LNG 液艙翻滾事故時透氣桅泄放后果定量分析

劉洪亮，虞 瑋，范紅建，樂小龍，蔡 常

（1. 上海船舶研究設計院，上海 201203；2. 南通中集太平洋海洋工程有限公司，江蘇南通 226251）

0 引言

天然氣作為一種清潔、經濟、高效能源，已在經濟的快速發(fā)展和不斷增長的能源需求下，被作為一種安全性高、低排放的綠色清潔能源廣泛推廣。

目前，液化天然氣的長距離貿易和運輸主要依靠與液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）運輸船。LNG運輸船被公認為“高技術、高難度、高附加值”的“三高”產品，被稱為皇冠上的明珠，LNG運輸船在航運過程中發(fā)生事故極有可能引發(fā)連鎖反應，造成不可估量的人員傷亡和財產損失。

LNG液貨艙作為LNG接收站與LNG船裝卸操作的重要核心設備，其平穩(wěn)、高效、安全運行是整個LNG雙燃料動力船保持正常運轉的關鍵。

目前根據國際液化天然氣進口國集團（GIIGNL）2018年底的統計數據，LNG液貨艙中薄膜型液貨艙（Membrane）占70%，Moss型獨立球形液貨艙占23%，其他如C型壓力罐和及自立方型貨艙SPB占7%[3]。在工藝系統設計中薄膜艙的承壓能力較低，當在裝卸貨物、加注和正常航行中，受波浪載荷、環(huán)境因素、溫度變化等，易引起薄膜型液貨艙發(fā)生晃蕩、產生分層和翻滾現象，引起LNG液貨艙壓力升高。且，若遇電站故障、LNG液貨艙主屏蔽損壞、氣體燃燒裝置（Gas Combustion Unit，GCU）和再液化同時故障無法使用等非正常工況時，產生過多蒸發(fā)氣（Boil off Gas，BOG）無法及時處理，也將引成LNG液貨艙內壓力迅速升高，導致設備超壓，使液貨艙受到損害。為防止LNG液貨艙超壓損壞，過多的BOG將通過透氣桅直接放空至大氣中，而LNG具有超低溫（-162 ℃）和易燃易爆雙重危險特性，一旦泄放至環(huán)境中，將造成可燃氣云擴散或遇點火源發(fā)生火災爆炸，可能造成極為嚴重的后果。

因此，透氣桅泄放作為LNG液貨罐超壓保護措施，其泄放口徑、泄放方向、安裝高度、火災熱輻射計算等是否合理將直接關系到LNG液貨艙的本質安全，也將影響到主甲板和上部模塊設備設施、人員安全的重要因素。

本文將以在建20 000 m3LNG運輸加注船為研究對象，采用火災爆炸分析（Fire and Explosion Analysis，FEA）方法基于DNG-GL PHAST軟件對大空間尺度的實際LNG雙燃料動力船中透氣桅事故泄放事件進行火災熱輻射模擬研究，為優(yōu)化透氣桅選型、工藝系統設計、安裝高度及布置、透氣桅設定壓力等提供意見，指導工程設計。

20 000 m3LNG運輸加注船由上海船舶研究設計院（簡稱“SDARI”）為STOLT-NIELSEN GAS B.V.研發(fā)設計，由南通中集太平洋海洋工程有限公司建造，本船布置3個C型雙胞胎儲藏罐，最大裝載量為20 000 m3，本船在傳種布置4個透氣桅支管，透氣桅支管高度13 m，出口管徑DN350，出口溫度-136 ℃。

1 FEA 方法介紹

火災爆炸分析（FEA）是基于事件樹原理，辨識危險源，對危險源的事故發(fā)生概率和事故后果的嚴重程度進行量化分析，并根據風險矩陣得到風險值大小，從而提出風險減緩措施，必要時給出風險減緩措施使風險降低到可接受水平。其方法框圖見圖1。

圖1 FEA 方法流程

1）系統定義，即確定分析范圍，明確系統潛在的風險場所、裝置或作業(yè)行為，確定分析邊界、裝置種類和位置、作業(yè)行為的類別等[5]。

2）數據資料收集，包括站址信息、總體布置、設計基礎、設備清單、工藝流程圖；收集分析區(qū)域的氣相數據、自然條件、人口分布狀況；確定評價區(qū)域和周邊明顯或潛在點火源。

3）危險源辨識，辨識潛在危險源、危險源可能對人員安全、財產及環(huán)境帶來影響。

4）頻率分析，對辨識出來的危險源進行頻率分析，確定初始泄漏頻率和危險事件的頻率。

5）后果分析，通過事件數確定各種事故造成的后果傷害模型，模擬計算得到火災熱輻射、可燃氣云擴散、爆炸超壓或毒物濃度擴散等。

6）基于計算結果，提出減緩措施，使得風險降低到可接受水平。

2 輸入條件

2.1 數學模型和基本方程

當液貨艙發(fā)生翻滾時，其泄放量常采用CFD方法計算LNG氣體擴散火災等過程。本次評估將采用CFD的方法，求解一組描述流體特性的質量、動量、能量以及組分守恒方程[4]。

式中：φ為通用求解變量；ρ為氣體密度；xj為j方向上積分；μi為i方向上的速度矢量；τφ為擴散系數；Sφ為源項。

采用有限體積法，對湍流、化學湍流和化學反應影響利用SIMPLE算法，計算在相關方程中。并配合邊界條件來求解計算區(qū)域中燃燒產物、火焰速度及燃料消耗量等變量的值[5]。

文中LNG液貨艙透氣桅泄放熱輻射采用離散傳遞模型（Discrete Transfer Model，DTM）[7]進行計算。氣體泄漏的排放系數取0.85；液體和兩相流泄漏排放系數取0.61。可燃氣云擴散平均時間采用PAHST默認值，即18.75 s，以表征10 min時間內風流擾動對某特定位置氣云濃度的影響[6]。

2.2 輸入條件

本船LNG液貨艙為C型貨罐，設計壓力為0.54 MPa，頂部設有4個透氣桅支管。透氣桅支管出口管徑為DN350，出口泄放壓力0.54 MPa，出口泄放溫度-136 ℃，豎直泄放，高度13 m（主甲板以上），單個透氣桅支管泄放時質量流速為57 721.39 kg/h，4個同時泄放時，泄放質量流速為2 330 885.56 kg/h。本文將選取最壞場景即4個透氣桅同時泄放開展可燃氣云擴散及火災模擬，見圖2。

圖2 C 型LNG 液貨艙

基于LNG雙燃料動力船運行海域所在區(qū)域的風玫瑰（見圖3）、NFPA 59A規(guī)定的天氣條件和Pas-Quill-Gifford大氣穩(wěn)定度，本次采用的氣相條件見表1。風向考慮最壞風向，即風吹向船首方向；火災持續(xù)時間為3 600 s。

圖3 LNG 接收站風玫瑰

表1 選取的氣相條件

3 透氣桅泄放火災模擬

3.1 閾限值

LNG具有超低溫（-162 ℃）和易燃易爆雙重危險特性，當透氣桅泄放時，將造成可燃氣云擴散，若在擴散過程中遇到點火源則將發(fā)生噴射火火災，可能造成極為嚴重的后果。此時，噴射火產生的高溫熱輻射可能對主甲板設備設施、平臺結構造成損害。

基于ISO 13702—2015、API RP 2FB—2006、Purple Book給出的最大熱輻射推薦值，室外人員暴露于熱輻射的致死率的原則如下：

熱輻射的Probit方程為

式中：t為暴露時間，s；Q為熱輻射強度，W/m2。

人員暴露最大允許的可接受熱輻射值見表2。

表2 人員暴露最大允許熱輻射值

若已發(fā)生噴射火，則參考API Std 521∶2007的規(guī)定評估熱輻射對人員應急疏散的影響，以及透氣桅泄放被點燃對地面人員的影響，如表3中的數值。

表3 對人員應急疏散影響的推薦熱輻射強度

表3 對人員應急疏散影響的推薦熱輻射強度（續(xù)）

3.2 透氣桅泄放時可燃氣云擴散分析

4個透氣桅支管同時泄放時在下風向上最大氣云擴散的范圍見表4。

表4 4 個透氣桅泄放氣體擴散危害影響距離

根據上表4個透氣桅同時泄放時可燃氣體擴散影響距離可知：在同一大氣穩(wěn)定度下，隨著風速的增大，50%可燃下限濃度水平擴散范圍逐漸變大。這是由于風速越大，可燃氣云很快被稀釋，吹至更遠的地方；在同一風速下，大氣越不穩(wěn)定，豎直方向運動越劇烈，50%可燃下限濃度豎直擴散距離越高。當氣相為2B時，50%可燃氣云在豎直方向的影響范圍最大，擴散最大高度可達66.63 m；在10.8D氣相條件下，50%可燃氣云在水平方向上的影響范圍最大，擴散最遠距離可達18.27 m。該事件氣云擴散影響距離見圖4和圖5。

圖4 4 個透氣桅在2B 氣相下可燃氣體擴散側視圖

圖5 4 個透氣桅在10.8D 氣相下可燃氣體擴散側視圖

以上結果可以看出，在2.0B氣相條件下，4個透氣桅支管同時泄放產生的LNG 50%可燃下限濃度距離在豎直方向的影響范圍最大，可達66.63 m；在10.8D氣相條件下，在水平方向上的影響范圍最大，可達18.27 m。

建議在主甲板及上部模塊區(qū)域布置合理的可燃氣體探測設施。一旦透氣桅出現事故泄放，人員可盡快撤離。

3.3 透氣桅泄放時火災熱輻射分析

當透氣桅在13 m高度發(fā)生豎直排放時，發(fā)生噴射火在泄放口處的熱輻射影響范圍見表5和表6。

根據表5和表6中4個透氣桅支管同時泄放時發(fā)生火災熱輻射影響距離可知：隨著風速的增大，透氣桅泄放造成的噴射火熱輻射影響距離越大。這是由于風速越大，噴射火火焰被吹至更遠的地方；同一風速不同大氣穩(wěn)定度下透氣桅泄放產生的噴射火熱輻射影響距離一樣；當風速為10.8 m/s時其熱輻射影響范圍最大。該事件熱輻射影響距離見圖6和圖7，在10.8 m/s順風向下熱輻射影響距離見圖8和圖9。

圖6 4 個透氣桅同時泄放噴射火熱輻射影響

圖7 4 個透氣桅同時泄放噴射火熱輻射影響正視圖

圖8 4 個透氣桅同時泄放噴射火熱輻射影響

圖9 4 個透氣桅同時泄放噴射火熱輻射影響正視圖

表5 4 個透氣桅同時泄放噴射火熱輻射影響范圍

表6 4 個透氣桅同時泄放噴射火熱輻射影響范圍

從以上模擬結果可知，當發(fā)生LNG液貨艙超壓導致4個透氣桅支管同時泄放時：

1）主甲板以上且透氣桅泄放口93 m以內的區(qū)域可能遭受5 kW/m2的熱輻射；若有人員暴露，皮膚的疼痛閾值約15 s，暴露2 min后2度燒傷。

2）主甲板以上且透氣桅泄放口64 m以內的區(qū)域可能遭受12.5 kW/m2的熱輻射；若有人員暴露，皮膚的疼痛閾值約4 s，暴露40 s后2度燒傷，1度燒傷10 s，1 min內1%死亡。

3）主甲板9.5 m以上且透氣桅泄放口44 m以內的區(qū)域可能遭受37.5 kW/m2的熱輻射；若有人員暴露，皮膚的疼痛閾值幾乎是瞬間，暴露2 s后2度燒傷，10 s內1%死亡，1 min內100%死亡。

4）主甲板以上且透氣桅泄放口150 m以內的區(qū)域可能遭受1.58 kW/m2的熱輻射；開展應急救援時，有合適服裝的人員可以在這些地點內連續(xù)暴露的最大熱輻射強度。

5）主甲板以上且透氣桅泄放口95 m以內的區(qū)域可能遭受4.73 kW/m2的熱輻射；開展應急救援時，該區(qū)域內沒有熱輻射屏蔽但有合適服裝的人員最多在2 min～3 min內采取應急措施。

6）主甲板以上且透氣桅泄放口83 m以內的區(qū)域可能遭受6.31 kW/m2的熱輻射；開展應急救援時，該區(qū)域內沒有熱輻射屏蔽但有合適服裝的人員最多在30秒內采取應急措施。

7）主甲板以上且透氣桅泄放口70 m以內的區(qū)域可能遭受9.46 kW/m2的熱輻射；開展應急救援時，進入或者工作在該區(qū)域的人員需配備熱輻射屏蔽措施或者特殊的防護服裝（比如隔熱服）。

8）Dry Powder、吊機和逃生安全通道等，可能會受到12.5 kW/m2～37.5 kW/m2的熱輻射影響，不能有人員暴露。

9）Dry Powder STR、LNG加注站、LNG Machinery room等區(qū)域，可能會受到5 kW/m2～12.5 kW/m2的熱輻射影響，人員暴露2 min后至少會造成2度燒傷。建議上述區(qū)域盡可能減少人員暴露時間，且進入該區(qū)域時應穿戴硬質帽子、袖口有扣子的長袖襯衫、工作手套、長褲和工鞋等合適服飾。

考慮到4個透氣桅同時泄放對主甲板及上部模塊的熱輻射影響，建議根據LNG雙燃料動力船的總圖布置、風向及氣候條件適當增加透氣桅出口支管高度，增加透氣桅出口的動背壓，降低閥門的流通能力。同時，LNG雙燃料動力船發(fā)生非常規(guī)及應急操作時，應考慮熱輻射1.58 kW/m2、4.73 kW/m2、6.31 kW/m2、9.46 kW/m2對人員應急疏散的影響范圍，在合適地點穿戴合適服飾開展應急疏散。

根據NFPA 59A—2013，泄壓裝置在最大泄放速率下發(fā)生泄放的概率極低（2×10-5/年），故由此導致的火災事件概率更低。但根據行業(yè)記錄，曾發(fā)生過類似事件，建議根據透氣桅泄放造成的可燃氣云擴散范圍，嚴格控制點火源存在的可能性并在泄放口設置合適滅火裝置。同時對主甲板及上部模塊相關設備設施設置一定的熱輻射防護措施，噴涂防火涂層和消防噴淋裝置。

4 結論

本文針對LNG雙燃料動力船在遇到電站故障、LNG液貨艙主屏蔽損壞、GCU和再液化同時故障無法使用等工況，造成LNG液貨艙內壓力升高、透氣桅泄放事件，采用火災爆炸分析（FEA）方法，基于DNG-GL PHAST軟件對不同風速、風向、大氣穩(wěn)定度下透氣桅泄放事件開展可燃氣云擴散、火災熱輻射模擬研究，結論如下：

1）在同一大氣穩(wěn)定度下，當風速增大時，50%可燃下限濃度水平擴散范圍逐漸變大；在同一風速下，大氣越不穩(wěn)定，50%可燃下限濃度豎直擴散距離越高。

2）在2.0B氣相條件下，4個透氣桅支管同時泄放產生的LNG 50%可燃下限濃度距離在豎直方向的影響范圍最大，可達66.63 m；在10.8D氣相條件下，在水平方向上的影響范圍最大，可達18.27 m。

3）建議在主甲板及上部模塊區(qū)域布置合理的可燃氣體探測設施。一旦透氣桅出現事故泄放，人員可盡快撤離。

4）在同一大氣穩(wěn)定度下，隨著風速的增大，透氣桅泄放造成的噴射火熱輻射影響距離越大；同一風速不同大氣穩(wěn)定度下透氣桅泄放產生的噴射火熱輻射影響距離一樣；當風速為10.8 m/s時其熱輻射影響范圍最大。

5）Dry Powder、吊機和逃生安全通道，可能會受到12.5 kW/m2～37.5 kW/m2的熱輻射影響，不能有人員暴露。

6）Dry Powder STR、LNG加注站、LNG Machinery room等區(qū)域，可能會受到5 kW/m2～12.5 kW/m2的熱輻射影響，人員暴露2 min后至少會造成2度燒傷。建議上述區(qū)域盡可能減少人員暴露時間，且進入該區(qū)域時應穿戴硬質帽子、袖口有扣子的長袖襯衫、工作手套、長褲和工鞋等合適服飾。

7）建議根據LNG雙燃料動力船的總圖布置、風向及氣候條件適當增加透氣桅出口支管高度，增加透氣桅出口的動背壓，降低閥門的流通能力。

8）LNG雙燃料動力船發(fā)生非常規(guī)及應急操作時，應考慮熱輻射1.58 kW/m2、4.73 kW/m2、6.31 kW/m2、9.46 kW/m2對人員應急疏散的影響范圍，在合適地點穿戴合適服飾開展應急疏散。

9）建議根據透氣桅泄放造成的可燃氣云擴散范圍，嚴格控制點火源存在的可能性并在泄放口設置合適滅火裝置。同時對主甲板及上部模塊相關設備設施設置一定的熱輻射防護措施，噴涂防火涂層和消防噴淋裝置。