基于火災危害分析(FHA)的LNG接收站集液池優化設計

趙順喜,嵇俊,張超

(中海油江蘇天然氣有限責任公司,江蘇 鹽城 224500)

集液池是LNG接收站場中常見的用于收集溢出或泄露LNG的專用坑池,通常分布于接收站碼頭區、儲罐區、工藝區及槽車區。當管道發生LNG泄露時,收集在集液池中的LNG在遇到引火源時會發生池火災現象[1]。《液化天然氣裝置和設備·岸上裝置的設計》(EN 1473—2007)對集液池允許的熱輻射以及《液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝運》(GB/T 20368—2021)對蒸氣擴散濃度與距離均作出了相關要求。通過使用PHAST軟件模擬集液池發生池火災,計算出集液池的熱輻射值與蒸氣云擴散濃度,可優化集液池的尺寸設計與平面布置,確保滿足安全規范要求。

1 火災危害分析(FHA)

1.1 火災危害分析(FHA)介紹

FHA全稱Fire Hazard Analysis,即火災危害分析,指通過收集與項目相關的資料,包括站址信息、布置圖、設計基礎、設備清單、工藝流程圖及氣象條件,辨識出所有的潛在的危險源,并對辨識出來的危險源進行頻率與后果進行分析,依據可信事件的事故后果,對站場的防火防爆、人員應急逃生通道等設計提供數據支持,并提出針對LNG站場的火災爆炸的風險管理措施建議。隨著國內對石油化工行業安全運行要求的不斷提高,越來越多的單位、企業選擇在初步設計階段對建設項目進行FHA分析。

1.2 FHA工作流程

常見的FHA工作流程見圖1。

圖1 FHA工作流程

1.3 可接受標準

目前,國內規范對集液池允許的熱輻射以及蒸氣擴散濃度與距離的要求主要參考以下兩個標準規范:

1.3.1 《液化天然氣裝置和設備·岸上裝置的設計》(EN 1473—2016)

標準規定允許的熱輻射量如表1所示。

表1 允許的熱輻射量(不包含太陽輻射)[2]

1.3.2 《液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝運》(GB/T 20368—2021)

LNG儲罐攔蓄區到建筑紅線的距離,LNG溢出時,應保證建筑在紅線以外,空氣中甲烷的平均濃度不超出爆炸下限的50%[3]。

2 后果模擬及危害距離計算

2.1 場景后果模擬

以國內某LNG接收站為例,接收站紅線范圍內布置4座22萬m3LNG儲罐,儲罐北側為廠區用地紅線,儲罐南側為卸料工藝管廊。T-0201與T-0203共用一個LNG集液池(見圖2),該集液池距離北側紅線128 m。考慮事故發生的不疊加,因此本位以T-0201儲罐為例進行后果模擬與計算分析。

圖2 國內某LNG接收站罐區布置圖

通過計算,該區域可能泄漏場景中LNG最大泄漏量為497 236.90 kg。但是當LNG泄漏后,LNG會立刻產生蒸發,實際到達地面集液池的LNG量遠小于其泄漏量。通過PHAST軟件計算,從圖3可以看出,到達地面的LNG量約為85 000.0 kg,體積大約為180 m3。

圖3 集液池LNG剩余質量隨時間變化曲線

2.2 池火災熱輻射計算

最初設計的集液池尺寸為10 m×10 m×5.5 m,從表2可以看出,集液池產生池火時32 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為32.5 m,15 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為41.3 m, 8 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為50.2 m,5 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為58.9 m。

表2 罐區集液池池火熱輻射影響距離 單位:m

根據PHAST計算結果,從圖4中可以看出,T-0201和T-0203儲罐的混凝土外壁、泡沫站和管廊處在32 kW/m2的熱輻射范圍之內,可能造成儲罐外壁以及管線受損,應考慮調整集液池大小或位置,或設置其他合理熱輻射防護設施;8 kW/m2的影響范圍內未設置建構筑物(控制室、維修車間、實驗室、倉庫等),滿足熱輻射閾值要求;5 kW/m2的影響范圍內未設置行政樓等人員集中區,滿足熱輻射閾值要求。

圖4 罐區集液池(10 m×10 m)池火影響范圍

2.3 蒸氣云擴散計算

罐區集液池氣云擴散范圍見表3,下風向上最大氣云擴散范圍圖見圖5。

表3 罐區集液池氣云擴散影響距離 單位:m

圖5 罐區集液池氣云擴散圖

根據PHAST計算結果可以看出,在2F氣相工況下,50%LFL影響范圍216.6 m,北側已超出廠區紅線約88 m,不滿足GB/T 20368—2021的安全要求。

3 設計優化與控制措施

根據前期PHAST模擬結論:同等條件下,集液池表面積越小,池火災熱輻射影響范圍越小、蒸氣云擴散距離越小。因此初步將集液池尺寸優化為6 m×6 m×6.5 m[4]。

3.1 池火災熱輻射計算

將模型中的集液池尺寸調整后,表4可以看出,集液池產生池火時32 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為19.06 m,15 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為23.77 m,8 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為28.47 m,5 kW/m2的熱輻射最大影響范圍為32.82 m。

表4 罐區集液池池火熱輻射影響距離 單位:m

熱輻射間距顯著降低,均滿足熱輻射閾值要求。最大氣云擴散范圍見圖6。

圖6 罐區集液池(6 m×6 m)池火影響范圍

3.2 蒸氣云擴散計算

罐區集液池氣云擴散范圍見表5,下風向上最大氣云擴散范圍圖見圖7。

圖7 罐區集液池氣云擴散圖

50%LFL可下降至140.2 m,考慮泡沫覆蓋可以降低集液池LNG 20%的氣化速率,模擬計算得到50%LFL可下降至116.39 m,滿足50%LFL不能超出界區的要求。

4 結語

接收站LNG集液池設計需充分考慮相關標準規范的要求,原先設計的10 m×10 m集液池在模擬計算過程中發現,儲罐的混凝土外壁、泡沫站和管廊處在32 kW/m2的熱輻射范圍之內,對儲罐外壁以及管線存在潛在的安全風險,同時在2F氣相工況下,50%LFL影響范圍216.6 m,北側超出廠區紅線88 m,不符合標準規范要求。通過PHAST模擬發現,同等條件下,集液池表面積越小,池火災熱輻射影響范圍越小、蒸氣云擴散距離越小。在隨后的集液池尺寸優化設計,考慮泡沫覆蓋產生的20%的氣化抑制率,可確保15 kW/m2的熱輻射范圍之內不存在建構筑物及管廊管道,同時成功將50%LFL擴散距離下降至116.39 m,滿足不能超出界區的要求。