基于FDS數值模擬的LNG儲備站火災安全評定研究

高明旭 薛艷平 張宏濤 白玉星 張乙

摘要：基于FDS對LNG儲備站廠區池火火災數值仿真，分析了最不利工況火災場景下，熱輻射通量對周邊區域的安全影響，從而為該液化天然氣儲備站的規劃設計提供數據支持。對LNG儲備站廠區的設計和建造提出了建議。

關鍵詞：LNG儲備站火災；數值仿真；熱輻射通量

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）是由天然氣進行凈化處理，通過常壓液化降至其沸點之后形成另一種能源形式。甲烷是主要成分，屬于相當優質環保的燃料。同時，LNG的危險性極高，給人們的生命財產安全帶來了巨大威脅。近年來，LNG儲罐火災安全事故屢屢發生，造成了巨大的經濟損失。

1944年克里夫蘭LNG因儲罐泄漏發生爆炸和火災。1972年1月，加拿大東蒙特利爾魁北克的一座LNG調峰站因壓縮機入口的天然氣管道超壓泄漏發生爆炸。2014年2月8日，江蘇徐州市二環西路北首沈場立交橋旁加氣站的儲氣罐發生泄露引發大火。因此，LNG儲備站火災安全便成了重要的研究課題。

經統計顯示，火災主要是LNG泄漏引起。而在LNG火災類型中，池火是對廠區的危險性最大。當發生 LNG 池火災時，池火火焰的熱輻射場會對周圍一定范圍內的設備和人員造成危害。如果廠區內的布置不合理、存在安全隱患，很有可能會引起進一步的火災，造成更大的損失。本文基于FDS軟件，以LNG場站真實情況布置建立模型，分析了最不利工況火災場景下火災造成事故嚴重程度、場站溫度場的分布及熱輻射危害的影響范圍。由此確定LNG儲罐周圍的危險區域和安全范圍，從而為該液化天然氣儲備站的規劃設計提供數據支持，使其池火火災對周圍的危害損失降低到可接受的水平。

一、數值計算原理

FDS （Fire Dynamics Simulator）以火災中的流體運動作為主要模擬對象，專用于火災動態數值模擬，適用于火災發展過程中煙氣的傳播和火焰周圍熱輻射通量變化以及蔓延的數值仿真 。FDS采用的流體動力學模型為N-S方程的近似形式，該方程可以很好的描述低馬赫數流動問題。國內外火災研究者們對其準確性進行了大量的研究，證明了FDS與實體試驗結果相吻合。

二、FDS模型建立

（一）LNG儲備站模型建立

根據LNG儲備站的實際尺寸，計算區域尺寸設定為：X方向140m，Y方向140m，Z方向25m。LNG中甲烷是主要成分，占到94.4%。因此，將反應的元素參數近似設定為甲烷的元素構成較為合理。從火焰中心開始，在距離火焰中心30m、50m、70m、130m處依次布置熱輻射通量測點。

（二）最不利火災工況設置

根據石油天然氣工程設計防火規范第10.3.4條規定，需模擬燃燒面積為儲罐圍堰內全部容積（但不包括儲罐）的表面著火。質量燃燒速率為0.124 kg/（m2.s）。此火災場景是LNG池火災的最不利工況。

三、數據分析

（一）熱輻射通量及溫度場分布狀況

圖1為LNG儲備站池火火災煙氣、熱輻射通量示意圖，圖2為溫度分布圖。顯然，火災煙氣及熱輻射通量影響范圍廣，大部分區域的溫度達到了1000～1500℃，在這種最不利火災場景發生后，會使得NGL儲罐區的設備損壞，甚至發生更大的次生災害。

（二）儲備站熱輻射通量分析

由圖3到6可知：火災發生后熱輻射通量隨著距離的增加而逐漸減小，距離火焰中心30m處熱輻射通量值約為40kW/m2，距離火焰中心50m處熱輻射通量值約為25kW/m2，距離火焰中心70m處熱輻射通量值約為12kW/m2，距離火焰中心130m處熱輻射通量值約為5kW/m2。

四、結論及工程建議

發生大型泄露事件導致泄露液體布滿圍堰，一旦遇到火源，立即會引起大型池火火災。熱輻射是池火火災危害的主要表現形式，它會對鄰近的設備造成很大的破壞，對人體產生很大的傷害，根據美國LNG規范、參考石油化工裝置設施的火災熱輻射破壞準則，歸納出了熱輻射通量大小對人和設備的傷害如表1所示。

（一）距儲罐周圍70m～130m內熱輻射通量值約為5kW/m2～12kW/m2，根據表1熱輻射通量對設備和人的影響分析，對人體可能會產生燒傷。因此建議不得建造人員密集的場所。

（二）在儲備站周邊50m～70m范圍內熱輻射通量值約為12kW/m2～25kW/m2，根據表1熱輻射通量對設備和人的影響分析，在熱輻射通量達到25kW/m2，人在此環境下暴露1分鐘就有死亡的危險，因此建議為不得居民區等建筑物。

（三）在30m～50m范圍內熱輻射通量值約為25kW/m2～40kW/m2，根據表1熱輻射通量對設備和人的影響分析，在此環境下設施將受到嚴重損失，人員也會有傷亡，因此不能存在建（構）筑物，并根據熱輻射的強度適當加厚擬建設備和建筑物的混凝土的厚度并設置防輻射措施。

參考文獻：

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作者簡介：高明旭（1991—），男，碩士研究生，主要從事綜合管廊防火研究工作。