LNG儲罐火災熱輻射的安全距離影響因素研究

謝頂杉　廖　勇　王　非　王　科　田東民

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司,　四川　成都　610041

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LNG儲罐火災熱輻射的安全距離影響因素研究

謝頂杉廖勇王非王科田東民

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司,四川成都610041

摘要：對LNG泄漏的危害性和池火熱輻射的理論模型進行了研究,通過DNVPHAST軟件計算，分析了池火火災熱輻射的安全距離影響因素,得到了風速、大氣穩定度、泄漏量及圍堰尺寸對池火熱輻射的影響情況和影響程度。研究發現，風速、泄漏量和圍堰尺寸對熱輻射的影響范圍都有不同程度的影響,其中泄漏量影響最大,而大氣穩定度對熱輻射的范圍影響相對較小。

關鍵詞：儲罐；池火；熱輻射；評價模型；安全距離

0前言

液化天然氣(LNG)具有熱值高、體積小、無腐蝕等特點,是全球公認的清潔能源。隨著LNG在工業和民用領域的應用不斷擴大,LNG發生火災、爆炸事故的概率也隨之增加。因此,研究引起LNG發生火災、爆炸等事故的影響范圍和影響因素,對指導現場事故的預防和控制有重要的意義。

1LNG泄漏的危險性分析

LNG發生泄漏不僅會產生蒸氣云爆炸事故和池火火災,還會產生其他危害[3-4]。

甲烷是一種低毒性、窒息性的氣體。大量LNG從LNG儲罐或者LNG輸送管道的破損口溢出氣化。即使沒有遇到火源,但是仍然會導致空氣中甲烷的濃度非常高,進而對工廠巡檢人員、應急人員或者其他可能暴露于正急劇擴散的天然氣氣團中的人員造成窒息傷害；而且超低溫LNG還會對泄漏區域附近的人員或設備產生低溫灼傷或者低溫破壞。

一般來說,氣體的燃燒和爆炸都能產生熱負荷和壓力負荷。通常用火災造成的熱輻射損害的等級來區分和建立火災危險區。對于熱負荷,美國國家防火協會推薦用5 kW/m2的事故熱通量值來確定人員的安全防火距離[5]。熱輻射在通常情況下的損害等級見表1[6]。

天然氣正常燃燒時,擴展速度較低,正常條件下不會產生大的超壓情況。當被引燃的蒸氣云引起蒸發的天然氣回燒到溢出源時,通常稱作“燃燒火球”,如擴散時遇到嚴重的湍流,或者周圍有阻礙物(例如密集的設備或者建筑物),或者遇到高壓火源,就有可能出現燃燒速度加快的現象,從而產生較高壓力乃至形成爆炸。

表1熱輻射在通常情況下的損害等級表

事故熱通量/(kW·m-2)損害類型35～37.5對工藝設備包括儲罐、化工設備或者機器有損害25無明火時,點燃木頭所需的最小能量值18～20塑料電纜的絕緣層暴露在外會退化12.5～15有明火時點燃木頭所需的最小能量值,塑料管道融化值5員工在穿著合適工作服的情況下能緊急操作持續幾分鐘 注:事故熱通量值基于平均暴露時間10min計算得到。

2計算模型選擇

研究LNG發生池火火災熱輻射影響范圍和影響因素,須結合相關理論知識和實際工程情況,有相關數學模型作為理論支撐。LNG池火火災的數學模型主要分為場模型和半經驗模型兩類。

場模型,即通過計算流體力學(CFD)模型,(如FDS,FLUENT等模型),求解N-S方程,并且結合描述火災情況的物理、化學過程的子模型,對LNG火災情況進行預測,它比傳統經驗模型具有更高的可信度,也是未來火災數學模型的發展方向[7-9]。但是場模型的缺點是需要專業技術人員分析,計算工作量大,不適宜一般工程技術人員使用[1],因此不討論此模型。

半經驗模型，是基于過去火災實驗數據得到的經驗公式,主要采用無因次方程關系式來描述火災特點。這種模型具有相對簡單、使用方便,預測結果比較合理等優點,因此該類模型在工程風險評價過程中使用廣泛。因此,重點對常用的幾種半經驗模型進行介紹。

2.1點源模型

點源模型[10]的原理是根據牛頓提出的平方反比定律,即輻射強度與到輻射源距離的平方成反比。假設池火作為一個熱輻射中心點,成半球狀形式向周圍空間輻射熱量,表達式如下：

(1)

2.2固體火焰模型

固體火焰模型的基本原理則是將沒有規則的火焰形狀假定為圓柱形,見圖1。圓柱的直徑為發生池火的直徑,當風速不為0 m/s時,圓柱體將發生傾斜,與豎直方向的夾角為θ。

圖1　固體火焰模型圖

計算公式:

(2)

為方便使用,對上述模型進行簡化：

(3)

在具體使用過程中,固體火焰模型分為LNG-Fire 3和PoFMISE兩種計算模型[1]。

2.3池火定量評價模型

因為池火火焰的對外熱輻射過程實際為換熱過程,對附近人員及設備的影響則體現在輻射的強度和輻射時間上[2]。

池火的火焰高度計算公式：

(4)

池火的總熱流量公式：

(5)

(6)

2.4模型使用建議

通過以上模型分析可知,由于點源模型沒有充分考慮大氣條件等因素的影響,并且在預測結果上,出現小尺寸池火安全距離預測結果偏小,大尺寸池火安全距離預測結果偏大的情況,導致低估小尺寸池火的危害,但又高估大尺寸池火的危害。因此在工程上進行安全評價時,不推薦使用點源模型。

固體火焰模型中的LNG-Fire 3模型在使用中存在未考慮表面輻射力隨火焰高度的變化,也沒有考慮LNG不完全燃燒的問題；PoFMISE模型中系數主要來自LPG或油品火災,LNG池火火災實驗數據較少[1]。因此，在對LNG進行定量分析時,不推薦使用固體火焰模型,推薦采用池火定量評價模型。

3安全距離影響因素研究

PHAST軟件是挪威船級社推出的石化項目危害后果分析工具,是國內應用最普遍的定量風險分析軟件,可用來分析物料泄漏情況,模擬液池的形成、擴散,計算火災后果(包括噴射火、池火、閃火、VCE和BLEVE)等[11-13]。

應用DNV PHAST軟件進行池火火災熱輻射的分析研究,采用單因素法和池火定量評價模型，研究常見影響因素對池火火災熱輻射的影響程度、影響范圍等。

3.1環境風速

環境風速是影響大氣湍流程度的重要因素之一。對于火災熱輻射,風速主要影響大氣的湍流強度,湍流強度的大小影響空氣的熱傳遞系數T。從經驗模型分析風速對熱輻射影響可發現,當風速越大,火焰發展方向往下方向范圍就越廣，越傾向地面,導致高輻射強度的安全距離增加,但低輻射強度的安全距離降低或基本不變[1,14],圖2表示了環境風速對熱輻射安全距離的影響，圖3表示了當環境風速為 1 m/s 時,LNG儲罐破裂，發生池火時不同熱輻射強度的影響范圍。

圖2　環境風速對熱輻射距離的影響

圖3　LNG儲罐破裂發生池火的熱輻射影響范圍俯視圖(1 m/s)

3.2大氣條件

大氣穩定度是表征大氣湍流程度的一種半定量方法。大氣穩定度不同,空氣中物質的組成不同,空氣的密度也會變化,導致燃燒中心的吸收衰減系數k不同。當池火發生在白天或夜間時,其平均光線長度校正系數有所區別。根據以上理論,表2給出了不同大氣穩定度對熱輻射距離的影響。

表2大氣穩定度對熱輻射距離的影響

熱輻射/(kW·m-2)大氣穩定度ABCDEF526.326.5526.8227.2927.1827.29921.6921.8922.1122.2822.3822.463013.113.2413.3913.0813.5513.58 注:熱輻射影響距離為到LNG儲罐中心的距離。大氣穩定度等級一般分為A～F6類,A代表非常不穩定(白天),B代表中等不穩定(白天),C代表輕微不穩定(白天),D代表中性(白天或夜間),E代表穩定(夜間),F代表非常穩定(夜間)[15]。

通過模擬情況可以看出,大氣穩定度對池火火災熱輻射的范圍影響較小。

3.3泄漏孔徑

管道發生泄漏時孔徑的大小會影響泄漏速率和泄漏量,泄漏速率是影響穩態情況下重氣擴散的安全距離的最重要因素之一。重氣擴散的情況則直接影響產生火災熱輻射的影響范圍[14,16]。泄漏量不同,則液池的半徑r就不同,從而影響池火的燃燒強度、燃燒的持續時間。因此，研究了不同泄漏孔徑對熱輻射距離的影響,見表3。

表3泄漏孔徑對熱輻射距離的影響

熱輻射/(kW·m-2)不同泄漏孔徑的熱輻射距離/m5mm25mm50mm100mm200mm完全破裂54.1127.2982.68192.29370.03673.4493.622.4665.7151.16289.1525.3130-13.5838.8386.85164.21298.84 注:熱輻射影響距離為到LNG儲罐中心的距離。

從表3可看出,泄漏孔徑的大小對池火火災熱輻射的影響非常明顯。這是因為孔徑的大小,直接影響泄漏量,孔洞越大,泄漏物資越多,危險區域越大。因此,在實際工程項目中,要密切監視儲罐和管道泄漏情況。

3.4圍堰尺寸

根據GB 50183-2004《石油天然氣工程設計防火規范》10.3.5.3中第三條的規定：儲罐液位以下配有內置關閉閥的圍堰區,設計泄漏量應按照假設敞開流動及流通面積等于液位以下接管管口面積,儲罐充滿時持續流出時間1 h的最大量考慮?？梢奓NG儲罐周圍通常要設計圍堰,以防止儲罐發生泄漏時,液體四處流淌蔓延造成二次傷害。如發生火災,還可以防止火焰蔓延到周邊地區[17-19]。因此,圍堰的大小直接影響液池的大小,進而影響池火的火焰高度H。因此,研究當圍堰形式為正六邊形,其容積保持不變時,圍堰尺寸對熱輻射距離的影響半徑,見表4。

表4圍堰尺寸對熱輻射距離的影響半徑

熱輻射/(kW·m-2)不同圍堰尺寸(?a,h㊣)對熱輻射距離的影響半徑/m不設置(62,0.5)(43,1)(36,1.5)(31,2)(27,2.5)527.2922.3418.7517.7916.8815.13922.4619.7417.6916.3615.7414.883013.5812.0910.9510.579.969.26 注:熱輻射影響距離為到LNG儲罐中心的距離;?a㊣為正六邊形邊長,m;?h㊣為圍堰高度,m。

由表4可看出,圍堰尺寸對池火火災熱輻射的范圍有一定影響,并且隨著圍堰高度的增加,火災熱輻射的影響范圍逐漸減小。但隨著圍堰高度的增加,其減小的幅度降低，這是因為池火火災的發生點在液池內,而液池一般在地面以下,且液池中LNG的量較少,產生的池火火焰高度不會太高。因此,在工程實際項目中,需結合建設成本和安全距離的要求,選擇合適的圍堰高度,不一定以提高圍堰的高度來保障安全距離[20]。

4結論

1)風速和泄漏孔徑的大小對池火火災熱輻射的影響較大,其中泄漏孔徑的大小影響最大。因此,在實際工程項目中,要密切關注發生LNG泄漏量的大小。

2)大氣穩定度對池火火災熱輻射的影響范圍較小。這是因為大氣穩定度主要影響的是LNG泄漏擴散范圍,而池火火災的發生在LNG泄漏擴散完成后,因此大氣穩定度的影響較小。

3)圍堰尺寸對池火火災熱輻射半徑有影響,但過高的圍堰尺寸會增加建設成本。因此,在工程中,需結合工程安全距離要求和建設成本共同確定圍堰的高度。

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收稿日期：2015-10-13

基金項目：內蒙古200×104 m3/d天然氣液化項目資助(Z 2014-6)

作者簡介：謝頂杉(1983-)，男，四川成都人，工程師，碩士，主要從事天然氣凈化與天然氣液化設計工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.006