LNG加氣站槽車卸車直供過程泄漏后果分析*

岑 康，李 歡，王泳龍，李 薇，付祥廷

(1.西南石油大學 土木工程與測繪學院，四川 成都 610500； 2.四川川港燃氣有限責任公司，四川 成都 610000；3.四川川油工程技術勘察設計有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

隨日加液量不斷增長，部分LNG 3級加氣站平均每天需卸載2～3槽車LNG才能保證供應需求。但目前加氣站工藝流程無法同時實現槽車卸車和汽車加液操作。為保證持續(xù)供液，加氣站加液時，將正常卸車入罐流程切換成槽車直接向汽車供液流程；無車加液時，重新切換成卸車入罐流程，該加液模式導致槽車每天卸車總時長比常規(guī)連續(xù)卸車入罐模式至少增加6 h。顯然，槽車駐站時間越長(特別是夜間卸車作業(yè))，LNG泄漏風險越高。

《移動式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》(TSG-R0005—2011)6.4.2規(guī)定：配置緊急切斷裝置的，操作員應位于緊急切斷裝置的遠控系統位置[1]。但LNG槽車均未設計泄漏自動連鎖保護裝置，加氣站安全儀表系統無法遠程關閉槽車閥門。隨卸車時間大幅延長，易出現卸車過程中操作員脫崗、槽車手動緊急切斷裝置無法及時動作導致LNG大量泄漏等問題。

因此，需通過建立泄漏事故危害效應預測模型，利用事故風險評估體系，研究泄漏孔徑、天氣條件等因素對事故后果影響程度，并制定合理方案與應急措施[2-12]。

本文以某LNG 3級加氣站為研究對象，采用HAZOP分析法辨識槽車供液與儲罐供液過程中典型泄漏場景，并基于PHAST軟件，定量評價槽車直接供液可能造成事故后果的擴大程度，提出針對性卸車管理與事故防控建議，為LNG加氣站安全運營提供理論依據與技術支持。

1 研究對象與典型泄漏場景

1.1 卸車供液流程

某LNG 3級加氣站于2013年正式投運，位于重要物流通道附近，日銷售量40～60 t，站內設1個60 m3的LNG儲罐和1套泵撬。

槽車卸車入罐與直接為汽車供液流程如圖1(a)所示。有車加液時，控制系統自動開啟汽車加液總管氣動閥門，同時關閉儲罐進液總管氣動閥門，LNG通過低溫潛液泵，經加液機注入汽車氣瓶；無車加液時，打開儲罐進液總管氣動閥門，關閉汽車加液總管氣動閥門，LNG經儲罐進液總管進入儲罐。常規(guī)儲罐供液流程如圖1(b)所示，為汽車加液時，LNG由儲罐流入低溫潛液泵，升壓后經加液機注入汽車氣瓶。

將1車LNG連續(xù)卸入儲罐需3 h，若卸車過程中為汽車供液，卸載2～3車LNG總時長約12～15 h，比連續(xù)卸車入罐至少增加6 h以上。

圖1 卸車供液流程Fig.1 Processes of tank truck unloading and vehicles refueling

1.2 典型泄漏場景辨識

采用危險與可操作性分析(HAZOP)方法，對LNG加氣站工藝流程與操作進行風險分析。將加氣站工藝流程劃分為LNG卸車、儲罐等6個節(jié)點，采用壓力、溫度等6項工藝參數和偏高、偏低等7項引導詞組合，辨識各節(jié)點中可能出現的所有偏差，分析每個偏差產生原因及對應后果。由偏差發(fā)生可能性等級與后果嚴重性等級確定其原始風險等級，并辨識使用防護措施后殘余風險等級。針對殘余風險等級仍在中風險以上的偏差項，提出可行的風險削減措施。

LNG卸車子系統中，中風險以上殘余風險等級包括卸車液相管泄漏和卸車氣相管泄漏2項。主要原因是卸車管路與槽車尾部法蘭連接螺栓部分或完全斷裂，LNG槽車卸車管路如圖2所示。LNG儲存子系統包括2項中風險以上殘余風險等級，分別為儲罐出液管路壓力儀表接頭泄漏與儲罐出液管路泄漏，LNG儲罐出液管路如圖3所示?；趯堄囡L險等級仍為高、中風險的辨識，確定槽車供液與儲罐供液過程典型泄漏場景[13]，見表1～2。環(huán)境參數參考該站所在地年平均氣象數據，見表3。

圖2 LNG槽車卸車管路Fig.2 Unloading pipelines of LNG tank truck

2 事故后果

利用DNV PHAST泄漏擴散模型、燃燒計算模型計算各典型泄漏場景對應LNG液池擴展半徑、LNG蒸汽云擴散范圍及積聚時長、爆炸超壓及LNG池火熱輻射影響范圍，最終量化槽車供液和儲罐供液泄漏事故后果嚴重程度。

圖3 LNG儲罐出液管路Fig.3 Outlet pipelines of LNG storage tank

表1 槽車供液典型泄漏場景Table 1 Typical leakage scenarios of tank truck refueling

表2 儲罐供液典型泄漏場景Table 2 Typical leakage scenarios of storage tank refueling

表3 環(huán)境參數Table 3 Environmental parameters

2.1 LNG液池擴展半徑

LNG液池擴展半徑是影響液池汽化速率、LNG蒸汽云擴散距離與積聚時長、池火熱輻射影響范圍重要因素，與事故后果嚴重程度直接相關。在所有泄漏場景中，只有場景No.3、No.4和No.11在地面上形成液池。以場景No.3為例，液池半徑與平均汽化速率曲線如圖4所示。由圖4可知，泄漏初期，由于液池平均汽化速率小于LNG注入速率，液池內LNG體積不斷增大，液池快速向四周擴展，半徑迅速增大，液池平均汽化速率隨液池面積不斷擴大而增大；隨液池與環(huán)境溫差減小，平均汽化速率增長速度逐漸減??；泄漏停止后，液池半徑與平均汽化速率隨液池持續(xù)蒸發(fā)不斷減小。

圖4 泄漏場景No.3液池半徑與平均汽化速率Fig.4 Time-history curves of pool radius and average vaporization rate of No.3 leakage scenario

3種典型泄漏場景對應LNG液池最大半徑如圖5所示。由圖5可知，場景No.4液池擴展半徑最大值為12.04 m，是場景No.11液池半徑5.7倍。這是因為卸車區(qū)附近未設置收集LNG的集液池或攔蓄堤，液池在地面上自由擴展，而儲罐區(qū)設置集液池和圍堰，能有效抑制液池擴展。場景No.4(槽車持續(xù)泄漏至清空)液池最大半徑是場景No.3的1.85倍，表明槽車卸車管路泄漏后，操作員及時按動槽車緊急按鈕，一定程度上減小液池半徑，降低事故后果嚴重程度。

圖5 LNG液池最大半徑Fig.5 Maximum radius of LNG pool

2.2 LNG蒸汽云擴散范圍

若天然氣濃度在爆炸下限5%(LFL)至爆炸上限15%(UFL)之間，會有燃燒或爆炸可能。但由于氣體膨脹與高能量釋放，導致事故影響面積擴大，超過爆炸下限覆蓋區(qū)域。因此，將泄漏點到LFL、50%LFL的最大順風擴散距離分別定義為易燃易爆區(qū)和事故影響區(qū)。LNG加氣站典型泄漏場景對應LNG加氣站典型泄漏場景對應LNG蒸汽云順風擴散距離、最大易燃易爆區(qū)和事故影響區(qū)，分別如圖6～8所示。不同泄漏場景蒸汽云擴散規(guī)律基本一致。以場景No.3和場景No.4為例，LFL和 50%LFL順風擴散距離時程曲線如圖6所示。LFL順風擴散距離隨時間變化趨勢主要分為3個階段：泄漏初期，易燃易爆區(qū)迅速擴大；隨LNG泄漏蒸發(fā)和擴散達到平衡狀態(tài)，易燃易爆區(qū)不再擴大；泄漏停止后一段時間內，易燃易爆區(qū)逐漸縮小直至完全消失。事故影響區(qū)隨時間增加不斷擴大，達到最大范圍后不再改變。

圖6 LFL和50%LFL順風擴散距離Fig.6 Time-history curves of downwind diffusion distances under LFL and 50% LFL

圖7 LFL和50%LFL最大順風擴散距離Fig.7 Maximum downwind diffusion distance of LFL and 50% LFL

圖8 易燃易爆區(qū)與事故影響區(qū)最大覆蓋范圍Fig.8 Maximum covering ranges of flammable and explosive zone and accident affected zone

典型泄漏場景No.1～No.13對應LNG蒸汽云順風擴散距離如圖7所示。由圖7可知，槽車卸車管路泄漏后，50%LFL最遠擴散距離為391 m，是儲罐出液管路泄漏50%LFL擴散距離的1.7倍。由圖8可知，槽車卸車管路泄漏后，形成最大易燃易爆區(qū)半徑為226 m，主要覆蓋加氣站、周邊廠房和臨近交通公路，事故影響區(qū)覆蓋加氣站周圍約400 m范圍內居民區(qū)與高速公路；相比之下，儲罐出液管路泄漏形成的易燃易爆區(qū)與事故影響區(qū)相對較小，主要集中在加氣站周圍278 m的居民區(qū)。顯然，槽車直接為汽車供液導致卸車總時長增加時段內，事故后果更嚴重。因此，日供液量較大的LNG加氣站不宜采用長時間駐站直接供液模式，而應采用卸車入罐、儲罐供液模式，以盡量縮短卸車時長，降低站場運營風險。

2.3 LNG蒸汽云積聚時長

為表征LNG蒸汽云潛在爆炸危險，定義蒸汽云濃度降至50%LFL以下所需時間為LNG蒸汽云積聚時長。典型泄漏場景No.1～No.13對應LNG蒸汽云積聚時長如圖9所示。由圖9(a)可知，無人值守條件下，槽車管路泄漏蒸汽云積聚時長是有人值守的56倍，表明在崗操作員察覺并且及時按動槽車緊急按鈕或關閉手動截止閥，可有效縮短蒸氣云積聚時長，從而降低爆炸可能性。但是長時間卸車，操作員會因環(huán)境惡劣(如高溫、寒冷)、責任心不強等原因脫崗，導致泄漏事故發(fā)生后無法靠近槽車緊急切斷按鈕，或槽車氣動緊急切斷閥因低溫凍結無法關閉，使槽車內LNG持續(xù)泄漏至清空的情況。因此，加氣站應落實并強化槽車卸車輪班值守制度，保證卸車時始終有操作員在崗值守。

圖9 LNG蒸汽云積聚時長Fig.9 Accumulation time of LNG vapor cloud

2.4 爆炸超壓影響范圍

LNG蒸汽云一旦被點燃，將產生強烈爆炸沖擊波，導致人員傷亡、建筑損毀。本文采用超壓準則評價爆炸事故影響[14]，爆炸超壓準則見表4。場景No.4和No.11在槽車管路泄漏與儲罐出液管路泄漏場景中爆炸超壓影響范圍最大，兩者超壓半徑見表4，爆炸超壓影響范圍如圖10所示。

表4 爆炸超壓準則與超壓半徑Table 4 Explosion overpressure criterion and overpressure radius

圖10 爆炸超壓影響范圍Fig.10 Influence range of explosion overpressure

由表4及圖10可知，場景No.11爆炸超壓50 kPa對應超壓半徑為28.4 m，影響區(qū)域主要集中在儲罐區(qū)和加液區(qū)；20 kPa超壓半徑為64.7 m，影響區(qū)域主要集中在整個加氣站；場景No.4爆炸超壓50，20 kPa對應超壓半徑為64.9，86.5 m，分別是場景No.11爆炸2.3,1.3倍，影響區(qū)域不僅覆蓋加氣站，還進一步擴大至鄰近公路及周邊建筑。結果表明：槽車卸車管路泄漏爆炸超壓范圍大于儲罐出液管路泄漏，事故后果更嚴重。

2.5 LNG池火影響范圍

LNG泄漏遇火源可能形成閃火、噴射火和池火。本文主要考慮熱輻射強度大、撲滅難度高的LNG池火，采用熱通量準則評價池火熱輻射傷害，其傷害-破壞準則見表5[15-16]。場景No.4和No.11在槽車卸車管路泄漏和儲罐出液管路泄漏場景中池火熱輻射影響范圍最大，兩者熱輻射影響半徑見表5，熱輻射影響范圍如圖11所示。

由表5和圖11可知，場景No.11熱輻射強度大于37.5，4 kW/m2的影響半徑分別為3.8，14.8 m，影響區(qū)域集中在儲罐區(qū)和加液區(qū)；場景No.4熱輻射強度大于37.5，4 kW/m2的影響半徑分別為30，115 m，是場景No.11熱輻射7.9，7.7倍，影響區(qū)域由加氣站進一步擴大至鄰近公路和周邊建筑。因此，日供液量大、難以增加儲罐容積或工藝改造難度大的在役LNG加氣站，應與周邊社區(qū)建立有效應急聯動方案，確保泄漏事故狀態(tài)下能及時通知、緊急撤離。

表5 池火災熱輻射傷害-破壞準則與影響半徑Table 5 Thermal radiation injury criteria and influence radius of pool fire

圖11 池火熱輻射影響范圍Fig.11 Influence range of pool fire thermal radiation

3 結論

1)LNG槽車卸車過程間歇為汽車供液，卸載2～3車LNG總時長將比常規(guī)卸車連續(xù)入罐模式至少增加6 h；在增加的卸車時段內，槽車供液泄漏導致LNG液池最大半徑與LNG蒸汽云最大擴散距離，分別是儲罐供液泄漏事故的5.7倍和1.7倍。

2)操作員脫崗狀態(tài)下，槽車供液泄漏LNG液池最大半徑與LNG蒸汽云積聚時長為操作員在崗狀態(tài)下的1.85倍和56倍，說明槽車供液泄漏后若能及時切斷泄漏，將顯著降低事故風險。因此，卸車時間較長的在役LNG加氣站應落實、強化槽車卸車輪班值守制度。

3)槽車供液泄漏導致爆炸超壓最大影響半徑、池火熱輻射最大影響半徑，分別為儲罐供液泄漏事故的2.3倍和7.9倍；為保證運營安全，在役LNG加氣站應與周邊社區(qū)建立事故狀態(tài)下應急通知、緊急撤離、控制點火源等聯動方案。

4)日供液量較大的LNG加氣站不宜采用槽車長時間駐站直接為汽車供液的卸車模式，應采用卸車入罐、儲罐供液模式，盡量縮短槽車駐站時長，降低站場運營風險。建議新建LNG加氣站在設計階段開展中遠期日供液量預測，合理確定站場等級、儲罐容積，優(yōu)化卸車加液工藝流程。