某液化天然氣儲罐泄漏的火災后果預測

許 淵，尹 斌，伍 蒙，李 左,陳慧芳

(1．武漢工程大學興發(fā)礦業(yè)學院 安全技術(shù)及工程，湖北 武漢 430070； 2．昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司，湖北 黃岡 438011)

1 我國液化天然氣的需求將持續(xù)增長

我國是天然氣消費大國，目前，我國的天然氣消費量穩(wěn)居世界第三。僅2017年，我國就消耗天然氣2300億m3，其中，有930億m3是進口的。發(fā)改委十三五規(guī)劃中明確提出，到2020年，國內(nèi)天然氣綜合保供能力達到3600億m3以上，其中自產(chǎn)天然氣2070億m3。剩下的部分中，預計有500億立方米通過天然氣管道進口。除此以外，大約有1000億m3天然氣的空缺，這就依賴于LNG來補充[2]。根據(jù)2013年到2017年的LNG消費趨勢預測，我國以后的LNG需求仍會持續(xù)上升。

2 LNG儲罐向著大型化發(fā)展

當前，國家對天然氣儲罐自主開發(fā)的研究力度越來越大[1]。LNG大型儲罐的建設也在逐步從沿海往內(nèi)地發(fā)展，儲罐的容量也在經(jīng)歷有小到大的發(fā)展，逐步跟上世界的發(fā)展潮流。綜合來看，現(xiàn)在全世界的LNG儲罐都在朝著大型化這一方向發(fā)展，全世界LNG儲罐類型及罐容發(fā)展情況見圖1[5]。

圖1 全世界LNG儲罐罐容發(fā)展情況

3 液化天然氣儲罐泄漏造成的危害

3.1 低溫危害

LNG在儲罐中是低溫液體，一般是零下162℃，因此，儲罐泄漏事故發(fā)生后，首先低溫的LNG會凍傷附近的工人。此時如果觸碰低溫容器的外壁或管道，工人表皮會粘附在表面上，造成傷害。此外，泄漏后的天然氣會與周圍大氣進行熱交換，LNG由液態(tài)轉(zhuǎn)向氣態(tài)，這是一個吸熱反應，會在泄漏源附近形成一個低溫環(huán)境，對其范圍內(nèi)的人員和設備造成不同程度的損傷。

3.2 窒息危害

在發(fā)生泄漏一段時間后，天然氣逐漸由液態(tài)向氣態(tài)轉(zhuǎn)變，會在泄露源附近形成一團天然氣與空氣的混合云團。雖然天然氣本身無毒，但是當空氣中充滿了氣態(tài)天然氣后，會使得氧氣含量下降，在低氧環(huán)境下，人會出現(xiàn)缺氧，甚至窒息[3]。窒息共分為一下四類情況，各種情況對應的癥狀詳見表1。

表1 窒息各情況對應癥狀

3.3 火災爆炸危害

LNG儲罐發(fā)生泄漏后，如果泄漏點附近有一個地勢較低的凹槽，則會形成液池，隨后發(fā)生閃蒸氣化，在較短時間內(nèi)產(chǎn)生大量蒸氣[3]，當蒸氣云在其爆炸極限內(nèi)遇火源，則會發(fā)生蒸氣云爆炸事故，假如發(fā)生爆炸事故的蒸氣云位于還未揮發(fā)完全的液池上方，則會導致池火災事故。

4 LNG儲罐泄漏后果預測

4.1 LNG儲罐信息

該工廠位于火車站和火車站附近，廠區(qū)內(nèi)共有兩個100m3的臥式儲罐。罐區(qū)圍堤面積為999m2。儲罐詳細信息見下表2。

表2 儲罐詳細信息

4.2 LNG儲罐泄漏池火災預測

4.2.1 LNG儲罐泄漏量預測

該LNG工廠設兩個100m3的臥式儲罐，事故預測時假定其中一個儲罐發(fā)生泄漏，泄漏LNG重量為標準儲存量的10%，即5.36噸。

4.2.2 LNG泄漏燃燒熱輻射通量

泄漏的LNG液體在罐區(qū)地面形成液池,遇點火源發(fā)生燃燒時,火焰產(chǎn)生的總熱通量輻射通量Q采用下式計算：

Q=ηHcW/T

LNG泄漏燃燒持續(xù)時間T采用下式計算:

T=W/(S×mf)

式中:Q——LNG泄漏燃燒總熱輻射通量，kW；

W——LNG泄漏量，kg；

Hc——LNG燃燒熱，kJ/kg；

T——LNG泄漏后持續(xù)燃燒時間，s；

η——LNG燃燒效率因子；

mf——LNG燃燒速度，kg/·s

S——液池面積。

根據(jù)儲罐實際情況，LNG泄漏量為5.36噸，即W為5360kg；LNG主要成分為甲烷，故Hc(燃燒熱)取值為甲烷燃燒熱，55594kJ/kg；η(燃燒效率因子)根據(jù)LNG特性，取值為0.35；LNG燃燒速度取0.05 kg/·s。

根據(jù)罐區(qū)實際情況，LNG罐區(qū)圍堤面積：27×37=999，減去其中三個罐體占地面積，分別為75和兩個86，泄漏出來的液體充滿，則液池面積約為838。

計算結(jié)果見下表3。

表3 計算結(jié)果

4.2.3 火災熱輻射傷害半徑

火災通過輻射熱的方式影響周圍環(huán)境,不同入射熱輻射通量造成人員傷害或財產(chǎn)損失的情況見表4[4]。

表4 熱輻射的不同入射通量造成的傷害及損失

設泄漏液體燃燒全部輻射熱量由液池中心小球面發(fā)出，則距液池火焰中心某一距離(x)處的入射的熱輻射強度I(W/)為：

I=Qtc/4πx2

式中：Q——總熱輻射通量，kW；

tc——熱傳導系數(shù)；

x——目標點到液池中心距離及火災傷害半徑，m。

各傷害等級距離池火災中心的距離計算結(jié)果見表5。

表5 LNG儲罐泄露池火災熱輻射傷害距離

4.2.4 LNG儲罐火災事故后果分析

LNG儲罐泄漏火災事故后果預測表明，若發(fā)生事故，熱輻射能量kW，火災熱輻射可造成的傷害距離分別為：距池火中心39.5m為死亡半徑，相應的重度燒傷半徑為48.4m，輕度燒傷半徑為68.4m，無影響半徑120m。

4.3 LNG蒸氣云爆炸事故預測

4.3.1 蒸氣云爆炸事故情景

假設罐區(qū)一個 LNG 罐破裂發(fā)生泄漏，泄漏量假定為 10 t，泄 漏的低溫 LNG 溫度迅速上升至環(huán)境溫度、快速汽化形成蒸氣云，與 空氣混合形成爆炸性混合氣體，遇點火源發(fā)生蒸氣云爆炸。

4.3.2 LNG蒸發(fā)形成的氣體量

LNG 在沸點下儲存(溫度-162℃)，儲罐泄漏后液化氣無閃蒸 過程，LNG 溫度隨環(huán)境溫度迅速上升汽化形成蒸氣云，形成的可燃 蒸氣量 V 按下式計算：

V=WRTb/PM

式中：W——LNG 泄漏質(zhì)量 kg；

Tb——環(huán)境溫度K；

P——環(huán)境大氣壓 kP；

M——LNG摩爾質(zhì)量 g/mol；

R——氣體常數(shù)，kJ/gmol·K。

根據(jù)罐區(qū)實際情況，泄漏質(zhì)量W為10000Kg；該工廠位于湖北省黃岡市境內(nèi)，設定其溫度為30攝氏度，即Tb取值為303K；同理，環(huán)境大氣壓為普通氣壓，設為101.3 kP；LNG摩爾質(zhì)量，查閱資料可得，為16.73g/mol；氣體常數(shù)取值為8.314kJ/gmol·K。

根據(jù)計算，10 噸LNG全部汽化形成的蒸汽量：V=14864N m3。

4.3.3 爆炸性氣體危險范圍預測

根據(jù)天然氣爆炸極限,預測 LNG 蒸發(fā)后的天然氣與空氣混合形 成的爆炸性氣體擴散范圍，預測時假定蒸發(fā)的天然氣呈半球狀擴散， 擴散區(qū)域半徑按下式計算：

r=(V/2.0944C)1/3

式中：V——LNG蒸發(fā)氣體體積m3；

C——天然氣爆炸極限濃度。

表6 天然氣爆炸危險區(qū)域范圍

根據(jù)前面計算得出LNG全部氣化量為14864N m3，故在標準情況下，LNG蒸發(fā)氣體體積為14864m3，天然氣爆炸極限濃度，取值5%～15%LNG 蒸發(fā)形成的爆炸危險區(qū)域范圍預測結(jié)果見表6。

4.3.4 蒸氣云爆炸總能量

LNG 蒸氣云爆炸的能量按下式計算：

E=1.8 aWfQf

WTNT=E/QTNT

式中：a——可燃氣體爆炸當量系數(shù)；

Wf——LNG蒸發(fā)形成的蒸氣體量，kg；

Qf——天然氣燃燒熱，kJ/kg；

QTNT——TNT爆炸熱，取QTNT=4520 kJ/kg。

其中，1.8為地面爆炸系數(shù)，天然氣相對密度 0.7，不取值；a為可燃氣體爆炸當量系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取0.04；LNG蒸發(fā)形成的蒸氣體量，10噸，故為10000kg，天然氣燃燒熱，查閱資料可得，為55564 ；QTNT ，TNT爆炸熱，查閱資料可得取4520kJ/kg。

經(jīng)計算E= 40006080kJ、WTNT=8850 kg

4.3.5 爆炸沖擊波超壓傷害范圍

(1)死亡區(qū)范圍預測

死亡區(qū)范圍按TNT沖擊波超壓-沖量準則公式計算：

R=13.6(WTNT/1000)0.37=31m

(2)重傷和輕傷區(qū)范圍

重傷和輕傷區(qū)范圍按蒸氣云爆炸沖擊波超壓公式計算：

Ln(△PS/P0)=-0.9126-1.5058 LnZ+0.167 Ln2Z-0.032 Ln3Z

式中：Z=R(P0/E)1/3，

R——目標到蒸氣云中心距離，m；

P0——大氣壓Pa；

E——蒸氣云爆炸總能量 J。

蒸氣云爆炸沖擊波重傷超壓按 44kPa 計，輕傷超壓按 17kPa 計，根據(jù)蒸氣云爆炸沖擊波超壓計算公式得出： 重傷半徑：R1=70m；輕傷半徑：R2=131 m。

建筑物破壞半徑用下式計算：

KⅡ——建筑物破壞等級，二級為 4.6。

R財=78m。

LNG 蒸氣云爆炸破壞范圍計算見表7。

表7 LNG 蒸氣云的爆炸危害范圍

由預測結(jié)果可見，當LNG儲罐破裂發(fā)生泄漏，泄漏的LNG全部蒸發(fā)與空氣混合成爆炸性氣體擴散區(qū)域半徑36～52m；LNG蒸氣爆炸的能量為相當于TNT當量8850kg，爆炸沖擊波可造成人員的死亡半徑31m，重傷半徑70m，輕傷半徑131m、造成建筑物損壞半徑78m的危險危害區(qū)域。

5 結(jié)語

液化天然氣儲罐發(fā)生泄漏事故后，主要會造成三方面的危害，分別是低溫危害、窒息危害和火災爆炸危害。而這其中有數(shù)火災爆炸的傷亡最大。因此，針對LNG(液化天然氣)儲罐泄漏后的不同類型的火災爆炸事故進行了計算，預測出其不同的傷亡半徑。為涉及LNG(液化天然氣)儲罐的企業(yè)應急救援預案的編制和同類企業(yè)發(fā)生事故后的應急救援提供理論依據(jù)和指導，減少人員的傷亡和財產(chǎn)的損失。