LNG 超壓泄露模擬計算及分析

任玉潔REN Yu-jie

（中海石油煉化有限責(zé)任公司，北京 100029）

1 LNG 特性

1.1 低溫特性

常壓下LNG 的沸點為-166°C～-157°C（一般取-162°C），與組分有關(guān)。LNG 沸騰溫度隨蒸氣壓力的變化梯度約為1.25×10-4°C/Pa，即蒸氣壓力每上升1Pa，溫度約上升1.25×10-4°C。對于LNG 的密度，通常為430～470kg/m3，密度隨液體溫度的變化梯度約為1.35kg/（m3·°C），即液體溫度每上升1°C，LNG 密度約降低1.35kg/m3。同時，LNG 的氣液體積比約為600:1，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下1 體積的LNG 氣化為600體積的氣體。因此，液化天然氣（LNG）的低溫特性：LNG接收站場EPC 建設(shè)必須考慮LNG 低溫特性的要求；LNG 在生產(chǎn)、運輸、儲存、氣化過程中，相關(guān)的設(shè)備設(shè)施必須能耐-162°C 的低溫，且機(jī)械性能不降低；操作人員必須做好LNG 低溫風(fēng)險的防護(hù)等。

1.2 蒸發(fā)氣特性

①LNG 能產(chǎn)生蒸發(fā)氣體，LNG 的存儲溫度較低，雖然它存放在保冷的儲罐中，但外部的熱量會不斷傳至儲罐中，LNG 吸收這些熱量后會將液體蒸發(fā)為氣體，這種氣體叫（BOG，boil off gas）。其蒸發(fā)過程為：輕組分的甲烷先從LNG 中氣化出來，重組分后從LNG 中氣化，重組分剩余在液體中導(dǎo)致密度增大。因此，LNG 儲罐等存儲設(shè)施（包含截斷閥之間的管道）會安裝氣體安全泄放閥，安全泄放閥會保證有充分的泄放能力。

②LNG 泄露后蒸發(fā)氣體擴(kuò)散特征顯著。當(dāng)LNG 泄漏后，一開始會劇烈沸騰氣化，之后蒸發(fā)速度迅速衰減到一個固定值，該值的大小受土地的換熱特性和空氣的換熱特性及周圍環(huán)境條件影響。開始蒸發(fā)時其氣體密度大于空氣密度（約是空氣密度的1.5 倍），由于LNG 泄漏時的溫度很低，其周圍環(huán)境中的水蒸氣冷凝成水霧，形成一個流動層在地面，由于低溫氣團(tuán)密度較大將進(jìn)行沉降。從水霧的運動情況中可以看出蒸發(fā)氣和空氣混合物的擴(kuò)散范圍。因為空氣運動的原因，空氣會被吸入蒸氣云內(nèi)部，低溫氣團(tuán)會被加熱，當(dāng)溫度升高到-112°C 以上時，蒸發(fā)氣和空氣混合物在溫度升高的同時密度將逐漸低于空氣的密度。最后，LNG 會逐漸和空氣混合并且全部氣化，直至體積擴(kuò)大為液體時的約600 倍。

因此，操作運維人員在此環(huán)境中存有由于缺氧產(chǎn)生窒息的危險。

1.3 “翻滾”特性

“翻滾”是大量BOG 氣體在短時間內(nèi)從LNG 儲罐中釋放的過程。“翻滾”發(fā)生時將快速地產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣體，將使容器受到超壓的危害。來源不同、密度不同的LNG 以及長期靜止儲存的LNG 都有可能引起“翻滾”，在“翻滾”發(fā)生前，通常儲罐內(nèi)部LNG 的氣化速度比較低，應(yīng)引起重視。

1.4 著火和爆炸特性

LNG 泄漏和氣化后，形成常溫的天然氣，變成天然氣和空氣的混合物。當(dāng)天然氣的濃度達(dá)到5%～15%（體積分?jǐn)?shù)，與組分有關(guān)）時遇到明火就容易發(fā)生爆炸，高于或低于這個濃度范圍，遇明火時會發(fā)生燃燒。5%～15%是天然氣的爆炸極限。因此，當(dāng)LNG 泄漏后應(yīng)竭盡所能采取相應(yīng)措施，使得LNG 氣化后形成的天然氣和空氣混合物的濃度范圍不在爆炸極限內(nèi)，以降低危險性。形不成著火的條件是最理想的。

1.5 快速相變特性

LNG 泄漏后，水灑到LNG 的表面后由于機(jī)械打擊產(chǎn)生接觸后將發(fā)生快速相變。快速相變是由于溫差很大的兩種液體接觸時，以爆炸的速度產(chǎn)生蒸氣的情況。這種情況產(chǎn)生的爆炸力雖然不會產(chǎn)生燃燒，但是具有爆炸發(fā)生時的所有特征。

LNG 儲罐新投用或檢修后投產(chǎn)不能用水置換、LNG泄漏后不能用水對LNG 進(jìn)行噴射（淋），就是為了避免發(fā)生快速相變。快速相變發(fā)生時，LNG 短時間蒸發(fā)，以爆炸速度產(chǎn)生蒸氣，危及人員與設(shè)備安全。另外，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《液化天然氣的一般特性》GB/T19204 也對液化天然氣的一般特性進(jìn)行了闡述。

2 損失判斷標(biāo)準(zhǔn)

2.1 火災(zāi)損失（表1）

表1 熱輻射的不同入射強(qiáng)度所造成的損失

2.2 爆炸沖擊波

沖擊波超壓對人體的傷害作用見表2，對建筑物的破壞作用見表3。

表2 沖擊波超壓對人體的傷害作用

表3 沖擊波超壓對建筑物的破壞作用

3 模擬結(jié)果

3.1 泄漏

圖1為安全距離范圍（側(cè)視），圖2 為安全距離范圍（水平）。

圖1 安全距離范圍（側(cè)視）

圖2 安全距離范圍（水平）

說明：NFPA59A 建議LNG 濃度為1/2LEL 處的距離為安全距離，這里體積濃度下限取2.2%（LNG 的LEL 為4.4%）。（軟件自動取值）（下同）

有關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)見表4。

表4 天然氣濃度與距離的關(guān)系

3.2 爆炸

圖3為破壞性超壓與距離的關(guān)系，圖4 為延遲爆炸破壞半徑，圖5 為閃火范圍。

圖3 破壞性超壓與距離的關(guān)系

圖4 延遲爆炸破壞半徑

圖5 閃火范圍

閃火的有關(guān)數(shù)據(jù)如表5。

表5 閃火與LFL 的關(guān)系

3.3 噴射火

圖6為噴射火輻射強(qiáng)度與距離的關(guān)系。

圖6 噴射火輻射強(qiáng)度與距離的關(guān)系

噴射火在給定輻射強(qiáng)度值的距離見表6。

表6 給定輻射強(qiáng)度值的距離

4 結(jié)論

①嚴(yán)格按照設(shè)計規(guī)范和LNG 安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，在設(shè)計上需要發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患并提出保障安全的相應(yīng)措施。包括初步危險分析（PHA），操作危險性分析（HAZOP）、風(fēng)險定量評估（QRA）、氣體擴(kuò)散研究和突變分析。工程開始階段采用PHA 技術(shù)主要有以下兩個優(yōu)點：能夠識別出潛在的危險，并用較小的投資和措施來抵御危險，能夠幫助設(shè)計組明確或擴(kuò)展用于整個工廠的生產(chǎn)運行目標(biāo)。QRA 目的是明確LNG 接收站場等潛在的主要危險，QRA 對廠區(qū)的平面布置有重要的影響。②在工程建設(shè)的后階段通常要進(jìn)行更詳細(xì)的HAZOP 研究。③確定能夠保護(hù)地邊線以外的人身和財產(chǎn)安全的初步平面布置。