基于火災熱輻射分析的LNG加注躉船布置設計

周成，金全洲，田宇忠，甘少煒

（1.湖南省水上交通安全指揮監(jiān)控中心，湖南 長沙 410000；2.中國船級社武漢規(guī)范研究所，湖北 武漢 430000；3.中國船級社，北京 100007）

類似于油躉船，LNG 加注躉船為無動力裝置的矩形平底非自航船，設有LNG 儲罐并固定在岸邊為LNG燃料動力船舶實施燃料加注。LNG 加注躉船平面布置涉及LNG 儲罐和設備的安全保護、LNG 泄漏的防護、防止LNG 或其他可燃液體的燃燒爆炸、人員的安全脫險等方面。其面臨的風險主要來自LNG 泄漏產生的低溫傷害和可燃氣體混合氣被明火引燃而產生的火災或爆炸風險。LNG 加注躉船的甲板布置應確保甲板上具有良好的通風條件，便于可燃氣體擴散。同時，應將潛在泄漏限制在一定范圍內且遠離甲板室，以減少火災熱輻射危害。本文結合湖南首艘油氣合一200mLNG 加注躉船“湘能源一號”設計方案，研究基于LNG 火災熱輻射分析的布置設計。

1 LNG 加注躉船的潛在危害

LNG 是一種無色液體，屬于天然氣經過脫水、脫硫、脫雜質等凈化處理后的液態(tài)形式，主要組份是甲烷（CH4），具有易燃易爆的危險性，泄漏后果受泄漏特征、泄漏量、環(huán)境條件等影響。相比LNG 散裝運輸，LNG加注躉船是一種新生事物，能夠直接借鑒的應用經驗較少，只能借助LNG 運輸船和岸上加注站經驗及國外研究成果來分析。

對于加注躉船，LNG 泄漏后可能出現(xiàn)的危害及火災情形包括低溫影響、閃火、池火、蒸氣云爆炸、噴射火。低溫影響主要源自泄漏時深冷的LNG（-162℃）在未被引燃時可能對人員產生低溫凍傷以及對金屬的冷脆傷害。泄漏后延遲點燃的情況下，蒸氣云不會一次性全部燃燒，試驗表明該情況下產生的閃火以10-20m/s 的較低速度傳播，傳至泄漏源形成池火或噴射火。噴射火的泄露源主要為帶壓管路或容器的破孔；池火對應的泄漏源為大量泄漏后自然形成的液池或泄漏至圍堰、集液盤等設施內形成的液池。蒸氣云在圍蔽或受限空間被引燃，則會產生有害超壓，造成蒸氣云爆炸危害。

上述各種危害中，通過配備防護服、安全培訓以及布置構造設計，可有效控制低溫影響。閃火到達附近物體的總輻射量通常低于來自相同距離持續(xù)時間較長的池火或噴射火。由于設置緊急切斷閥的原因，在較短時間內遇到明火產生噴射火概率低。加注躉船的LNG 補給、供應管路及儲罐都設置在開敞甲板，可燃氣體蒸氣壓擴散受限并遇明火發(fā)生蒸氣云爆炸的概率低。比較而言，池火是最可能發(fā)生、危害后果最嚴重的一種危害形勢。

2 LNG 池火熱輻射模型

用來模擬LNG池火熱輻射的常用模型有點源模型、Shokri-Beyler 模型及Mudan 模型。點源模型是一種不考慮火焰幾何參數(shù)的簡化模型，此模型假定火的輻射能由一點向外輻射，而不是由代表火焰的理想形狀（如錐形或圓柱形）向外輻射，其所考慮的外界影響因素較少，適用于理論化的趨勢比較，對具體場景的計算結果可參考性不高。Shokri-Beyler 模型相對點源模型做了一定的優(yōu)化，其基于輻射體和目標之間的角系數(shù)來處理輻射熱流問題。模型假設池火焰為具有均勻輻射能力的圓柱形實體輻射源，圓柱形輻射源的直徑等于液池的直徑，高度為池火焰長度，但相關假設對實際場景仍然簡化較大。

Mudan 模型把池火焰看作是一個垂直（無風條件下）或者傾斜（有風條件下）的圓柱形輻射源。在Mudan模型中，除了考慮池火焰表面的有效熱輻射通量和被輻射目標物與池火焰間的視角關系，還考慮了大氣透射系數(shù)的影響。對于含有大量黑煙的碳氫化合物池火焰，其表面的熱輻射通量計算還考慮了黑體輻射強度、消光系數(shù)及煙塵輻射強度。相對來說Mudan 模型更為準確，并作為中國船級社發(fā)布的《油氣定量風險評估指南》[中的推薦模型。該指南中，采用Mudan 模型計算熱輻射強度，采用Thomas 模型計算池火火焰高度，采用Bagster 模型計算大氣熱傳遞系數(shù)，采用Babrauskas 計算質量燃燒效率。相關計算模型如下：

式中：Qm——Mudan 模型模型目標所在位置的熱輻射強度，W/m；

F——視角系數(shù)，具體計算可參見TNO 黃皮書相關章節(jié)，保守值可取1；

SEP——火焰表面熱輻射能，W/m；

SEP——火焰最大表面熱輻射能，W/m；

SEP——煙粒表面輻射能，W/m，對于烴類如天然氣和苯等經驗值為20×10；

f——熱輻射系數(shù)，經驗值為0.1～0.4；

H——火焰高度，m；

H——燃燒熱，J/kg；

D——液池直徑，m；

m——質量燃燒速率，kg/(m·s)；

k——火焰的吸收衰減系數(shù)，m-1；

x——目標至火焰中心水平距離，m；

p——環(huán)境溫度下空氣中的水蒸氣壓力，N/m；

p——環(huán)境溫度下的飽和水蒸汽壓力，N/m；

R——相對濕度；

θ——火焰傾角，°。

有目共睹的是，“薩德”全面爆發(fā)后，訪韓游客急劇下滑，韓妝在華遇冷。但事實上，韓妝的弊病在“薩德”之前就已顯現(xiàn)，從另一個角度看，“薩德”也提前催化了韓妝的調整與變革。

3 LNG 池火熱輻射衡準

目前國際上有兩種指標來評價LNG火災的熱輻射。一種是熱輻射通量kW/m，另一種是包括了熱輻射通量和暴露時間的mtdu。mtdu=It，I 的單位為kW/m，t 的單位為s。

國際上對LNG 火災下人員以及鋼結構可接受熱輻射通量值的規(guī)定不盡相同。對于鋼結構建筑物和設備，可由目標所在位置的熱輻射通量值進行衡準。對于人員來說，評判準則的熱輻射通量是指自火源到目標所在位置的值，而不是人皮膚實際感受的熱輻射通量。熱輻射會導致皮膚升溫，當人的皮膚達到41～60℃之間，持續(xù)一定時間便會發(fā)生低溫灼傷。我國為完善定量風險評價體系，全國安全生產標準化技術委員會立項制定，并由國家安全生產監(jiān)督管理總局發(fā)布了《石油化工企業(yè)定量風險評估導則》。中國船級社綜合考慮國內外相關標準的相關規(guī)定，結合自身項目經驗編寫了《油氣定量風險評估指南》，表1列出了上述指南對可接受熱輻射值的規(guī)定。

表1 熱輻射衡準

上述導則及指南在編制過程中考慮了國外其他國家或機構對定量風險評價技術的規(guī)定和國內化工企業(yè)及水上LNG 應用過程中的現(xiàn)實性，綜合適應性更強。相對于設備，人員對熱輻射的耐受性低很多，從避免人員熱輻射死亡的角度基于熱輻射定量計算進行躉船人員起居和工作艙室布置，可以更加充分的保證LNG 躉船應用過程中的人命安全。按《石油化工企業(yè)定量風險評估導則》，避免人員死亡的熱輻射值為4.7-6.3kW/m。按《油氣定量風險評估指南》，避免人員死亡的熱輻射限制為5kW/m。中國船級社編制的指南不但適用于陸上油氣站場，還適用于水上船舶、海上油氣生產設施的后果定量計算。綜上，本文采用5kW/m作為可接受熱輻射強度進行火災危害距離分析。

4 躉船火災危險距離分析及甲板布置

200mLNG 加注躉船“湘能源一號”的結構布置為單底雙舷、單甲板全鋼質焊接結構，船底、甲板、舷側結構形式為縱骨架式。船體材料用CCSA 級鋼。該船主甲板以下設6 道水密橫艙壁，3 道縱艙壁。主甲板臨岸面設置鋼引橋連接裝置，臨江面設置活動登船梯，臨江面設置帶纜樁，前后設置錨泊系固，用于躉船連接固定，并在甲板上設相應的標準排放接頭。主甲板FR.12-FR.54 為氣罐區(qū)，其上設兩個真空絕熱C 型獨立儲罐，每個儲罐容積為100m；FR.54-FR.92 為貨油及隔離區(qū)；FR.92-FR.117 為甲板室，包括貨控室、人員休息室、配電間、值班室及其他相關功能性起居處所。

就LNG 系統(tǒng)而言，躉船LNG 儲罐可由岸上LNG槽車補給，也可由水上移動LNG 加注船進行補給。LNG 加注系統(tǒng)的輸送泵、閥件、傳感器、儀表等均布置在液貨艙接頭處所內，液貨艙接頭處所布置在前述氣罐區(qū)域內，由不銹鋼材料制造。在臨江面設置一臺軟管吊，用于吊裝LNG 加注軟管和接頭。FR.23 以及FR.47 臨江側分別設置補給管路接口和加注管路接口，用以為該船貨罐補給LNG 以及由該船為燃料動力船舶加注LNG。

該船按中國船級社《液化天然氣燃料加注躉船入級與建造規(guī)范》的要求設計建造。如前所述，LNG 系統(tǒng)相關儀表、閥件均設置在液貨艙接頭處所內。按規(guī)范要求，液貨艙接頭處所為氣密性結構，由耐低溫材料制造，能安全容納相關儀表、閥件泄漏的LNG。液貨艙接頭處所設有滿足規(guī)范要求的通風、監(jiān)測、報警系統(tǒng)，可不考慮該處所內的火災場景。由上，加注及補給接口為該船的主要泄漏源，故在補給管路接口和加注管路接口下分別設置尺寸為950×1250mm 和800×700mm 的集液盤，以承接補給、加注過程中可能泄露的LNG。

如前所述，加注過程中泄露的LNG 承接在集液盤中，一旦被引燃，則形成液池大小為集液盤尺寸的池火。本文偏保守的采用集液盤對角線長度作為液池等效直徑進行計算，即補給接口處液池直徑取1570mm，加注接口處液池直徑取1060mm。該船布置在長沙地區(qū)，根據文獻中的氣象數(shù)據，下文計算過程中實體火焰模型采用的風速為2.5m/s。

按本文所述實體火焰模型進行計算，計算結果見表2。

表2 火災熱輻射計算結果

實體火焰模型考慮的風速為2.5m/s，大氣溫度取15℃，大氣濕度0.7，環(huán)境空氣密度1.224kg/m。由此，對于補給口處池火，計算得到的火焰長度為5.29m，火焰水平方向投影長度為4.26m；對于加注口處池火，計算得到的火焰長度為3.92m，火焰水平方向投影長度為3.21m。本文偏保守的假定甲板室位于液池下風向。

由前所述，該船為油氣合一LNG 加注躉船，為減少火災熱輻射傷害對人員的潛在傷害，在LNG 儲罐區(qū)域與甲板室間設置隔離艙及貨油艙，使得補給口集液盤與甲板室端壁間的距離為34.5m，加注口集液盤與甲板室端壁間的距離為22.5m，確保甲板室區(qū)域遠離火災熱輻射傷害范圍。

5 結論

（1）水上LNG 加注躉船甲板布置過程中，甲板室應遠離潛在泄露源。使用5kW/m作為熱輻射可接受衡準可有效保證人命安全。

（2）Mudan 實體火焰模型除了考慮池火焰表面的有效熱輻射通量和被輻射目標物與池火焰間的視角關系，還考慮了大氣透射系數(shù)的影響。對于含有大量黑煙的碳氫化合物池火焰，其表面的熱輻射通量計算還考慮了黑體輻射強度、消光系數(shù)及煙塵輻射強度。建議使用該模型進行火災熱輻射分析計算。

（3）火災模型計算過程中應盡可能考慮評估對象所在位置的環(huán)境條件，通過偏保守的計算分析火災熱輻射傷害范圍。

（4）實體火災模型無法考慮障礙物如水幕、隔熱擋板等對熱輻射的影響。如要精確分析不同隔熱措施對火災熱輻射的影響，建議使用基于計算流體力學的火災后果分析方法進行計算。