基于FDS數(shù)值模擬的LNG儲備站火災(zāi)安全評定研究

高明旭 薛艷平 張宏濤 白玉星 張乙

摘要：基于FDS對LNG儲備站廠區(qū)池火火災(zāi)數(shù)值仿真，分析了最不利工況火災(zāi)場景下，熱輻射通量對周邊區(qū)域的安全影響，從而為該液化天然氣儲備站的規(guī)劃設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。對LNG儲備站廠區(qū)的設(shè)計和建造提出了建議。

關(guān)鍵詞：LNG儲備站火災(zāi)；數(shù)值仿真；熱輻射通量

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）是由天然氣進行凈化處理，通過常壓液化降至其沸點之后形成另一種能源形式。甲烷是主要成分，屬于相當(dāng)優(yōu)質(zhì)環(huán)保的燃料。同時，LNG的危險性極高，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來了巨大威脅。近年來，LNG儲罐火災(zāi)安全事故屢屢發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟損失。

1944年克里夫蘭LNG因儲罐泄漏發(fā)生爆炸和火災(zāi)。1972年1月，加拿大東蒙特利爾魁北克的一座LNG調(diào)峰站因壓縮機入口的天然氣管道超壓泄漏發(fā)生爆炸。2014年2月8日，江蘇徐州市二環(huán)西路北首沈場立交橋旁加氣站的儲氣罐發(fā)生泄露引發(fā)大火。因此，LNG儲備站火災(zāi)安全便成了重要的研究課題。

經(jīng)統(tǒng)計顯示，火災(zāi)主要是LNG泄漏引起。而在LNG火災(zāi)類型中，池火是對廠區(qū)的危險性最大。當(dāng)發(fā)生 LNG 池火災(zāi)時，池火火焰的熱輻射場會對周圍一定范圍內(nèi)的設(shè)備和人員造成危害。如果廠區(qū)內(nèi)的布置不合理、存在安全隱患，很有可能會引起進一步的火災(zāi)，造成更大的損失。本文基于FDS軟件，以LNG場站真實情況布置建立模型，分析了最不利工況火災(zāi)場景下火災(zāi)造成事故嚴(yán)重程度、場站溫度場的分布及熱輻射危害的影響范圍。由此確定LNG儲罐周圍的危險區(qū)域和安全范圍，從而為該液化天然氣儲備站的規(guī)劃設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持，使其池火火災(zāi)對周圍的危害損失降低到可接受的水平。

一、數(shù)值計算原理

FDS （Fire Dynamics Simulator）以火災(zāi)中的流體運動作為主要模擬對象，專用于火災(zāi)動態(tài)數(shù)值模擬，適用于火災(zāi)發(fā)展過程中煙氣的傳播和火焰周圍熱輻射通量變化以及蔓延的數(shù)值仿真 。FDS采用的流體動力學(xué)模型為N-S方程的近似形式，該方程可以很好的描述低馬赫數(shù)流動問題。國內(nèi)外火災(zāi)研究者們對其準(zhǔn)確性進行了大量的研究，證明了FDS與實體試驗結(jié)果相吻合。

二、FDS模型建立

（一）LNG儲備站模型建立

根據(jù)LNG儲備站的實際尺寸，計算區(qū)域尺寸設(shè)定為：X方向140m，Y方向140m，Z方向25m。LNG中甲烷是主要成分，占到94.4%。因此，將反應(yīng)的元素參數(shù)近似設(shè)定為甲烷的元素構(gòu)成較為合理。從火焰中心開始，在距離火焰中心30m、50m、70m、130m處依次布置熱輻射通量測點。

（二）最不利火災(zāi)工況設(shè)置

根據(jù)石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范第10.3.4條規(guī)定，需模擬燃燒面積為儲罐圍堰內(nèi)全部容積（但不包括儲罐）的表面著火。質(zhì)量燃燒速率為0.124 kg/（m2.s）。此火災(zāi)場景是LNG池火災(zāi)的最不利工況。

三、數(shù)據(jù)分析

（一）熱輻射通量及溫度場分布狀況

圖1為LNG儲備站池火火災(zāi)煙氣、熱輻射通量示意圖，圖2為溫度分布圖。顯然，火災(zāi)煙氣及熱輻射通量影響范圍廣，大部分區(qū)域的溫度達(dá)到了1000～1500℃，在這種最不利火災(zāi)場景發(fā)生后，會使得NGL儲罐區(qū)的設(shè)備損壞，甚至發(fā)生更大的次生災(zāi)害。

（二）儲備站熱輻射通量分析

由圖3到6可知：火災(zāi)發(fā)生后熱輻射通量隨著距離的增加而逐漸減小，距離火焰中心30m處熱輻射通量值約為40kW/m2，距離火焰中心50m處熱輻射通量值約為25kW/m2，距離火焰中心70m處熱輻射通量值約為12kW/m2，距離火焰中心130m處熱輻射通量值約為5kW/m2。

四、結(jié)論及工程建議

發(fā)生大型泄露事件導(dǎo)致泄露液體布滿圍堰，一旦遇到火源，立即會引起大型池火火災(zāi)。熱輻射是池火火災(zāi)危害的主要表現(xiàn)形式，它會對鄰近的設(shè)備造成很大的破壞，對人體產(chǎn)生很大的傷害，根據(jù)美國LNG規(guī)范、參考石油化工裝置設(shè)施的火災(zāi)熱輻射破壞準(zhǔn)則，歸納出了熱輻射通量大小對人和設(shè)備的傷害如表1所示。

（一）距儲罐周圍70m～130m內(nèi)熱輻射通量值約為5kW/m2～12kW/m2，根據(jù)表1熱輻射通量對設(shè)備和人的影響分析，對人體可能會產(chǎn)生燒傷。因此建議不得建造人員密集的場所。

（二）在儲備站周邊50m～70m范圍內(nèi)熱輻射通量值約為12kW/m2～25kW/m2，根據(jù)表1熱輻射通量對設(shè)備和人的影響分析，在熱輻射通量達(dá)到25kW/m2，人在此環(huán)境下暴露1分鐘就有死亡的危險，因此建議為不得居民區(qū)等建筑物。

（三）在30m～50m范圍內(nèi)熱輻射通量值約為25kW/m2～40kW/m2，根據(jù)表1熱輻射通量對設(shè)備和人的影響分析，在此環(huán)境下設(shè)施將受到嚴(yán)重?fù)p失，人員也會有傷亡，因此不能存在建（構(gòu)）筑物，并根據(jù)熱輻射的強度適當(dāng)加厚擬建設(shè)備和建筑物的混凝土的厚度并設(shè)置防輻射措施。

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作者簡介：高明旭（1991—），男，碩士研究生，主要從事綜合管廊防火研究工作。