LNG 超壓泄露模擬計算及分析

任玉潔REN Yu-jie

（中海石油煉化有限責任公司，北京 100029）

1 LNG 特性

1.1 低溫特性

常壓下LNG 的沸點為-166°C～-157°C（一般取-162°C），與組分有關。LNG 沸騰溫度隨蒸氣壓力的變化梯度約為1.25×10-4°C/Pa，即蒸氣壓力每上升1Pa，溫度約上升1.25×10-4°C。對于LNG 的密度，通常為430～470kg/m3，密度隨液體溫度的變化梯度約為1.35kg/（m3·°C），即液體溫度每上升1°C，LNG 密度約降低1.35kg/m3。同時，LNG 的氣液體積比約為600:1，在標準狀況下1 體積的LNG 氣化為600體積的氣體。因此，液化天然氣（LNG）的低溫特性：LNG接收站場EPC 建設必須考慮LNG 低溫特性的要求；LNG 在生產、運輸、儲存、氣化過程中，相關的設備設施必須能耐-162°C 的低溫，且機械性能不降低；操作人員必須做好LNG 低溫風險的防護等。

1.2 蒸發氣特性

①LNG 能產生蒸發氣體，LNG 的存儲溫度較低，雖然它存放在保冷的儲罐中，但外部的熱量會不斷傳至儲罐中，LNG 吸收這些熱量后會將液體蒸發為氣體，這種氣體叫（BOG，boil off gas）。其蒸發過程為：輕組分的甲烷先從LNG 中氣化出來，重組分后從LNG 中氣化，重組分剩余在液體中導致密度增大。因此，LNG 儲罐等存儲設施（包含截斷閥之間的管道）會安裝氣體安全泄放閥，安全泄放閥會保證有充分的泄放能力。

②LNG 泄露后蒸發氣體擴散特征顯著。當LNG 泄漏后，一開始會劇烈沸騰氣化，之后蒸發速度迅速衰減到一個固定值，該值的大小受土地的換熱特性和空氣的換熱特性及周圍環境條件影響。開始蒸發時其氣體密度大于空氣密度（約是空氣密度的1.5 倍），由于LNG 泄漏時的溫度很低，其周圍環境中的水蒸氣冷凝成水霧，形成一個流動層在地面，由于低溫氣團密度較大將進行沉降。從水霧的運動情況中可以看出蒸發氣和空氣混合物的擴散范圍。因為空氣運動的原因，空氣會被吸入蒸氣云內部，低溫氣團會被加熱，當溫度升高到-112°C 以上時，蒸發氣和空氣混合物在溫度升高的同時密度將逐漸低于空氣的密度。最后，LNG 會逐漸和空氣混合并且全部氣化，直至體積擴大為液體時的約600 倍。

因此，操作運維人員在此環境中存有由于缺氧產生窒息的危險。

1.3 “翻滾”特性

“翻滾”是大量BOG 氣體在短時間內從LNG 儲罐中釋放的過程。“翻滾”發生時將快速地產生大量的蒸發氣體，將使容器受到超壓的危害。來源不同、密度不同的LNG 以及長期靜止儲存的LNG 都有可能引起“翻滾”，在“翻滾”發生前，通常儲罐內部LNG 的氣化速度比較低，應引起重視。

1.4 著火和爆炸特性

LNG 泄漏和氣化后，形成常溫的天然氣，變成天然氣和空氣的混合物。當天然氣的濃度達到5%～15%（體積分數，與組分有關）時遇到明火就容易發生爆炸，高于或低于這個濃度范圍，遇明火時會發生燃燒。5%～15%是天然氣的爆炸極限。因此，當LNG 泄漏后應竭盡所能采取相應措施，使得LNG 氣化后形成的天然氣和空氣混合物的濃度范圍不在爆炸極限內，以降低危險性。形不成著火的條件是最理想的。

1.5 快速相變特性

LNG 泄漏后，水灑到LNG 的表面后由于機械打擊產生接觸后將發生快速相變。快速相變是由于溫差很大的兩種液體接觸時，以爆炸的速度產生蒸氣的情況。這種情況產生的爆炸力雖然不會產生燃燒，但是具有爆炸發生時的所有特征。

LNG 儲罐新投用或檢修后投產不能用水置換、LNG泄漏后不能用水對LNG 進行噴射（淋），就是為了避免發生快速相變。快速相變發生時，LNG 短時間蒸發，以爆炸速度產生蒸氣，危及人員與設備安全。另外，現行國家標準《液化天然氣的一般特性》GB/T19204 也對液化天然氣的一般特性進行了闡述。

2 損失判斷標準

2.1 火災損失（表1）

表1 熱輻射的不同入射強度所造成的損失

2.2 爆炸沖擊波

沖擊波超壓對人體的傷害作用見表2，對建筑物的破壞作用見表3。

表2 沖擊波超壓對人體的傷害作用

表3 沖擊波超壓對建筑物的破壞作用

3 模擬結果

3.1 泄漏

圖1為安全距離范圍（側視），圖2 為安全距離范圍（水平）。

圖1 安全距離范圍（側視）

圖2 安全距離范圍（水平）

說明：NFPA59A 建議LNG 濃度為1/2LEL 處的距離為安全距離，這里體積濃度下限取2.2%（LNG 的LEL 為4.4%）。（軟件自動取值）（下同）

有關的關鍵數據見表4。

表4 天然氣濃度與距離的關系

3.2 爆炸

圖3為破壞性超壓與距離的關系，圖4 為延遲爆炸破壞半徑，圖5 為閃火范圍。

圖3 破壞性超壓與距離的關系

圖4 延遲爆炸破壞半徑

圖5 閃火范圍

閃火的有關數據如表5。

表5 閃火與LFL 的關系

3.3 噴射火

圖6為噴射火輻射強度與距離的關系。

圖6 噴射火輻射強度與距離的關系

噴射火在給定輻射強度值的距離見表6。

表6 給定輻射強度值的距離

4 結論

①嚴格按照設計規范和LNG 安全標準進行設計，在設計上需要發現潛在的安全隱患并提出保障安全的相應措施。包括初步危險分析（PHA），操作危險性分析（HAZOP）、風險定量評估（QRA）、氣體擴散研究和突變分析。工程開始階段采用PHA 技術主要有以下兩個優點：能夠識別出潛在的危險，并用較小的投資和措施來抵御危險，能夠幫助設計組明確或擴展用于整個工廠的生產運行目標。QRA 目的是明確LNG 接收站場等潛在的主要危險，QRA 對廠區的平面布置有重要的影響。②在工程建設的后階段通常要進行更詳細的HAZOP 研究。③確定能夠保護地邊線以外的人身和財產安全的初步平面布置。