LNG接收站泄漏事故及火災爆炸后果分析

翁浩銘 李自力 邊江 張成斌

1．中國石油大學(華東)，山東青島266580;

2．山東省油氣儲運安全省級重點實驗室，山東青島266580

LNG接收站泄漏事故及火災爆炸后果分析

翁浩銘1，2李自力1，2邊江1，2張成斌1，2

1．中國石油大學(華東)，山東青島266580;

2．山東省油氣儲運安全省級重點實驗室，山東青島266580

LNG屬于易燃易爆的危險性物品，一旦發生泄漏，可能引發噴射火、池火、蒸氣云爆炸、閃火等危害。利用挪威船級社研制的PHAST軟件，選取具有代表性的泄漏工況對LNG泄漏及可能引發的事故進行分析計算。利用GIS顯示擴散氣體、噴射火及池火熱輻射、蒸氣云爆炸超壓的影響區域，并提出風險防范對策措施，為消防力量的布置以及應急預案的制訂等提供依據。

LNG泄漏;噴射火;池火;蒸氣云爆炸;LNG接收站安全

0 前言

進入21世紀后，我國對能源的需求不斷增加，出于市場需求，我國LNG產業步入了發展的快車道［1］。自2006年以來，沿海地區數座LNG接收站陸續建成投運。截止2015年底，已有14座LNG接收站投產運營，在建及處于規劃階段的接收站達到15座。然而，LNG的管理卻相對滯后，LNG的安全問題也愈發受到各方面的重視。

LNG的儲存溫度很低，在－162℃左右，此外還具有易燃、易爆、易擴散等特點，被列為甲類火災危險性物品。LNG的泄漏一方面可能造成低溫凍傷、窒息等危害，泄漏到水面上還可能造成RPT(快速相變)爆炸;另一方面，泄漏出來的LNG蒸汽云一旦遇到火源將引發噴射火、池火、蒸氣云爆炸、閃火等危害，也可能產生BLEVE(沸騰液體擴展蒸汽爆炸)等危害而形成多米諾效應［2］。

1 LNG泄漏擴散

LNG接收站儲罐區選用全容式混凝土儲罐，閆曉等人［3］對該類型儲罐區進行了風險識別以及相應的評估，認為儲罐發生全面破裂以及罐頂全面失效的概率保守估計為1×10－8y－1，而儲罐的進出料管線發生完全斷裂以及小孔泄漏的概率分別為4.21×10－5y－1和2.1×10－4y－1，進出料管線發生小孔泄漏的概率遠超其他類型的事故。因此本文將對發生概率最大的LNG小孔泄漏進行分析，利用DNV PHAST軟件，以某LNG接收站為例對各類事故后果進行模擬計算。

1.1 計算模型

PHAST采用UDM((Unified Dimensional Model)模型來計算泄漏以及擴散。UDM是一種復合模型，包括兩個子模型:準瞬時模型和有限時間修正模型，模型以距離和時間作為關鍵變量，通過一系列代數方程來描述擴散云團，對于瞬時和連續釋放通過不同的方程來描述并考慮了整個擴散狀態［4］。Pitblado R等人［5］將PHAST的計算結果與Burro等實驗進行對比，兩者較為吻合。

1.2 計算實例

某LNG接收站所在地區平均風速為5 m/s，年平均氣溫為15℃，年平均濕度為70%，大氣穩定度為中等穩定。計算物料選取單組份甲烷代替LNG，儲存溫度為－164℃，泄漏口徑根據API 581推薦取101.6 mm (4 in)［6］，泄漏口高度為1m，水平噴射，連續性泄漏［7］，持續時間為10 min。

1.2.1 液相擴散

經過計算得到該工況下質量流率為41.1 kg/s，噴射速度為19.8 m/s。液相物料經過泄漏口噴射到地面上，在地面上形成液相流動。在不設圍堰的情況下，形成的最大液池半徑為17.5 m，液池具體形成過程見圖1;其蒸發速度和液池與大氣及地面的接觸面積大小有關，因此與液池半徑發展趨勢基本一致，見圖2;液池溫度由于蒸發吸熱帶走部分熱量呈下降趨勢，見圖3。

圖1 液池半徑隨時間的變化關系

圖2 液池蒸發率隨時間的變化關系

圖3 液池溫度隨時間的變化關系

1.2.2 氣相擴散

在液相泄漏擴散的同時，出口處一部分的閃蒸氣以及泄露出來液相的蒸發氣，形成兩相擴散。LNG蒸氣云的擴散過程大致分為四個階段［8－9］:泄漏初始階段、重力沉降階段、混合擴展階段、被動擴散階段。將計算結果以圖表的形式顯示，LNG蒸氣云的LFL(燃燒下限)、UFL (燃燒上限)以及1/2 LFL濃度對應的范圍見圖4～5，圖4以及文中其他俯視圖對應的高度均為1 m。從圖4～5可以看出，擴散出來的低溫氣云1/2 LFL濃度的最遠距離為192 m，高度為8 m，寬度為50 m，呈現出扁平狀。

此外，DNV PHAST提供GIS(Geography Information System)地圖輸入，可以在地圖上直觀地顯示受影響的范圍，為應急指導提供很大的便利。該LNG儲罐區常年風向為北風，該工況下其影響范圍見圖6。

圖4 泄漏口水平面不同濃度云團俯視圖

圖5 泄漏口中心垂直面不同濃度云團側視圖

圖6 GIS上不同濃度對應的擴散范圍

2 泄漏后果

根據歷來發生的LNG泄漏導致的相關事故［10］，以及相關文獻［11］的描述記載，總結了LNG小孔泄漏可能導致的幾種事故及其產生的條件，見圖7。

為定量評估LNG泄漏引發事故的傷害范圍，根據沖擊波超壓準則以及熱輻射傷害/破壞準則［12］，確定了爆炸產生的沖擊波超壓與人體及建筑遭到損害的相應關系以及火災不同熱輻射強度的影響后果，見表1。文中計算影響范圍所需的熱輻射強度及爆炸超壓大小均依據表2。

2.1 噴射火

目前研究噴射火的主要方法有點源模型、多點源模型、固體源模型以及CFD模型。PHAST軟件中的噴射火計算模塊中包含的Cone平頭圓錐體形模型以及API RP 521香蕉形模型，均為固體源模型。相比于點源模型，固體源模型雖然計算復雜，但精度更高［13］。通過對這兩種固體源模型的對比發現，API模型在近場的熱輻射強度要比Cone模型大得多，而對遠場的熱輻射強度估算不足。為充分估計遠場的熱輻射強度，本次計算選用了Cone模型，計算結果見圖8～9，GIS上的熱輻射范圍見圖10。當發生泄漏，氣云被點燃發生閃火，就可能回燃到泄漏口形成噴射火，而在圖10所示范圍內的人員和設備就可能被熱輻射傷害。

圖7 LNG泄漏可能導致的幾種事故后果

表1 沖擊波超壓傷害對照表

表2 熱輻射傷害/破壞準則

圖8 噴射火熱輻射強度與距離關系曲線

圖9 噴射火不同熱輻射強度對應影響范圍

圖10 GIS上噴射火不同熱輻射強度對應影響范圍

2.2 池火

目前通常采用場模型和半經驗模型來對烴類池火災進行研究［14］。場模型通過解決Navier-Stokes方程控制流動，同時結合描述火災中化學及物理過程的分模型，進行火災特性的預測。半經驗模型則是由大量的實驗數據總結推導出半經驗的關系式，如果應用沒有超過有效范圍，將得到合理的預測［14］。半經驗模型因其簡單易用的特點，在工程風險評估領域應用廣泛。

PHAST將池火火焰假設為一個受風剪切的圓柱體，采用Mudan模型計算池火火焰高度，采用Johnson［15］提出的關系式計算火焰傾角。PHAST根據引燃時間不同，將池火災分為早期池火災和晚期池火災。早期池火災發生在液池質量達到平衡階段，晚期池火則發生在液池半徑達到最大的時候。早期和晚期池火不同熱輻射強度對應影響范圍見圖11、12。

從圖11～12可以看出，晚期池火由于其液池半徑比早期的大得多，發生火災時其熱輻射范圍也相應更大。由于LNG液相的蔓延一方面是其超低溫特性會對沿途設備造成損害，另一方面一旦發生池火其熱輻射的影響范圍大大增加，有必要采取措施對LNG液相蔓延進行控制。GIS上晚期池火的熱輻射影響范圍見圖13。

圖11 早期池火不同熱輻射強度對應影響范圍

圖12 晚期池火不同熱輻射強度對應影響范圍

圖13 GIS上晚期池火不同熱輻射強度對應影響范圍

2.3 蒸氣云爆炸

開敞空間氣體爆燃已有的理論研究方法包括TNT當量法、TNO多能模型、Kuhl模型、Baker-Strehlow模型以及CFD數值計算方法［16］。TNO(The Netherlands Organization)多能法是目前模擬預測蒸氣云爆炸的常用方法［17］，是荷蘭TNO實驗室于1985年在大量實驗和數值研究基礎上提出并逐步完善起來的。由于該模型經大量的實驗結果驗證和修正，比較接近事實［18］，因此本次計算采用TNO多能法來對爆炸影響范圍進行預測。該計算中爆炸的能量主要取決于爆炸極限(5%～15%)濃度范圍內LNG的質量，此外爆炸威力的大小還與附近障礙物、氣云尺寸、初始壓力溫度［19］等有關。PHAST根據泄漏情況計算出晚期爆炸的最壞情況(無障礙)，見圖14～15。爆炸中心為點火點，本文的點火點位于氣云前端。

圖14 晚期爆炸最壞情況不同超壓對應影響范圍

圖15 GIS上晚期爆炸最壞情況不同超壓對應影響范圍

2.4 閃火

閃火是一種非爆炸性的燃燒過程。其發生的條件和蒸氣云爆炸的條件類似［20］。閃火的主要危害來自熱輻射和直接接觸火焰，由于持續時間短，燃燒速度相對較慢(10 m/s)［21］，其危害程度要比其他泄漏事故小得多。

3 結論

通過對文中LNG接收站泄漏事故及火災爆炸計算，可以看出風向基本能夠決定危險區域的方位。特別是對于那些常年風向較為固定的LNG接收站而言，在常年風向下風向處保留一定的安全距離，盡量減少設備安置、人員作業，在一定程度上能夠規避風險，減少損失。

目前關于LNG儲罐的圍堰的尺寸如何確定等問題尚無定論。當LNG發生泄漏，儲罐圍堰能夠阻礙LNG氣體的擴散，減小受影響的區域，然而正是由于圍堰的阻攔導致LNG在罐區累積，增大了發生火災爆炸的可能性。因此，為解決LNG儲罐是否設置圍堰等問題，應將泄漏及火災爆炸作為一個連續的過程進行研究，結合發生火災爆炸條件形成概率，綜合評價圍堰的設置。

除了圍堰，高倍數泡沫系統、強制水幕系統也對抑制LNG的擴散有明顯的抑制作用，但是這些措施的具體參數，如高倍泡沫發泡倍數、供給強度，強制水幕系統水壓等，仍需進行深入的研究。此外，從事安全工作的人員應從影響LNG擴散的各個因素入手，拓展思路，努力提出其他有效的LNG泄漏抑制技術。

［1］胡彬，劉希，鄧琳燦．中國LNG發展現狀［J］．化工管理，2015，386(27):1．Hu Bin，Liu Xi，Deng Lincan．The Current Situation of the Development of LNG in China［J］．Chemical Enterprise Management，2015，386(27):1．

［2］何靜，張禮敬，陶剛，等．大型LNG儲罐區個人風險及泄漏后果定量分析［J］．工業安全與環保，2015，41(10): 46－49．He Jing，Zhang Lijing，Tao Gang，et al．Quantitative Analysis on Individual Risk and Leakage Consequences of LNG Storage Tank［J］．Industrial Safety and Environmental Protection，2015，41(10):46－49．

［3］閆曉，趙東風，孟亦飛．大型LNG儲罐區卸料管線泄漏事故定量風險分析［J］．中國安全生產科學技術，2013，9 (4):72－77．Yan Xiao，Zhao Dongfeng，Meng Yifei．Quantitative Risk A-nalysis on Leakage Accident of Unloading Pipeline in Large LNG Storage Tank Farm［J］．Journal of Safety Science and Technology，2013，9(4):72－77．

［4］朱伯齡，於孝春，李育娟．氣體泄漏擴散過程及影響因素研究［J］．石油與天然氣化工，2009，38(4):354－358．ZhuBoling，YuXiaochun，LiYujuan．Researchon Influencing Factors in the Process of Gas Leakage and Dispersion［J］．Chemical Engineering of Oil＆Gas，2009，38 (4):354－358．

［5］Pitblado R，Baik J，Raghunathan V．LNG Decision Making Approaches Compared［J］．Journal of Hazardous Materials，2006，130(1－2):148－154．

［6］周玉希，蔡治勇．基于PHAST軟件的LNG儲配站儲罐泄漏擴散分析［J］．重慶科技學院學報:自然科學版，2013，15 (增刊1):12－16．Zhou Yuxi，Cai Zhiyong．The Analysis of LNG Storage and DistributionStationTankLeakageandDiffusionBased PHAST［J］．Journal of Chongqing University of Science and Technology:Natural Science Edition，2013，15(Suppl 1): 12－16．

［7］苑偉民，袁宗明，畢建偉，等．LNG泄漏擴散模擬研究［J］．天然氣與石油，2011，29(4):1－5．Yuan Weimin，Yuan Zongming，Bi Jianwei，et al．Study on LNG Leakage and Diffusion Simulation［J］．Natural Gas and Oil，2011，29(4):1－5．

［8］莊學強．大型液化天然氣儲罐泄漏擴散數值模擬［D］．武漢:武漢理工大學，2012．Zhuang Xueqiang．Numerical Simulation for LNG Release＆Dispersion from Large Scale Tank［D］．Wuhan:Wuhan University of Technology，2012．

［9］唐建峰，蔡娜，郭清，等．液化天然氣水平連續泄漏重氣的擴散過程［J］．化工進展，2012，31(9):1908－1913．Tang Jianfeng，Cai Na，Guo Qing，et al．Research on the LNG Dense Gas Diffusion:A Continuous Horizontal Jet Release［J］．Chemical Industry and Engineering Progress，2012，31(9):1908－1913．

［10］孫曉平，朱淵，陳國明，等．國內外LNG罐區燃爆事故分析及防控措施建議［J］．天然氣工業，2013，33(5):126－131．Sun Xiaoping，Zhu Yuan，Chen Guoming，et al．An Analysis of Foreign and Domestic Explosion Accidents in LNG Tank Fields and Proposals for Preventing Measures［J］．Natural Gas Industry，2013，33(5):126－131．

［11］張文冬，張永信．基于PHAST軟件模擬大型LNG儲罐泄漏事故［J］．石油化工安全環保技術，2014，30(5):27－31．Zhang Wendong，Zhang Yongxin．Simulation of Leakage Accident of Large LNG Storage Tank Based on PHAST Software［J］．Petrochemical Safety and Environmental Protection Technology，2014，30(5):27－31．

［12］秦慧艷，劉家洪，余翔，等．液化天然氣工廠廠址選擇和總圖設計要點［J］．天然氣與石油，2013，31(6):83－86．Qin Huiyan，Liu Jiahong，Yu Xiang，et al．Site Selection and Plot Plan Design Essentials of Liquefied Natural Gas (LNG)Plant［J］．Natural Gas and Oil，2013，31(6):83－86．

［13］沙錫東，姜虹．LPG噴射火災危害的研究和分析［J］．工業安全與環保，2010，36(11):46－48．Sha Xidong，Jiang Hong．Researches and Analyses of LPG Jet Fire Hazards［J］．Industrial Safety and Environmental Protection，2010，36(11):46－48．

［14］李慧，蔣軍成，王若菌．池火災熱輻射的數值研究［J］．中國安全科學學報，2005，15(10):11－14．Li Hui，Jiang Juncheng，Wang Ruojun．Modeling and Numerical Study of Pool Fire Heat Radiation［J］．China Safety Science Journal，2005，15(10):11－14．

［15］Johnson，A D．Model for Predicting Thermal Radiation Hazards from Large-Scale LNG Pool Fires［J］．ICHEME Symposium Series，1992，(130):507－524．

［16］李生娟，畢明樹，章正軍，等．氣體爆炸研究現狀及發展趨勢［J］．化工裝備技術，2002，23(6):15－19．Li Shengjuan，BiMingshu，ZhangZhengjun，etal．Research Status and Development Trend of Gas Explosion［J］．Chemical Equipment Technology，2002，23(6):15－19．

［17］黃斌，劉揚，傅程，等．LPG儲罐的蒸氣云爆炸后果模擬［J］．內蒙古石油化工，2008，34(19):29－31．Huang Bin，Liu Yang，Fu Cheng，et al．Consequence Simulation of Vapor Cloud Explosion in LPG Storage Tank［J］．Inner Mongolva Petrochemical Industry，2008，34(19):29－31．

［18］張瑞華，陳國華，張暉，等．TNO多能法在蒸氣云爆炸模擬評價中的工程應用［J］．華南理工大學學報:自然科學版，2006，34(5):109－114． ZhangRuihua，ChenGuohua，ZhangHui，etal．Engineering Applications of TNO Multi-Energy Method in VCE Simulation Assessment［J］．Journal of South China U-niversity of Technology:Natural Science Edition，2006，34 (5):109－114．

［19］畢明樹．開敞空間可燃氣云爆炸的壓力場研究［D］．大連:大連理工大學，2001．BiMingshu．AResearchonthePressureFieldsof Unconfined Flammable Gas Cloud Explosions［D］．Dalian: Dalian University of Technology，2001．

［20］Hanna S R，Drivas D G．Guideline for Use of Vapor Cloud Dispersion Model［M］．2ndEdition．New York:Wiley-A-merican Institute of Chemical Engineers，1996:25－47．

［21］劉茂，余素林，李學良，等．閃火災害的后果分析［J］．安全與環境學報，2001，1(4):28－31．Liu Mao，Yu Sulin，Li Xueliang，et al．Analysis of Consequences of Flash Fire［J］．Journal of Safety and Environment，2001，1(4):28－31．

10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.009

2016－06－12

翁浩銘(1991－)，男，浙江普陀人，碩士研究生，主要從事油氣儲運系統安全研究。