LNG站場防火間距及安全性分析

郭開華 王文靜 皇甫立霞 孫標

中山大學工學院

LNG站場防火間距及安全性分析

郭開華 王文靜 皇甫立霞 孫標

中山大學工學院

目前我國相關防火安全規范缺管道明確規定適用于工程事故的分析模型。針對LNG站場主要危險源及防火間距的問題，依據NFPA59 A—2009標準推薦的DEGADIS、LNGFire3和PoFMISE模型原理，研發了適用于我國LNG工程設計的LNG蒸氣擴散模型和池火熱輻射模型，并對模型的準確性和可靠性進行了對比驗證：與Burro實驗測定值對比，所研發的LNG蒸氣擴散模型計算結果相對誤差為19.04%，優于原DEGADIS模型32.88%的相對誤差。將池火熱輻射模型與PoFMISE和LNG Fire3模型的標準結果進行了對比，結果表明：其兼具兩者的優點，更趨安全可靠。據此開發的“液化天然氣（LNG）站場危險性分析平臺”可用于主要危險源及工藝設備的防火間距及LNG站場選址、規劃和設計過程中事故后果的分析評價。

LNG站場 防火間距 LNG安全性 重氣擴散 池火災 危險性分析平臺

中國作為新興LNG進口國，LNG產業發展雖然起步較晚，但近年來發展迅猛，LNG站場日益增多，站場的安全問題隨之凸顯。根據LNG低溫、易揮發、與空氣一定比例混合后可燃和易爆的特性，對LNG站場內主要危險源及無法規定具體防火間距的情形進行有效約束，以滿足LNG工程設計和建設的應用要求，是當前亟待解決的問題，也是政府及企業關注的重點。由于LNG的大規模應用，國際上對其安全性格外重視，在美國，LNG是唯一由美國聯邦法規（49 CFR，193部分）對其儲存設施選址和施工進行詳細具體要求的可燃物質［1］。美國NFPA 59A—2009《液化天然氣（LNG）生產、儲存和裝運》標準規定［2］，對于站場內主要危險源及工藝設備的防火間距，除規定最小間距外，推薦采用可靠的事故模型進行計算，確定事故后果的危害范圍，評價LNG站場的建筑紅線（Property Line）、與站場周邊公共區域的間距以及站場設施間距等的安全性。我國目前的相關標準，如GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規范》［3］，亦提到采用事故模型計算主要危險源的防火間距，但未明確規定適用于我國工程的事故數學模型。事故數學模型的建立是防火安全距離分析評估的重要技術手段。建立科學、可靠的事故模型，分析站場潛在的危險，可保障已建站場的安全運行，為新建、擴建站場的安全設計提供依據。

筆者針對LNG站場主要危險源及無法規定具體防火間距的情形，根據NFPA 59A—2009標準推薦采用的DEGADIS重氣擴散模型原理和LNGFire3模型原理，以及Po FMISE大池火修正模型原理，研發了適用于我國國情的LNG蒸氣擴散模型和池火熱輻射模型，并開發了“液化天然氣（LNG）站場危險性分析平臺”，可用于LNG站場的選址、規劃和設計過程中，主要危險源及工藝設備防火間距的分析評價。

1 國內外標準對LNG站場防火間距規定

1.1 明確規定最小防火間距

根據LNG站場的安全特性與工藝特點，NF－PA59A—2009標準對儲罐間距（Container Spacing）、工藝設備間距（Process Equipment Spacing）、氣化器間距（Vaporizer Spacing）、裝卸設施間距（Loading and Unloading Facility Spacing）等，明確給出最小防火間距［2］。

國內標準GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規范》第10章“液化天然氣站場”、GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》第9章《液化天然氣氣站》，對總儲量小于3 000 m3的小型LNG站場，明確給出相關的防火間距［3－4］。

1.2 模型計算確定防火間距

對于LNG站場內主要危險源及無法規定具體防火間距的情形，如LNG站場的建筑紅線（Property Line）、與站場周邊公共區域的防火間距、確定事故性泄漏的危害范圍、站場內部無法明確規定防火安全間距的其他設施等，國內外標準的相關規定分述如下。

1.2.1 NFPA 59A—2009標準規定

采用數學模型模擬事故發生來計算防火間距。首先設定LNG“溢出場景”和特定的大氣環境，要求在預設條件下，確保：①輻射熱流在站場的“建筑紅線”或最近的居住區不會超過特定值（臨界值）水平；②在大氣中LNG蒸氣的濃度不會超過燃燒下限的50%（此時LNG泄漏產生的蒸氣云在環境中擴散，未被點燃）。對于重氣擴散模型，NFPA 59A—2009標準推薦采用國際通用模型DEGADIS重氣擴散基本模型，對火災熱輻射模型的選取，NFPA 59A—2009標準在推薦原有的LNGFire3模型的基礎上，指出對于大尺寸池火宜選用PoFMISE模型。

1.2.2 GB 50183標準規定

GB 50183標準規定，LNG站場的區域布置除滿足標準規定的防火間距外，尚應按“國際公認的高濃度氣體擴散模型和液化天然氣燃燒的熱輻射計算模型”進行校核，但并未明確給出事故數學模型。

2 液化天然氣（LNG）站場危險性分析平臺研究

筆者開發的液化天然氣（LNG）站場危險性分析平臺（以下簡稱“平臺”）采用Visual Basic 6.0集成開發環境進行面向對象設計，通過Fortran計算語言對LNG蒸氣擴散模型和池火熱輻射模型［4－5］進行編程計算，并封裝成動態鏈接庫（DLL，Dynamic Link Library），為Visual Basic 6.0調用。平臺適用于LNG站場選址、規劃和設計過程中，站場主要危險源及無法規定具體防火安全間距的情形。對于LNG站場潛在的主要危險事故（如LNG泄漏擴散和LNG火災熱輻射），利用平臺的泄漏場景設計和事故模型計算功能，能直觀地在LNG站場布局圖上顯示事故的危害范圍，方便站場設計人員以及評估人員確定防火間距。

2.1 事故計算模型

平臺包括兩種事故模型：LNG蒸氣擴散模型和池火熱輻射模型。這兩種事故模型的開發分別基于NFPA59A—2009標準推薦采用的、國際通用的DEGADIS重氣擴散模型原理和LNGFire3池火熱輻射模型原理，詳細模型描述參見本文參考文獻［5－6］。在LNG重氣擴散模型基礎上，依據LNG泄漏氣化率與空氣卷吸率之間的關系并考慮地面和大氣環境對擴散源的影響因素，建立了LNG泄漏擴散源模型，確定擴散源尺寸、LNG氣化率和空氣實際卷吸率，使得模型更具科學性并切合應用實際。對于池火熱輻射模型，確定了LNGFire3模型和PoFMISE模型與池火尺寸的對應關系，修正兩種模型火焰表面輻射力，突破模型對火焰尺寸的限制，得到適用于大尺寸范圍的池火熱輻射計算；并在圓形池火基礎上，建立了對矩形池火熱輻射計算的方法，使模型能夠適合于計算各種不同形狀和尺寸的池火情況。

2.2 模型驗證

2.2.1 LNG蒸氣擴散模型驗證

將研發的LNG蒸氣擴散模型分別與DEGADIS重氣擴散基本模型計算結果和Burro實驗［7－8］測定值作比較，來驗證模型的準確性和可靠性。初始條件選取Burro系列實驗條件［7］，如表1所示（B3～B9為實驗序號）。驗證結果示于表2。研發模型計算結果對實驗測定值的平均相對偏差為19.04%，小于DEGADIS重氣擴散基本模型計算結果的偏差32.88%。由此可見，研發的擴散模型對于LNG泄漏蒸氣擴散濃度的計算是比較準確和可靠的。

2.2.2 池火模型驗證

將研發的LNG池火熱輻射模型計算結果分別與LNGFire3模型和PoFMISE模型發表的標準計算結果［9］進行比較，來驗證模型的可靠性，驗證結果見表3。研發模型綜合LNGFire3固體火焰模型原理的優點和Po FMISE對大型池火表面熱輻射力的修正，獲得的結果介于兩種模型之間，對于小型池火較貼近LNGFire3，大型池火貼近PoFMISE，其相對誤差約為2.5%的正偏差，說明預測結果更趨安全。由此可知，研發的池火熱輻射模型綜合了LNGFire3和PoFMISE模型的優點，是合理、可靠的。本模型還可對方形池火進行模擬，表3中同時列出相同當量直徑的方形池火的計算結果。

表1 Burro系列實驗初始條件表［7］

表2 蒸氣擴散濃度計算模型驗證表（與Burro實驗［8］和DEGADIS模型對比） 體積分數

表3 池火熱輻射計算模型驗證表（與LNGFire3和PoFMISE比較）

3 應用舉例

3.1 站場描述及安全間距分析

設某LNG站場用于城市燃氣供應，站場內有2只LNG儲罐。場內儲罐區、氣化區、裝卸車區等生產區均屬于危險區，其中儲罐儲存大量LNG，屬重要危險源，筆者僅對裝卸車區的泄漏擴散事故和儲罐區的池火事故進行防火間距計算，其他危險源防火間距計算原理相同，以此類推。利用平臺對蒸氣擴散事故和池火熱輻射事故進行分析計算，確定站場與周邊環境（如居民區、公共聚集地等）之間的防火間距。

3.1.1 泄漏擴散事故場景設定

設定蒸氣擴散事故發生在裝卸車區，分為有集液池和無集液池兩種情況進行模擬計算。LNG從卸料口泄漏，泄漏速率0.05 m3／s，持續10 min。泄漏的LNG流入集液池（有集液池）或地面（無集液池），發生閃蒸氣化，瞬時產生大量蒸氣，形成低溫的重氣云團沿下風向擴散。依據NFPA 59A—2009標準，結合當地氣象條件，設定重氣擴散發生時的大氣及環境條件如表4。

表4 儲罐溢出場景大氣環境條件表［1］

3.1.2 池火熱輻射事故場景設定

依據NFPA 59A—2009標準，設定池火發生的大氣環境條件為：風速10 m／s、大氣溫度30℃、相對濕度70%。假定儲罐內的LNG完全泄漏到圍堰，并引發池火事故，一種情況為兩個儲罐共用一個方形圍堰，一種情況為單個儲罐建立圓形圍堰。

3.2 安全距離計算結果

3.2.1 泄漏擴散事故安全距離計算結果

NFPA 59A—2009標準規定，重氣擴散事故中站場建筑紅線處LNG蒸氣在空氣中平均濃度不超過甲烷燃燒下限的50%（即2.5%）。利用平臺對裝卸車區的蒸氣擴散事故進行計算分析，事故影響范圍如圖1。由圖1－a可知，由于設置了集液池，形成的LNG溢出范圍及重氣云團尺寸較小（圖中圓形區域所示），甲烷體積濃度2.5%的等值線的影響范圍有限；由圖1－b可知，由于未設置集液池，形成的LNG溢出范圍及重氣云團尺寸（圖中圓形區域所示）遠大于有集液池的情況，相應甲烷體積濃度2.5%的等值線影響范圍非常大，遠遠超出廠區范圍。因此，在廠區的危險區域設置集液池收集泄漏的LNG，可有效控制重氣云團尺寸，減小LNG泄漏擴散造成的危害范圍。

3.2.2 池火熱輻射事故安全距離計算結果

圖1 重氣沿下風向擴散體積濃度等值線分布圖

表5 池火熱輻射事故危害標準規定表［1］

NFPA59A—2009標準對熱輻射安全值的限定如表5所示，依據標準對火災熱輻射強度安全值的規定，利用平臺分別對方形和圓形圍堰內池火熱輻射進行計算分析，熱輻射影響范圍如圖2。由圖2－a可知，兩個儲罐共用一個圍堰，導致池火面積較大，熱輻射波及廠區周圍較大范圍；由圖2－b可知，對單個儲罐建立與儲罐外罐相當的圓形高圍堰（如雙容罐和全容罐），可大大減小池火面積，熱輻射波及范圍明顯縮小，且避免當只有單個儲罐發生泄漏而引發與它共用一個圍堰的儲罐發生連帶事故。因此，為減小池火事故波及范圍，在設置儲罐圍堰時，應考慮盡量減小圍堰面積，即減小池火面積，必要時可在儲罐周圍設置高圍堰或采用雙容罐和全容罐，一方面可將火災控制在較小范圍，另一方面可盡量減小對附近其他危險源的影響，以免發生連帶事故。這也正是為什么國際上普遍認為采用雙容罐或全容罐安全等級高的原因。

4 結論

1）計算LNG站場內主要危險源和工藝設施的防火間距，應采用可靠的、經實際應用驗證準確可靠的數學模型，預測事故后果影響的范圍，確定安全距離。

2）事故數學模型的建立是防火距離安全分析評估的重要技術手段。建立科學、準確、可靠的事故模型，分析站場潛在的危險，可保障已建站場的安全運行，并為新建、擬擴建站場的安全設計提供依據。

3）筆者研發的重氣擴散模型和池火熱輻射模型及液化天然氣（LNG）站場危險性分析平臺，可用于LNG站場選址、規劃和設計過程中，站場主要危險源及工藝設施防火安全間距的分析和確定。

4）為減小LNG事故影響范圍，應在LNG站場危險區域采取相應的防護措施，如在廠區危險區域或危險設備處設置集液池收集泄漏的LNG；在儲罐區設置圍堰控制火災面積且應考慮盡量減小圍堰面積，必要時可在儲罐周圍設置高圍堰或采用雙容罐和全容罐。

［1］RAJ P K，LEMOFF T.Risk analysis based LNG facility siting standard in NFPA 59A［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2009，22：820－829.

［2］National Fire Protection Association.Standard for the production，storage，and handling of liquefied natural gas（LNG）［S］.NFPA 59A－2009，2009.

［3］中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50183—2004石油天然氣工程設計防火規范［S］.北京：中國計劃出版社，2004.

［4］中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50028—2006城鎮燃氣設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2006.

［5］孫標，郭開華.LNG池火熱輻射模型及安全距離影響因素研究［J］.中國安全科學學報，2010，20（9）：51－55.

［6］孫標，郭開華.LNG重氣擴散安全距離及影響因素［J］.天然氣工業，2010，30（7）：110－113.

［7］KOOPMAN R P，BAKER J，CEDERWALL R T，et al.LLNL／NWC 1980 LNG spill tests（Volume I）Burro series data report［R］.CA（USA）：Lawrence Livermore National Lab.，1982.

［8］MOHAN M，PANWAR T S，SINGH M P.Development of dense gas dispersion model for emergency preparedness［J］.Atmosphere Environment，1995，29（16）：2075－2087.

［9］RAJ P K.Spectrum of fires in an LNG facility assessments，models and consideration in risk evaluations：final technical report［R］.Washington DC：U.S.Department of Transportation Pineline ＆Hazardous Materials Safety Administration，2006.

Fireproof spacing between equipments and safety analysis at LNG stations

Guo Kaihua，Wang Wenjing，Huangpu Lixia，Sun Biao
（School of Engineering，Sun Yat－Sen University，Guangzhou，Guangdong 510006，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.90－94，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

This paper aims to get a better understanding of major hazards and determine the unsettled fireproof distance at LNG stations.There are neither specific fire protection codes nor any accident analysis models adaptable to engineering practices in present China.In view of this，the LNG vapor dispersion and pool－fire thermal radiation models are developed especially for LNG engineering projects based on the principles of DEGADIS，LNG Fire3，and PoFMISE models recommended in NFPA59A－2009.Then，the accuracy and reliability of the developed modes are validated and compared.（1）Compared with the field experiment of Burros data，the relative error in the calculation results with the LNG vapor dispersion model is 19.04%，better than the previous DEGADIS model with the relative error of 32.88%.（2）In contrast with the results between the PoFMISE and LNG Fire3 and the pool－fire thermal radiation model，the latter combines the merits of the former two models and is more secure and reliable.On this basis，the developed Hazard ＆Risk Analysis Platform for LNG Stations can be also applied to the analysis of major hazards and the fireproof spacing between equipments and to the evaluation of the consequences after accidents in the process of site selection，planning and design of an LNG station.

LNG station，fireproof spacing，LNG safety，diffusion of heavy gas，pool fire，Hazard ＆Risk Analysis Platform

郭開華等.LNG站場防火間距及安全性分析.天然氣工業，2012，32（10）：90－94.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.022

廣東省教育廳液化天然氣與低溫技術重點實驗室資助項目（編號：39000－3211101），中山大學－BP液化天然氣中心資助項目（編號：99103－9390001）。

郭開華，1956年生，教授，美國密歇根大學博士；現任中山大學－BP液化天然氣中心主任，從事能源工程及液化天然氣技術研究工作。地址：（510006）廣東省廣州市新港西路132號中山大學工學院。電話：（020）39332893。E－mail：guokaih＠mail.sysu.edu.cn

（修改回稿日期 2012－09－01 編輯 趙 勤）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.022

Guo Kaihua，professor，born in 1956，got his Ph.D degree from the University of Michigan.He has been engaged in research of en－ergy engineering and LNG technologies.

Add：No.132，West Xingang Rd.，Guangzhou，Guangdong 510006，P.R.China

E－mail：guokaih＠mail.sysu.edu.cn