液化天然气（LNG）供气站储罐爆炸危害后果估算

丁玉峰，王 静

（神华榆林能源化工有限公司，陕西榆林 719000）

液化天然气（LNG）供气站储罐爆炸危害后果估算

丁玉峰，王 静

（神华榆林能源化工有限公司，陕西榆林 719000）

油气易燃、易爆，一旦发生爆炸，就可能造成生命财产的巨大损失。对油气爆炸危害进行研究，有助于增强从业人员及民众对油气安全的重视，有助于实施有效的事故预防措施。采用TNT当量法对液化天然气（LNG）供气站储罐爆炸的危害后果进行了估算。

液化天然气；爆炸；危害后果；估算

Abstract：Oil and gas flammable，explosive，in the event of an explosion，it may cause a huge loss of life and property.The study of oil and gas explosion hazards will help to enhance the importance of oil and gas safety and the effective accident prevention.In this paper，the TNT equivalent method is used to estimate the harm of the tank in the liquefied natural gas（LNG）gas supply station.

Key words：liquefied natural gas；explosion；hazard consequences；estimation

1 液化天然气（LNG）

天然气在常压下，冷却至约-162℃时，则由气态变成液态，称为液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）。LNG的主要成分为甲烷，还有少量的乙烷、丙烷以及氮等。液化天然气的成分和天然气有细微差异，天然气在液化过程中进一步得到净化，甲烷纯度更高，几乎不含二氧化碳和硫化物。

天然气经过预处理后在超低温（-162℃）状态下液化，体积缩小为原来的1/625，成为LNG，具有高效、经济和环保等特点。随着对LNG需求量的不断增加，其储运过程中安全问题不可忽视，故有必要对其沸腾液体膨胀式蒸气爆炸机理进行研究。

2 LNG供气站简介

LNG供气站是对液化天然气（LNG）进行卸车、储存、气化并向用户提供清洁能源的系统工程，是现代城市燃气输配系统的重要组成部分。液化天然气（LNG）供气站一般采用的工艺流程：液化天然气（LNG）由低温槽车运至气化站，在卸车台利用槽车自带的增压器对槽车储罐加压，利用压差将液化天然气（LNG）送入LNG储罐储存。气化时通过储罐增压器将液化天然气（LNG）增压，然后自流进入空浴式气化器，经空浴式气化器气化发生相变，成为气态天然气，夏季直接去管网，冬季经水浴式加热器（对于冬季气侯条件能达到气化要求的地区也可不设置水浴式加热器）再去管网。除此之外，液化天然气（LNG）供气站一般还具有BOG 释放接收、紧急情况安全放空、异常情况紧急切断、LNG 泄漏溢出处理、LNG 装车等功能或措施。

3 液化天然气（LNG）爆炸事故原因分析

液化天然气（LNG）储罐由于受到机械碰撞或热失效产生裂缝，内部气化的LNG 气体从裂缝喷出，容器内压力快速下降，破坏了相平衡而使饱和液体处于过热状态，储罐内液体急剧沸腾蒸发，已气化的气体及被其卷携的液体以极大的冲击力喷向外部空间，形成沸腾液体膨胀蒸汽爆炸（BLEVE，Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion）。BLEVE 冲击破坏作用大，且遇明火易形成二次爆炸。

液化天然气（LNG）储运过程中如果发生泄漏，液化天然气（LNG）液体迅速从周围环境吸热并气化，当温度达到-110℃时，天然气密度低于空气而会随着气流或风向飘逸，并和空气混合形成大范围可燃性的云团，当云雾浓度达到爆炸范围时，遇到火源将发生蒸汽云爆炸（UVCE，UnconfinedVapor Cloud Explosion），产生冲击波，对周围的人员和设施造成损害或破坏。

4 液化天然气（LNG）供气站爆炸事故后果分析

4.1 研究技术路线

当油气浓度达到爆炸浓度时会发生爆炸，火灾事故也就随之发生。在油罐灭火以及火灾辐射的安全设计中，重要的是要了解油罐火灾的辐射特性，并通过对大型火灾的辐射特性和火焰结构进行计算分析，制定相应的解决措施和方案，确保人身和财产的安全。

Roberts针对沸腾液体扩展蒸汽爆炸总结了火球半径的计算公式，结合CCPS（美国化学工程师协会化工过程安全中心）推荐的火球持续时间计算公式，辐射通量计算公式可以对BLEVE事故的主要辐射危害进行定量估算。

4.2 液化天然气（LNG）物料计算

以80m3液化天然气（LNG）低温储罐为例，操作压力300kPa，操作温度-149℃。JB/T 4780—2002《液化天然气罐式集装箱》的第5.3.10.2条规定“LNG罐箱额定充满率应不大于90%”，本文充装率取0.9。外界环境温度为常压，25℃。

4.3 沸腾液体扩展蒸汽爆炸（BLEVE）分析

沸腾液体膨胀式蒸气爆炸是石油、化工行业中的重大事故，具体指充装液化气（例如液化石油气、氨气等）的压力容器形成裂口失效，储罐中液体因突然降压而处于过热态，如果过热度很大，会造成过热液体猛烈蒸发的物理爆炸现象。若遇明火，还会发生化学爆炸，产生容器碎片抛射、热辐射和冲击波等危害。Salla 等曾提出一种新的基于能量平衡计算极限过热度的方法。Casal等根据液体过热能量计算了BLEVE及类似爆炸过程产生的压力波。Gong 等建立简化模型预测储罐在火灾环境下的热响应，分析热分层对BLEVE 的影响，并用实验数据进行验证。Planas-Cuchi 等对储罐爆炸所产生的压力波进行了研究。Papazoglou等对BLEVE发生后产生的火球热辐射能量进行了估算。但前人在此方面的研究多针对液化石油气。

沸腾液体扩展蒸气爆炸的危险性有火球热辐射、爆炸冲击波超压与容器碎片。与火球热辐射的危险性相比，爆炸冲击波超压与容器碎片的危险性比较小，因此BLEVE 的主要危险性是火球热辐射。故本文采用Papazoglou等对BLEVE发生后产生的火球热辐射能量的估算方法。

根据Roberts的结论，火球最大半径应用下式计算：

式中，R为火球最大半径，m；m为液化石油气质量，kg。

CCPS（美国化学工程师协会化工过程安全中心）推荐，火球持续时间应用下式计算：

式中，t为火球持续时间，s。本文中液化天然气罐的充装质量为29 160kg，小于30 000kg，故采用公式（2）进行计算。

目标接收到热辐射通量计算：当r > R时，目标接收到的辐射通量按下式计算：

式中，q为目标处热辐射通量，kW/m2；q0为火球表面的辐射通量，kW/m2，对柱形罐取270 kW/m2，对球形罐取200 kW/m2；r为目标到火球中心的水平距离，m。

应用热辐射的破坏准则结合火球热辐射确定LNG储罐泄漏后发生沸腾液体扩展蒸气爆炸事故伤害破坏范围。

4.4 蒸汽云爆炸危害分析

4.4.1 燃烧爆炸机理

液化天然气（LNG）储运过程中如果发生泄漏，液化天然气（LNG）液体迅速从周围环境吸热并气化，当温度达到-110℃时，天然气密度低于空气而会随着气流或风向飘逸，并和空气混合形成大范围可燃性的云团，当云雾浓度达到爆炸范围时，遇到火源将发生蒸汽云爆炸（UVCE，Unconfined Vapor Cloud Explosion），产生冲击波，对周围的人员和设施造成损害或破坏。

蒸气云爆炸主要是爆炸冲击波造成的伤害破坏，因此按超压-冲量准则确定人员伤亡区域和财产损失区域。一般采用TNT 当量法来计算蒸汽云团爆炸的影响。

4.4.2 蒸汽云TNT当量

式中，WTNT为蒸汽云TNT 当量，kg；α为蒸气云当量系数，一般取0.04；Wf为蒸汽云中燃料的总质量，kg；Qf为可燃气体的燃烧热，k/kg；QTNT为TNT 的爆炸热，kJ/kg。对于靠近地面的爆炸，由于地面反射作用使爆炸威力增加，需乘以系数1.8。

4.4.3 给定超压距离

式中，x为爆炸中心与给定超压间的距离，m；△p为给定超压，psi（1psi=6.9kPa），对应于不同的预期损害。

5 结论

通过选取液化天然气储罐燃烧爆炸的两种爆炸形式进行分析，考虑了其发生时，对周边人员及建筑物产生破坏的主要的能量来源。从模拟估算结果中可以看出，液化天然气储罐发生燃烧爆炸事故时，对周边人员及建筑物的危害程度和范围是很大的。考虑到在实际的液化天然气生产储存过程中，储罐的数量要更多，并且分布比较集中，如果发生爆炸，其破坏力和破坏范围是十分巨大的，将会对周边人员的生命和财产安全造成严重的危害。

[1] 马晓茜，王晶晶.液化天然气BLEVE机理研究及其事故后果评价[J].华南理工大学学报（自然科学版），2007，35（10）：189-193.

[2] 周伟国，张中秀，阮应君.液化天然气供气站爆炸事故后果分析及风险评价[J].同济大学机械工程学院学报，2006，9（7）：17-21.

Estimation of Consequences of Explosion Hazard in Tank of Liquefied Natural Gas（LNG）Gas Supply Station

Ding Yu-feng，Wang Jing

TE88

B

1003–6490（2017）09–0155–02

2017–06–28

丁玉峰（1989—），男，山东烟台人，助理工程师，主要从事煤化工工作。