害事故即噴射火，運行計算后輸出圖表分析，可以得到噴射火發(fā)生時的下風向擴散距離與熱輻射水平，如圖4所示，也可以得到噴射火的致死率半徑以及熱輻射通量，具體結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖4 噴射火擴散距離及熱輻射水平

圖5 噴射火寬度及致死率半徑

圖6 噴射火寬度及熱輻射通量

由圖4表明，在1.5m/s風速條件下，隨著噴射火火災分布范圍的增加，前5m范圍內(nèi)熱輻射水平不斷上升，5m到43m范圍內(nèi)趨于平緩，熱輻射通量保持在同一個數(shù)值44KW/m2，達到發(fā)生噴射火事故后熱輻射通量的最高值，當擴散距離大于45m時熱輻射通量逐漸降低，而且由圖6我們也可以看到距離火災發(fā)生處47m的這一段范圍內(nèi)熱輻射強度最高，距離遠于71m之后才能到達相對安全范圍，此時的致死率由圖5可知小于1%。以上數(shù)據(jù)表明，當發(fā)生噴射火事故時，為了降低事故后果，減少人員傷亡，需要將人員疏散至70m開外的空曠地帶，才能不至于被噴射火所產(chǎn)生的熱輻射造成傷害。

4 蒸氣云爆炸數(shù)值模擬定量分析

4.1 蒸氣云爆炸

LNG發(fā)生泄漏后形成一定尺寸的蒸氣云，足夠量空氣進入蒸氣云后經(jīng)過混合形成爆炸性混合物，遇點火源引燃后發(fā)生蒸氣云爆炸，火焰加速傳播并加熱鄰近的儲罐，其中爆炸產(chǎn)生的沖擊波對周圍人群以及建筑設(shè)備的傷害程度極大。若蒸氣云爆炸進一步發(fā)展，會對周圍設(shè)施或相鄰儲罐等引發(fā)二次災害，造成多米諾效應。本文主要通過風險評估軟件后果模塊中的TNT當量模型計算爆炸時的爆炸超壓、死亡半徑、重傷半徑等，分析其發(fā)生爆炸事故的傷害范圍，其爆炸超壓的強度范圍見表3。

表3 爆炸超壓強度范圍

4.4.2 參數(shù)設(shè)定

通過風險評估軟件后果模塊中的蒸氣云模型，設(shè)定研究范圍的最遠距離為400m，儲罐形狀選擇圓柱形，爆炸形式選擇地面爆炸，模擬狀態(tài)選擇理想氣體爆炸運行計算，其余儲罐泄漏參數(shù)見表4。

表4 蒸氣云爆炸模擬參數(shù)

4.4.3 結(jié)果分析

在風險評估軟件定量風險分析軟件中輸入LNG儲罐泄漏的基本參數(shù)，選擇所要模擬的災害事故即蒸氣云爆炸，運行計算后輸出圖表分析，可以得到蒸氣云爆炸最壞情況下的超壓與擴散距離以及蒸氣云爆炸半徑，具體結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 蒸氣云爆炸最壞情況下的超壓與擴散距離

圖8 蒸氣云爆炸最壞情況下的擴散距離與爆炸半徑

由圖7我們可以看出蒸氣云爆炸在三種不同氣壓下的具體情況，分別為0.02068 bar、0.1379 bar和0.2068 bar(1 bar=0.1MPa)，在距離爆炸發(fā)生處順風距離104m處達到爆炸超壓極限值1 bar，并保持該極限值持續(xù)順風擴散了32m左右，此時由表5知當爆炸超壓達到0.1MPa時，人員死亡率可以達到100%，故此時對人體傷害程度最大。在距離爆炸發(fā)生處順風距離136m時其爆炸超壓才呈現(xiàn)急劇下降的趨勢，擴散至順風距離330m時超壓降至最低為0.025 bar，在此范圍內(nèi)已經(jīng)到達了安全區(qū)，人員的身體健康得到了保證。圖8是在三種沖擊波超壓下得出的最壞情況的爆炸半徑，其中0.02068 bar情況下不對人群構(gòu)成威脅，周圍建筑玻璃窗會損壞，由圖8知傷害半徑大約為側(cè)風距離215m。0.1379 bar情況下對人員傷害程度不大，周圍建筑設(shè)施的玻璃可能會破碎，由圖8知傷害半徑大約為側(cè)風距離55m。0.2068 bar情況下對人員造成傷害，周圍建筑墻體會出現(xiàn)裂縫等災害，由圖8知傷害半徑大約為側(cè)風距離41m左右。

5 衍生災害的定性分析

LNG成分中還存在有少量的氣味非常濃烈且難聞的硫化氫氣體，當LNG儲罐發(fā)生泄漏并接收熱量后，LNG會蒸發(fā)并擴散至空氣中，造成環(huán)境的污染。此外LNG本身是低溫存儲的液體，當出現(xiàn)泄漏口時，會流淌到地面形成液池，這也是前面提到的池火災發(fā)生的導火索，如果相關(guān)工作人員沒有注意到LNG泄漏，則其液池面積會越來越大，當LNG氣化站附近有河流時，會隨著時間的延長，液池逐漸流入河流中，造成水體污染，嚴重的話會感染水中的生物，誘發(fā)新病毒的產(chǎn)生，繼而威脅到人類的生命健康。

6 結(jié)論

通過風險評估軟件模擬了LNG泄漏所產(chǎn)生的池火，噴射火和蒸氣云爆炸的發(fā)生狀況，定量分析了這些災害的嚴重程度，對于泄漏所產(chǎn)生的中毒窒息和其它衍生災害等定性分析了產(chǎn)生的事故后果，本文得出結(jié)論如下：

(1)當池火災發(fā)生時，越早控制越好，盡量不要讓火勢蔓延至晚期，當距離池火災發(fā)生處順風距離12m時為池火的死亡半徑，順風距離23m時為輕傷半徑，某LNG加氣站儲罐區(qū)各儲罐間距離為55m，故發(fā)生池火災時對相鄰儲罐的危害不是很大，主要是注重人員的撤離。

(2)噴射火的死亡半徑為順風距離47m，輕傷半徑為順風距離71m，考慮到個相鄰儲罐間距為55m，此時容易引起相鄰罐體發(fā)生火災爆炸事故，因此需在LNG儲罐工作區(qū)間內(nèi)安裝監(jiān)測報警裝置，及早發(fā)現(xiàn)火災控制火勢。

(3)蒸氣云爆炸時安全半徑大約為側(cè)風距離215m，輕傷半徑大約為側(cè)風距離41m左右，但側(cè)風距離55m時會對周圍的建筑設(shè)施等產(chǎn)生影響，以儲罐間距55m為例，會引發(fā)相鄰罐體的爆炸，因此對于工種場所內(nèi)含有LNG儲罐區(qū)的工廠，注意設(shè)置好儲罐的安全間距，避免二次爆炸事故。