基于火災(zāi)危害分析(FHA)的LNG接收站集液池優(yōu)化設(shè)計

趙順喜,嵇俊,張超

(中海油江蘇天然氣有限責(zé)任公司,江蘇 鹽城 224500)

集液池是LNG接收站場中常見的用于收集溢出或泄露LNG的專用坑池,通常分布于接收站碼頭區(qū)、儲罐區(qū)、工藝區(qū)及槽車區(qū)。當(dāng)管道發(fā)生LNG泄露時,收集在集液池中的LNG在遇到引火源時會發(fā)生池火災(zāi)現(xiàn)象[1]。《液化天然氣裝置和設(shè)備·岸上裝置的設(shè)計》(EN 1473—2007)對集液池允許的熱輻射以及《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運》(GB/T 20368—2021)對蒸氣擴(kuò)散濃度與距離均作出了相關(guān)要求。通過使用PHAST軟件模擬集液池發(fā)生池火災(zāi),計算出集液池的熱輻射值與蒸氣云擴(kuò)散濃度,可優(yōu)化集液池的尺寸設(shè)計與平面布置,確保滿足安全規(guī)范要求。

1 火災(zāi)危害分析(FHA)

1.1 火災(zāi)危害分析(FHA)介紹

FHA全稱Fire Hazard Analysis,即火災(zāi)危害分析,指通過收集與項目相關(guān)的資料,包括站址信息、布置圖、設(shè)計基礎(chǔ)、設(shè)備清單、工藝流程圖及氣象條件,辨識出所有的潛在的危險源,并對辨識出來的危險源進(jìn)行頻率與后果進(jìn)行分析,依據(jù)可信事件的事故后果,對站場的防火防爆、人員應(yīng)急逃生通道等設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持,并提出針對LNG站場的火災(zāi)爆炸的風(fēng)險管理措施建議。隨著國內(nèi)對石油化工行業(yè)安全運行要求的不斷提高,越來越多的單位、企業(yè)選擇在初步設(shè)計階段對建設(shè)項目進(jìn)行FHA分析。

1.2 FHA工作流程

常見的FHA工作流程見圖1。

圖1 FHA工作流程

1.3 可接受標(biāo)準(zhǔn)

目前,國內(nèi)規(guī)范對集液池允許的熱輻射以及蒸氣擴(kuò)散濃度與距離的要求主要參考以下兩個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范:

1.3.1 《液化天然氣裝置和設(shè)備·岸上裝置的設(shè)計》(EN 1473—2016)

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許的熱輻射量如表1所示。

表1 允許的熱輻射量(不包含太陽輻射)[2]

1.3.2 《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運》(GB/T 20368—2021)

LNG儲罐攔蓄區(qū)到建筑紅線的距離,LNG溢出時,應(yīng)保證建筑在紅線以外,空氣中甲烷的平均濃度不超出爆炸下限的50%[3]。

2 后果模擬及危害距離計算

2.1 場景后果模擬

以國內(nèi)某LNG接收站為例,接收站紅線范圍內(nèi)布置4座22萬m3LNG儲罐,儲罐北側(cè)為廠區(qū)用地紅線,儲罐南側(cè)為卸料工藝管廊。T-0201與T-0203共用一個LNG集液池(見圖2),該集液池距離北側(cè)紅線128 m?？紤]事故發(fā)生的不疊加,因此本位以T-0201儲罐為例進(jìn)行后果模擬與計算分析。

圖2 國內(nèi)某LNG接收站罐區(qū)布置圖

通過計算,該區(qū)域可能泄漏場景中LNG最大泄漏量為497 236.90 kg。但是當(dāng)LNG泄漏后,LNG會立刻產(chǎn)生蒸發(fā),實際到達(dá)地面集液池的LNG量遠(yuǎn)小于其泄漏量。通過PHAST軟件計算,從圖3可以看出,到達(dá)地面的LNG量約為85 000.0 kg,體積大約為180 m3。

圖3 集液池LNG剩余質(zhì)量隨時間變化曲線

2.2 池火災(zāi)熱輻射計算

最初設(shè)計的集液池尺寸為10 m×10 m×5.5 m,從表2可以看出,集液池產(chǎn)生池火時32 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為32.5 m,15 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為41.3 m, 8 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為50.2 m,5 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為58.9 m。

表2 罐區(qū)集液池池火熱輻射影響距離 單位:m

根據(jù)PHAST計算結(jié)果,從圖4中可以看出,T-0201和T-0203儲罐的混凝土外壁、泡沫站和管廊處在32 kW/m2的熱輻射范圍之內(nèi),可能造成儲罐外壁以及管線受損,應(yīng)考慮調(diào)整集液池大小或位置,或設(shè)置其他合理熱輻射防護(hù)設(shè)施;8 kW/m2的影響范圍內(nèi)未設(shè)置建構(gòu)筑物(控制室、維修車間、實驗室、倉庫等),滿足熱輻射閾值要求;5 kW/m2的影響范圍內(nèi)未設(shè)置行政樓等人員集中區(qū),滿足熱輻射閾值要求。

圖4 罐區(qū)集液池(10 m×10 m)池火影響范圍

2.3 蒸氣云擴(kuò)散計算

罐區(qū)集液池氣云擴(kuò)散范圍見表3,下風(fēng)向上最大氣云擴(kuò)散范圍圖見圖5。

表3 罐區(qū)集液池氣云擴(kuò)散影響距離 單位:m

圖5 罐區(qū)集液池氣云擴(kuò)散圖

根據(jù)PHAST計算結(jié)果可以看出,在2F氣相工況下,50%LFL影響范圍216.6 m,北側(cè)已超出廠區(qū)紅線約88 m,不滿足GB/T 20368—2021的安全要求。

3 設(shè)計優(yōu)化與控制措施

根據(jù)前期PHAST模擬結(jié)論:同等條件下,集液池表面積越小,池火災(zāi)熱輻射影響范圍越小、蒸氣云擴(kuò)散距離越小。因此初步將集液池尺寸優(yōu)化為6 m×6 m×6.5 m[4]。

3.1 池火災(zāi)熱輻射計算

將模型中的集液池尺寸調(diào)整后,表4可以看出,集液池產(chǎn)生池火時32 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為19.06 m,15 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為23.77 m,8 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為28.47 m,5 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為32.82 m。

表4 罐區(qū)集液池池火熱輻射影響距離 單位:m

熱輻射間距顯著降低,均滿足熱輻射閾值要求。最大氣云擴(kuò)散范圍見圖6。

圖6 罐區(qū)集液池(6 m×6 m)池火影響范圍

3.2 蒸氣云擴(kuò)散計算

罐區(qū)集液池氣云擴(kuò)散范圍見表5,下風(fēng)向上最大氣云擴(kuò)散范圍圖見圖7。

圖7 罐區(qū)集液池氣云擴(kuò)散圖

50%LFL可下降至140.2 m,考慮泡沫覆蓋可以降低集液池LNG 20%的氣化速率,模擬計算得到50%LFL可下降至116.39 m,滿足50%LFL不能超出界區(qū)的要求。

4 結(jié)語

接收站LNG集液池設(shè)計需充分考慮相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求,原先設(shè)計的10 m×10 m集液池在模擬計算過程中發(fā)現(xiàn),儲罐的混凝土外壁、泡沫站和管廊處在32 kW/m2的熱輻射范圍之內(nèi),對儲罐外壁以及管線存在潛在的安全風(fēng)險,同時在2F氣相工況下,50%LFL影響范圍216.6 m,北側(cè)超出廠區(qū)紅線88 m,不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。通過PHAST模擬發(fā)現(xiàn),同等條件下,集液池表面積越小,池火災(zāi)熱輻射影響范圍越小、蒸氣云擴(kuò)散距離越小。在隨后的集液池尺寸優(yōu)化設(shè)計,考慮泡沫覆蓋產(chǎn)生的20%的氣化抑制率,可確保15 kW/m2的熱輻射范圍之內(nèi)不存在建構(gòu)筑物及管廊管道,同時成功將50%LFL擴(kuò)散距離下降至116.39 m,滿足不能超出界區(qū)的要求。