基于ALOHA 軟件探索LNG 接收站仿真實驗室的優(yōu)化設(shè)計

王海清，徐慧敏，田英帥，黃 清

（1. 中國石油大學(xué)（華東） 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 安全設(shè)備管理部，廣東 深圳 518040）

優(yōu)質(zhì)完善的實驗室資源是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有力支撐。近幾年來，實驗室的硬件設(shè)備得到改善，同時對實驗室的管理也在加強(qiáng)，實驗室的探索與設(shè)計也受到重視[1]。

2018 年，國務(wù)院下發(fā)了《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)天然氣協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展的若干意見》，國家大力推進(jìn)天然氣的發(fā)展。近兩年，我國大規(guī)模投產(chǎn)建設(shè)LNG（液化天然氣）接收站，截至2019 年5 月，我國已投產(chǎn)的LNG 接收站共有21 座，正在建設(shè)的LNG 接收站有13 座[2]。

LNG 具有可燃的特性并且易于擴(kuò)散，一旦發(fā)生泄漏，遇到火源會發(fā)生火災(zāi)或爆炸，造成嚴(yán)重的危害。因此，消防系統(tǒng)在LNG 接收站中至關(guān)重要。但大部分的LNG 接收站消防系統(tǒng)是以石油化工為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計的，缺少針對性。為使安全專業(yè)本科生更深入地了解LNG 接收站，中國石油大學(xué)（華東）安全科學(xué)與工程系結(jié)合國內(nèi)外高校的實驗教學(xué)模式，將現(xiàn)代過程安全管理技術(shù)（儀表化安防技術(shù)）與化工工藝單元結(jié)合，設(shè)計了數(shù)字化LNG 接收站綜合教學(xué)實驗平臺，模擬了各種不同工藝單元的泄漏場景[3]，為建設(shè)LNG接收站實驗室的消防系統(tǒng)并增強(qiáng)針對性，本文利用ALOHA 軟件對天然氣泄漏的危害范圍進(jìn)行模擬，得出天然氣泄漏的各種事故后果的影響范圍，根據(jù)事故后果的影響范圍，設(shè)置一系列消防措施，從而進(jìn)一步完善實驗室建設(shè)。

1 數(shù)字化LNG 接收站綜合實驗平臺

實驗室主要由卸船、儲存、氣化、外輸、蒸汽處理、火炬放空等多個系統(tǒng)模塊組成，可以實現(xiàn)不同操作工況下LNG 接收站工藝流程、各類工藝偏差危害和操作失誤等模擬，并對站內(nèi)儲罐、閥門和儀表等設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，具備報警優(yōu)化與響應(yīng)、火災(zāi)與氣體泄漏探測、事故緊急關(guān)斷控制等功能模塊，為安全專業(yè)課程提供實踐認(rèn)識和掌握安全技術(shù)措施的工程背景與操作平臺。

1.1 LNG 接收站實驗室模擬流程

LNG 接收終端實驗室見圖1。從安全和經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，實驗室用壓縮氣體代替天然氣進(jìn)行模擬，壓縮氣體先從LNG 船卸料臂進(jìn)行卸料，經(jīng)過白色的進(jìn)料管線進(jìn)入LNG 儲罐。因為LNG 儲存溫度極低，在儲存過程中會產(chǎn)生BOG，使得LNG 儲罐內(nèi)壓力升高。

圖1 LNG 接收終端實驗室

BOG 處理：（1）經(jīng)安全閥去平衡船艙壓力。隨著LNG 的輸出，船內(nèi)氣相壓力會逐漸下降，儲罐內(nèi)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣經(jīng)蒸發(fā)氣回流管線及蒸發(fā)氣回流臂送至船內(nèi)，補(bǔ)充船內(nèi)氣壓。（2）經(jīng)安全閥進(jìn)入（蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)）分液罐、壓縮機(jī)、再冷凝器液化成LNG。（3）經(jīng)安全閥進(jìn)入火炬系統(tǒng)，進(jìn)行放空。

從儲罐出來的LNG 分成兩路，可以中壓輸送或者高壓輸送。

中壓輸送：一路經(jīng)壓力控制閥進(jìn)入中壓離心泵，另一路經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥流向再冷凝器，然后再流入到中壓離心泵中。從中壓離心泵輸出的LNG 經(jīng)汽化器輸送給中壓用戶。

高壓輸送：一路經(jīng)壓力控制閥進(jìn)入高壓離心泵。另一路經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥流向再冷凝器，然后再流入到高壓離心泵中。從高壓離心泵輸出的LNG 經(jīng)汽化器輸送給高壓用戶。

1.2 LNG 接收站實驗室中控室操作

實驗室同時向本科生、研究生和博士生開放，學(xué)生可以通過中控室的電腦進(jìn)行模擬操作。圖2 為LNG接收站實驗室的流程。

目前實驗室一期建設(shè)已實現(xiàn)模擬氣體泄漏事故場景，觸發(fā)壓力低報警并確認(rèn)讀取報警信息。參加實驗的學(xué)生可以通過中控室的電腦更改各個工藝單元中閥門、儲罐、壓力表的參數(shù)，模擬事故場景，根據(jù)報警類型，確定事故發(fā)生的原因。

1.3 LNG 接收站消防系統(tǒng)的設(shè)計

消防系統(tǒng)是LNG 接收站減少和消除安全事故影響的重要依靠，泄漏報警系統(tǒng)、滅火設(shè)備、自動噴淋系統(tǒng)等是LNG 接收站消防系統(tǒng)的常備設(shè)施。在實驗室的一期建設(shè)中已實現(xiàn)泄漏報警系統(tǒng)，因此在實驗室的二期建設(shè)規(guī)劃中，將設(shè)置更加豐富的減緩型安全屏障，主要包括：滅火設(shè)備、自動噴淋系統(tǒng)以及中控室的防火墻設(shè)置等；因此為了在實驗平臺建設(shè)中更準(zhǔn)確地實現(xiàn)等比例模擬設(shè)置，需要對各種典型災(zāi)害場景進(jìn)行定量分析。

2 利用ALOHA 軟件對LNG 管道泄漏進(jìn)行模擬

2.1 ALOHA 軟件

有害大氣空中定位軟件ALOHA（areal locations of hazardous atmospheres）是由美國國家海洋、大氣管理局（NOAA）和美國環(huán)境保護(hù)局（EPA）的應(yīng)急管理辦公室合作開發(fā)并得到應(yīng)急響應(yīng)部門（ERD）的支持。其主要用途是為應(yīng)急響應(yīng)人員提供與化學(xué)品泄漏相關(guān)的一些常見危害的空間范圍估計[4-5]。ALOHA軟件可以根據(jù)化學(xué)物質(zhì)的類型、事故發(fā)生的地理位置、大氣條件和泄漏源情況等信息模擬危險化學(xué)品泄漏，可以快速預(yù)測危險化學(xué)品泄漏后對人體產(chǎn)生影響的毒氣濃度以及超壓和熱輻射的范圍[6]。目前ALOHA 軟件已經(jīng)成為危險化學(xué)品事故應(yīng)急救援、規(guī)劃，及學(xué)術(shù)研究的重要工具[7]。

圖2 LNG 接收站流程圖

2.2 案情假設(shè)

利用ALOHA 軟件對實驗室進(jìn)行模擬時（設(shè)置工藝介質(zhì)為天然氣），判定大致的事故影響范圍。事故發(fā)生的場景假設(shè)：取全年主導(dǎo)風(fēng)向、年平均溫度、年平均濕度等，假設(shè)最壞的情景，泄漏孔徑等于管道直徑。軟件模擬中需要的主要參數(shù)見表1。

2.3 噴射燃燒影響分析

LNG 接收站的回氣管道發(fā)生破裂，若在破裂處直接接觸到火源會發(fā)生噴射燃燒事故，并產(chǎn)生熱輻射，熱輻射會對周圍人員和建筑物造成損害。在ALOHA軟件中輸入表1 所示的參數(shù)，模擬產(chǎn)生噴射燃燒的情形，得到的影響區(qū)域范圍見圖3，從圖3 中可以看出ALOHA對于此場景的評估，顯示了三個熱輻射危險區(qū)域。

由圖3 可知，當(dāng)風(fēng)速為5 m/s 時，在60 s 內(nèi)，預(yù)測情景中死亡區(qū)即紅色區(qū)域距離泄漏口10 m 內(nèi)，個體所承受的熱輻射會造成致命的傷害；在距離泄漏口10～13 m 的范圍內(nèi)即橙色區(qū)域會對人體造成二度燒傷傷害；在距離泄漏點13～20 m 的范圍內(nèi)即黃色區(qū)域人體所承受的熱輻射會使其產(chǎn)生疼痛感，如表2 所示。

圖3 風(fēng)速為5 m/s 時噴射燃燒影響區(qū)域范圍

表2 噴射燃燒事故的影響區(qū)域

2.4 蒸氣云燃燒影響分析

如果天然氣泄漏出來沒有被立即點燃，將會向外擴(kuò)散，與空氣充分混合形成爆炸性混合氣體，在遇到點火源后，很有可能引發(fā)蒸氣云燃燒或爆炸，蒸氣云燃燒將會產(chǎn)生大量的熱輻射，對周邊人員及環(huán)境造成嚴(yán)重的危害[8]。

ALOHA 軟件在計算過程中，根據(jù)大氣中甲烷的濃度劃分可燃性區(qū)域，取 60% LEL（體積分?jǐn)?shù)1.26×10-2）和10% LEL（體積分?jǐn)?shù)0.21×10-2）進(jìn)行區(qū)域分析，其中60% LEL 可造成人員死亡，10% LEL可造成人員燒傷[9]。

選擇默認(rèn)LOCs 可以看到ALOHA 軟件估計的本場景的危險區(qū)域，蒸氣云燃燒影響區(qū)域范圍見圖4，顯示有兩個可燃危險區(qū)域。

圖4 蒸氣云燃燒影響區(qū)域范圍

從ALOHA 軟件分析結(jié)果得到，在順風(fēng)方向距離泄漏口29 m 的范圍內(nèi)會造成人員死亡，距離泄漏口71 m 的區(qū)域范圍內(nèi)會造成人員燒傷，蒸氣云燃燒影響區(qū)域如表3 所示。由于風(fēng)向的原因，天然氣主要向順風(fēng)方向擴(kuò)散，因此人員應(yīng)該向垂直于順風(fēng)方向撤離，以盡可能減小人員傷亡。

表3 蒸氣云燃燒影響區(qū)域

2.5 蒸氣云爆炸影響分析

蒸氣云爆炸主要產(chǎn)生熱輻射、沖擊波、拋射碎片等危害，其中沖擊波是主要危害[10]。運(yùn)用ALOHA 軟件模擬甲烷氣體泄漏后爆炸的情形，當(dāng)蒸氣云不密集的時候不會造成危害。當(dāng)蒸氣云處于密集狀態(tài)時，模擬得到的爆炸影響范圍見圖5。

圖5 蒸氣云（密集）爆炸影響區(qū)域范圍

由圖5 可知，當(dāng)蒸氣云處于密集狀態(tài)時會產(chǎn)生蒸氣云爆炸，但不會造成建筑物破壞和人員嚴(yán)重傷害，沖擊波超壓≥1 psi 時，與泄漏點距離25 m，為玻璃破損區(qū)域。蒸氣云爆炸影響區(qū)域如表4 所示。

表4 蒸氣云爆炸影響區(qū)域

2.6 模擬結(jié)果分析

從ALOHA 軟件對上述天然氣泄漏后可能造成的事故后果進(jìn)行模擬，得到了各種事故場景所產(chǎn)生的危害范圍，如表5 所示。

表5 各種場景危害范圍比較

由表5 可知，這3 類事故中蒸氣云燃燒的危害范圍最大，蒸氣云爆炸（密集）次之，最后是噴射燃燒。

3 LNG 接收站實驗室的優(yōu)化設(shè)計

數(shù)字化LNG 接收站實驗室專業(yè)性強(qiáng)，涉及面廣，實驗室中包括DCS、SIS 和FGS 等多個系統(tǒng)，為進(jìn)一步優(yōu)化實驗室的仿真效果，應(yīng)提高安全意識，確保實驗室教學(xué)和科研工作更好地有序開展[11]。

根據(jù)ALOHA 軟件模擬產(chǎn)生的事故場景的危害類型及危害范圍的劃分，對實驗室進(jìn)行預(yù)防性的安全屏障設(shè)置規(guī)劃，上述仿真計算為本實驗室第二期建設(shè)的科學(xué)規(guī)劃提供了量化的技術(shù)支撐。

實驗室第二期建設(shè)將根據(jù)ALOHA 軟件模擬得到燃燒的影響范圍設(shè)置消防系統(tǒng)，可以等比例在各個不同危險區(qū)域內(nèi)設(shè)置模擬的滅火系統(tǒng)，如高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)；ALOHA 軟件模擬得到的噴射燃燒和蒸氣云燃燒事故產(chǎn)生的主要危害是熱輻射，因此需要設(shè)置自動噴淋系統(tǒng)，阻止熱輻射。將分別在噴射燃燒和蒸氣云燃燒事故的不同危險區(qū)域內(nèi)設(shè)置自動噴淋系統(tǒng)；此外，為使學(xué)生始終保持憂患意識和增加學(xué)生的安全意識，在實驗室中標(biāo)明噴射燃燒、蒸氣云燃燒、蒸氣云爆炸的紅色危險區(qū)域、橘色危險區(qū)域和黃色危險區(qū)域，并注明各個危險區(qū)域會對環(huán)境和人員造成的危害。

設(shè)置滅火系統(tǒng)、自動噴淋系統(tǒng)在中控室的計算機(jī)上顯示，可對實驗室中整個消防系統(tǒng)有直觀、系統(tǒng)的了解，學(xué)生可以通過中控室的電腦對其進(jìn)行操作。

中控室應(yīng)位于安全區(qū)域內(nèi)，符合防火、防爆的要求。由表5 可知，天然氣泄漏產(chǎn)生的危害范圍最遠(yuǎn)達(dá)到71 m，如能將中控室設(shè)置于遠(yuǎn)離LNG 接收站，是解決安全隱患的根本措施，是屬于本質(zhì)安全的范疇，但實驗室的面積有限，無法使中控室與LNG 接收站達(dá)到安全距離。因此，需要在中控室和LNG 接收站中間建立防火墻。防火墻主要有A 級和H 級。H60 防火墻的耐火強(qiáng)度大約是A60 防火墻的6 倍，根據(jù)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和目前絕大多數(shù)平臺的使用情況，選擇A60 防火墻進(jìn)行中控室和LNG 接收站的區(qū)域分隔[12]。

4 結(jié)語

目前LNG 接收站實驗室雖已建成，并已投入使用，但實驗室中的消防系統(tǒng)尚未設(shè)置。本文利用ALOHA 軟件對LNG 接收站實驗平臺進(jìn)行天然氣泄漏模擬，得到噴射燃燒、蒸氣云燃燒和蒸氣云爆炸三種事故后果，確定了事故可能的影響范圍并對其進(jìn)行了危害區(qū)域劃分。通過ALOHA 軟件得到的影響范圍及不同的危害區(qū)域，對實驗室二期消防系統(tǒng)建設(shè)方案進(jìn)行優(yōu)化完善，從而進(jìn)一步還原真實的LNG 接收站，使學(xué)生們增加安全意識，為國內(nèi)類似的半實物模擬實驗研究平臺的科學(xué)規(guī)劃與建設(shè)，提供了有益探索與參考案例。此外，還可以為實驗教學(xué)應(yīng)急預(yù)案的制定提供依據(jù)，并且通過實驗室這個平臺，可以對應(yīng)急措施進(jìn)行定期的演練，使工作人員增強(qiáng)現(xiàn)場救援能力和自救能力。