大型LNG儲罐泄漏事故后果分析*

俞志東，吳建林

(廣東石油化工學院 石油工程學院，廣東 茂名 525000)

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大型LNG儲罐泄漏事故后果分析*

俞志東，吳建林

(廣東石油化工學院 石油工程學院，廣東 茂名 525000)

天然氣是一種優(yōu)質(zhì)、高效的清潔能源，廣泛地應(yīng)用于各個行業(yè)中。我國部分沿海城市已建造了大型LNG接收站，運用PHAST軟件，輸入發(fā)生事故時的真實場景，可對LNG儲罐泄漏事故后果進行計算和分析，從而確定泄漏、擴散、燃燒和爆炸等危險區(qū)域范圍。分析結(jié)果能幫助接收站直觀了解發(fā)生事故后的危險程度，進而能夠針對性地采取相應(yīng)的安全措施。

LNG儲罐；泄漏；PHAST；事故后果分析

為了適應(yīng)低碳經(jīng)濟的發(fā)展趨勢，天然氣作為經(jīng)濟實惠、綠色環(huán)保、安全可靠的能源之一，被廣泛地應(yīng)用于各個行業(yè)領(lǐng)域。LNG(液化天然氣)的工業(yè)化進程給人類帶來了經(jīng)濟和便利，我國部分沿海城市已經(jīng)建造了大型LNG接收站，接收站中含有16萬m3的LNG儲罐。然而，一旦LNG發(fā)生泄漏，會產(chǎn)生低溫、燃燒爆炸、窒息和快速相變等危害，會在生產(chǎn)、儲存和運輸?shù)倪^程中對周邊的人群和財產(chǎn)造成嚴重的威脅[1-3]。在LNG工業(yè)近百年的發(fā)展歷史中，世界上發(fā)生了多起嚴重的LNG泄漏爆炸事故，造成了重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。因此，對大型LNG儲罐泄漏事故進行分析具有重要意義。

1　LNG儲罐泄漏后果理論分析

1.1池火的影響區(qū)域

LNG泄漏后可能會在地面形成液池，遇火源則會形成池火。當燃燒速度等于泄漏速度時，液池直徑達到最大[4]。最大直徑可按下式計算：

式中：D為液池直徑，m；mf為液體單位面積燃燒速率，kg/(m2·s)。

液池的燃燒速率為：

式中：c為常數(shù)，0.001 kg/(m2·s)；Hc為液體燃燒熱，J/kg；Hv為液體在常壓沸點下的蒸發(fā)熱，J/kg。

液池燃燒時放出的熱輻射通量為[5]：

式中：Q為液池燃燒時放出的熱輻射通量，W；φ為效率因子,范圍為0.13～0.35,保守取值為0.35；L為火焰高度，m。

距離液池中心某一距離(x)處的入射熱輻射強度[5]為：

式中：Ix為接受點熱輻射強度，W/m2；τ為大氣投射率,%；x為目標點到液池中心距離，m。

1.2噴射火焰影響區(qū)域

對于LNG儲罐發(fā)生的連續(xù)泄漏事故，如果在泄漏源遇到點火源，就會形成噴射火焰[5]。假定熱量是從噴射火中心軸線上一系列相等的輻射源發(fā)出,每一點的熱通量為：

式中：E為點熱源熱輻射通量，W；η為效率因子，取0.35；n為假設(shè)的點源數(shù)。

距離點源某一距離(xi)處的入射熱輻射強度為：

式中：Xp為發(fā)射因子，取0.2。

1.3BLEVE事故影響區(qū)域

BLEVE(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)即沸騰液體擴展蒸氣爆炸。儲罐發(fā)生爆炸，而且LNG從儲罐內(nèi)釋放出來并被點燃，會形成火球并伴有強烈的熱輻射[6]。

火球的直徑和持續(xù)時間分別為：

式中：M為急劇蒸發(fā)的可燃物質(zhì)的質(zhì)量，kg。

距火球中心在地面的投影(x)處點的入射熱輻射強度為：

式中：f為燃燒輻射分數(shù),是容器壓力的函數(shù)f=f1pf2，常數(shù)f1=0.27，f2=0.32；P為容器內(nèi)壓力，MPa；h為火球中心距地面的高度，m。

2　PHAST軟件分析計算

2.1PHAST軟件簡介

圖1PHAST軟件計算程序

PHAST(Process Hazard Analysis Software Tool)是由DNV(挪威船級社)公司獨立開發(fā)的一款專門用于石油石化和天然氣領(lǐng)域危險分析和安全計算的軟件。PHAST軟件計算管理基于上述理論分析，其計算結(jié)果的準確性在很多生產(chǎn)實踐中均得到了確認[7]。軟件計算程序見圖1。

2.2工程概況

珠海市高欄港LNG接收站臨海而建，配套有3座面積為16萬m3的LNG儲罐。儲罐中LNG各成分的體積分數(shù)分別為：98.5%甲烷，1%乙烷，0.3%丙烷，0.2%丁烷。儲罐模擬泄漏情景如表1所示，當?shù)貧庀笮畔⑷绫?所示。

表1　儲罐泄漏情景

表2　泄漏時氣象信息

2.3結(jié)果與分析

2.3.1泄漏孔徑對擴散的影響

圖2～5分別表示在風速為5.7 m/s，大氣穩(wěn)定度為D的情況下，100，200，400 mm孔徑失效和災(zāi)難性破裂泄漏擴散的影響區(qū)域。LNG爆炸上限164 552×10-6，下限為43 773.3×10-6，1/2爆炸下限為21 886.7×10-6為危險區(qū)域。

圖2　100 mm孔徑泄漏擴散影響區(qū)域　　　圖3　200 mm孔徑泄漏擴散影響區(qū)域

圖4　400 mm孔徑泄漏擴散影響區(qū)域　　　圖5　災(zāi)難性破裂泄漏擴散影響區(qū)域

從圖2～5可以看出，當其它條件一致時，泄漏孔徑越大，危害區(qū)域越大。泄漏孔徑的大小直接決定了儲罐泄漏速率的大小，而泄漏速率大小是影響LNG擴散的安全距離的決定性因素。

圖6風速對擴散的影響

2.3.2風速對擴散的影響

環(huán)境風速是衡量大氣湍流程度的一個必不可少的條件[8]。PHAST軟件分析風速對擴散的影響如圖6所示，其中大氣穩(wěn)定度為D。

從圖6可以看出，當泄漏的孔徑(200 m)和大氣穩(wěn)定度相同，風速越小，危險區(qū)域越大。分析原因如下：可以輸送泄漏出的LNG并且稀釋云團中LNG的濃度，風速越大，湍流越強，LNG向下風向擴散的速度和空氣的稀釋速率越快，危險范圍也就越小。

2.3.3火災(zāi)爆炸的危險區(qū)域

PHAST軟件計算出在風速為5.7 m/s，大氣穩(wěn)定度為D的情況下，400 mm孔徑失效形成火災(zāi)和爆炸對人造成的死亡、重傷和輕傷區(qū)域，本文把輕傷區(qū)域定為危險區(qū)域。

(1)池火危險區(qū)域

圖7表示的是液池燃燒的影響區(qū)域?？梢钥闯龀鼗馂?zāi)造成的危險范圍為順風向-103～414.4 m。

(2)噴射火危險區(qū)域

圖8表示的是噴射火的影響范圍?？梢钥闯鰢娚浠鸬奈ｋU區(qū)域為順風向-102～708.5 m。

圖7　池火影響區(qū)域　　　圖8　噴射火影響范圍

(3)閃火危險區(qū)域

圖9表示的是閃火影響區(qū)域?？梢钥闯鲩W火造成的危險半徑為1 875.2 m(50%燃燒下限濃度所對應(yīng)的距離)。

(4)可燃蒸氣云爆炸危險區(qū)域

圖10表示的是蒸氣云爆炸造成的影響區(qū)域?？梢钥闯稣魵庠票ㄔ斐傻奈ｋU區(qū)域為順風向-327.4～4 067.4 m。

圖9　閃火的影響范圍　　　圖10　爆炸超壓影響區(qū)域

3　結(jié)論

運用PHAST軟件對LNG泄漏進行了后果分析，發(fā)現(xiàn)孔徑越大，危險區(qū)域越大，特別是災(zāi)難性破裂所造成的危害，幾乎覆蓋了整個高欄島。風速越小，大氣越穩(wěn)定，危險區(qū)域越大。而當LNG泄漏后，蒸氣云爆炸造成的危險區(qū)域最大。為了確保人們生活與生產(chǎn)的安全，接收站一定要做好安全管理工作。

[1] 周德紅,馮豪,李文，等.火災(zāi)爆炸后果分析法在LNG儲罐風險評估中的應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2015,10(41):54-56.

[2] 曲順利,賈保印,趙彩云.LNG接收站的安全分析與措施[J].煤氣與熱力,2011,31(10):4-7.

[3] 陳功炎.LNG接收站碼頭接卸作業(yè)安全及關(guān)鍵問題分析[J].廣東石油化工學院學報,2014,6(24):39-42.

[4] 嚴銘卿,宓亢琪.燃氣輸配工程學[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.

[5] BirK A M. Hazards from propane BLEVEs:An update and proposal for emergency[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,1996,9(2):173-181.

[6] 王三明,蔣軍成.沸騰液體擴展蒸氣爆炸機理及相關(guān)計算理論模型研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2001,27(7):30-34.

[7] 翁幫華,銀小兵,向啟貴.SAFETI定量風險分析軟件在石油天然氣開發(fā)風險評估中的應(yīng)用[J].石油與天然氣化工,2007,36(6):524-527.

[8] 嚴銘卿,宓亢琪.燃氣輸配工程學[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.

(責任編輯：梁曉道)

Consequence Analysis of Leakage Accident of Large LNG Storage Tank

YU Zhidong, WU Jianlin

(College of Petroleum Engineering, Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China)

Natural gas is a kind of high quality, high efficiency, clean energy, Which is widely used in various industries. In order to use natural gas Conveniently, some coastal cities in our country have built many large LNG storage tanks. Liquefied natural gas is the flammable and explosive dangerous goods, so once a tank leaks, it may cause very serious consequences. The PHAST software, once being input the real scene at the time of an accident, can calculate and analyze the diffusion, the flash fire, the fire disaster, or the explosion immediately, quickly determining the leakage, diffusion, combustion and explosion hazard area, and measuring the personnel death radius, serious injury radius and minor injury radius caused by the fire thermal radiation and explosion pressure. Analysis of the accident can help receiving stations intuitively understand the degree of danger after the accident so as to take corresponding measures.

LNG storage tank; Diffusion; PHAST; Accident consequence analysis

2016-07-08；

2016-08-03

俞志東(1972—)，男，遼寧寬甸人，碩士，主要從事油氣儲運安全技術(shù)研究。

TE88

A

2095-2562(2016)04-0090-05