大型LNG储罐泄漏事故后果分析*

俞志东，吴建林

(广东石油化工学院 石油工程学院，广东 茂名 525000)



大型LNG储罐泄漏事故后果分析*

俞志东，吴建林

(广东石油化工学院 石油工程学院，广东 茂名 525000)

天然气是一种优质、高效的清洁能源，广泛地应用于各个行业中。我国部分沿海城市已建造了大型LNG接收站，运用PHAST软件，输入发生事故时的真实场景，可对LNG储罐泄漏事故后果进行计算和分析，从而确定泄漏、扩散、燃烧和爆炸等危险区域范围。分析结果能帮助接收站直观了解发生事故后的危险程度，进而能够针对性地采取相应的安全措施。

LNG储罐；泄漏；PHAST；事故后果分析

为了适应低碳经济的发展趋势，天然气作为经济实惠、绿色环保、安全可靠的能源之一，被广泛地应用于各个行业领域。LNG(液化天然气)的工业化进程给人类带来了经济和便利，我国部分沿海城市已经建造了大型LNG接收站，接收站中含有16万m3的LNG储罐。然而，一旦LNG发生泄漏，会产生低温、燃烧爆炸、窒息和快速相变等危害，会在生产、储存和运输的过程中对周边的人群和财产造成严重的威胁[1-3]。在LNG工业近百年的发展历史中，世界上发生了多起严重的LNG泄漏爆炸事故，造成了重大的经济损失和人员伤亡。因此，对大型LNG储罐泄漏事故进行分析具有重要意义。

1　LNG储罐泄漏后果理论分析

1.1池火的影响区域

LNG泄漏后可能会在地面形成液池，遇火源则会形成池火。当燃烧速度等于泄漏速度时，液池直径达到最大[4]。最大直径可按下式计算：

式中：D为液池直径，m；mf为液体单位面积燃烧速率，kg/(m2·s)。

液池的燃烧速率为：

式中：c为常数，0.001 kg/(m2·s)；Hc为液体燃烧热，J/kg；Hv为液体在常压沸点下的蒸发热，J/kg。

液池燃烧时放出的热辐射通量为[5]：

式中：Q为液池燃烧时放出的热辐射通量，W；φ为效率因子,范围为0.13～0.35,保守取值为0.35；L为火焰高度，m。

距离液池中心某一距离(x)处的入射热辐射强度[5]为：

式中：Ix为接受点热辐射强度，W/m2；τ为大气投射率,%；x为目标点到液池中心距离，m。

1.2喷射火焰影响区域

对于LNG储罐发生的连续泄漏事故，如果在泄漏源遇到点火源，就会形成喷射火焰[5]。假定热量是从喷射火中心轴线上一系列相等的辐射源发出,每一点的热通量为：

式中：E为点热源热辐射通量，W；η为效率因子，取0.35；n为假设的点源数。

距离点源某一距离(xi)处的入射热辐射强度为：

式中：Xp为发射因子，取0.2。

1.3BLEVE事故影响区域

BLEVE(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)即沸腾液体扩展蒸气爆炸。储罐发生爆炸，而且LNG从储罐内释放出来并被点燃，会形成火球并伴有强烈的热辐射[6]。

火球的直径和持续时间分别为：

式中：M为急剧蒸发的可燃物质的质量，kg。

距火球中心在地面的投影(x)处点的入射热辐射强度为：

式中：f为燃烧辐射分数,是容器压力的函数f=f1pf2，常数f1=0.27，f2=0.32；P为容器内压力，MPa；h为火球中心距地面的高度，m。

2　PHAST软件分析计算

2.1PHAST软件简介

图1PHAST软件计算程序

PHAST(Process Hazard Analysis Software Tool)是由DNV(挪威船级社)公司独立开发的一款专门用于石油石化和天然气领域危险分析和安全计算的软件。PHAST软件计算管理基于上述理论分析，其计算结果的准确性在很多生产实践中均得到了确认[7]。软件计算程序见图1。

2.2工程概况

珠海市高栏港LNG接收站临海而建，配套有3座面积为16万m3的LNG储罐。储罐中LNG各成分的体积分数分别为：98.5%甲烷，1%乙烷，0.3%丙烷，0.2%丁烷。储罐模拟泄漏情景如表1所示，当地气象信息如表2所示。

表1　储罐泄漏情景

表2　泄漏时气象信息

2.3结果与分析

2.3.1泄漏孔径对扩散的影响

图2～5分别表示在风速为5.7 m/s，大气稳定度为D的情况下，100，200，400 mm孔径失效和灾难性破裂泄漏扩散的影响区域。LNG爆炸上限164 552×10-6，下限为43 773.3×10-6，1/2爆炸下限为21 886.7×10-6为危险区域。

图2　100 mm孔径泄漏扩散影响区域　　　图3　200 mm孔径泄漏扩散影响区域

图4　400 mm孔径泄漏扩散影响区域　　　图5　灾难性破裂泄漏扩散影响区域

从图2～5可以看出，当其它条件一致时，泄漏孔径越大，危害区域越大。泄漏孔径的大小直接决定了储罐泄漏速率的大小，而泄漏速率大小是影响LNG扩散的安全距离的决定性因素。

图6风速对扩散的影响

2.3.2风速对扩散的影响

环境风速是衡量大气湍流程度的一个必不可少的条件[8]。PHAST软件分析风速对扩散的影响如图6所示，其中大气稳定度为D。

从图6可以看出，当泄漏的孔径(200 m)和大气稳定度相同，风速越小，危险区域越大。分析原因如下：可以输送泄漏出的LNG并且稀释云团中LNG的浓度，风速越大，湍流越强，LNG向下风向扩散的速度和空气的稀释速率越快，危险范围也就越小。

2.3.3火灾爆炸的危险区域

PHAST软件计算出在风速为5.7 m/s，大气稳定度为D的情况下，400 mm孔径失效形成火灾和爆炸对人造成的死亡、重伤和轻伤区域，本文把轻伤区域定为危险区域。

(1)池火危险区域

图7表示的是液池燃烧的影响区域。可以看出池火灾造成的危险范围为顺风向-103～414.4 m。

(2)喷射火危险区域

图8表示的是喷射火的影响范围。可以看出喷射火的危险区域为顺风向-102～708.5 m。

图7　池火影响区域　　　图8　喷射火影响范围

(3)闪火危险区域

图9表示的是闪火影响区域。可以看出闪火造成的危险半径为1 875.2 m(50%燃烧下限浓度所对应的距离)。

(4)可燃蒸气云爆炸危险区域

图10表示的是蒸气云爆炸造成的影响区域。可以看出蒸气云爆炸造成的危险区域为顺风向-327.4～4 067.4 m。

图9　闪火的影响范围　　　图10　爆炸超压影响区域

3　结论

运用PHAST软件对LNG泄漏进行了后果分析，发现孔径越大，危险区域越大，特别是灾难性破裂所造成的危害，几乎覆盖了整个高栏岛。风速越小，大气越稳定，危险区域越大。而当LNG泄漏后，蒸气云爆炸造成的危险区域最大。为了确保人们生活与生产的安全，接收站一定要做好安全管理工作。

[1] 周德红,冯豪,李文，等.火灾爆炸后果分析法在LNG储罐风险评估中的应用[J].工业安全与环保,2015,10(41):54-56.

[2] 曲顺利,贾保印,赵彩云.LNG接收站的安全分析与措施[J].煤气与热力,2011,31(10):4-7.

[3] 陈功炎.LNG接收站码头接卸作业安全及关键问题分析[J].广东石油化工学院学报,2014,6(24):39-42.

[4] 严铭卿,宓亢琪.燃气输配工程学[M].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[5] BirK A M. Hazards from propane BLEVEs:An update and proposal for emergency[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,1996,9(2):173-181.

[6] 王三明,蒋军成.沸腾液体扩展蒸气爆炸机理及相关计算理论模型研究[J].工业安全与环保,2001,27(7):30-34.

[7] 翁帮华,银小兵,向启贵.SAFETI定量风险分析软件在石油天然气开发风险评估中的应用[J].石油与天然气化工,2007,36(6):524-527.

[8] 严铭卿,宓亢琪.燃气输配工程学[M].北京:中国建筑工业出版社,2014.

(责任编辑：梁晓道)

Consequence Analysis of Leakage Accident of Large LNG Storage Tank

YU Zhidong, WU Jianlin

(College of Petroleum Engineering, Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China)

Natural gas is a kind of high quality, high efficiency, clean energy, Which is widely used in various industries. In order to use natural gas Conveniently, some coastal cities in our country have built many large LNG storage tanks. Liquefied natural gas is the flammable and explosive dangerous goods, so once a tank leaks, it may cause very serious consequences. The PHAST software, once being input the real scene at the time of an accident, can calculate and analyze the diffusion, the flash fire, the fire disaster, or the explosion immediately, quickly determining the leakage, diffusion, combustion and explosion hazard area, and measuring the personnel death radius, serious injury radius and minor injury radius caused by the fire thermal radiation and explosion pressure. Analysis of the accident can help receiving stations intuitively understand the degree of danger after the accident so as to take corresponding measures.

LNG storage tank; Diffusion; PHAST; Accident consequence analysis

2016-07-08；

2016-08-03

俞志东(1972—)，男，辽宁宽甸人，硕士，主要从事油气储运安全技术研究。

TE88

A

2095-2562(2016)04-0090-05