基于FDS数值模拟的LNG储备站火灾安全评定研究

■ 高明旭 薛艳平 张宏涛 白玉星 张乙 北方工业大学土木工程学院

液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）是由天然气进行净化处理，通过常压液化降至其沸点之后形成另一种能源形式。甲烷是主要成分，属于相当优质环保的燃料。同时，LNG的危险性极高，给人们的生命财产安全带来了巨大威胁。近年来，LNG储罐火灾安全事故屡屡发生，造成了巨大的经济损失。

1944年克里夫兰LNG因储罐泄漏发生爆炸和火灾。1972年1月，加拿大东蒙特利尔魁北克的一座LNG调峰站因压缩机入口的天然气管道超压泄漏发生爆炸。2014年2月8日，江苏徐州市二环西路北首沈场立交桥旁加气站的储气罐发生泄露引发大火。因此，LNG储备站火灾安全便成了重要的研究课题。

经统计显示，火灾主要是LNG泄漏引起。而在LNG火灾类型中，池火是对厂区的危险性最大。当发生 LNG 池火灾时，池火火焰的热辐射场会对周围一定范围内的设备和人员造成危害。如果厂区内的布置不合理、存在安全隐患，很有可能会引起进一步的火灾，造成更大的损失。本文基于FDS软件，以LNG场站真实情况布置建立模型，分析了最不利工况火灾场景下火灾造成事故严重程度、场站温度场的分布及热辐射危害的影响范围。由此确定LNG储罐周围的危险区域和安全范围，从而为该液化天然气储备站的规划设计提供数据支持，使其池火火灾对周围的危害损失降低到可接受的水平。

一、数值计算原理

FDS （Fire Dynamics Simulator）以火灾中的流体运动作为主要模拟对象，专用于火灾动态数值模拟，适用于火灾发展过程中烟气的传播和火焰周围热辐射通量变化以及蔓延的数值仿真 。FDS采用的流体动力学模型为N-S方程的近似形式，该方程可以很好的描述低马赫数流动问题。国内外火灾研究者们对其准确性进行了大量的研究，证明了FDS与实体试验结果相吻合。

二、FDS模型建立

（一）LNG储备站模型建立

根据LNG储备站的实际尺寸，计算区域尺寸设定为：X方向140m，Y方向140m，Z方向25m。LNG中甲烷是主要成分，占到94．4%。因此，将反应的元素参数近似设定为甲烷的元素构成较为合理。从火焰中心开始，在距离火焰中心30m、50m、70m、130m处依次布置热辐射通量测点。

（二）最不利火灾工况设置

根据石油天然气工程设计防火规范第10．3．4条规定，需模拟燃烧面积为储罐围堰内全部容积（但不包括储罐）的表面着火。质量燃烧速率为0．124 kg（/m2．s）。此火灾场景是LNG池火灾的最不利工况。

三、数据分析

（一）热辐射通量及温度场分布状况

图1 LNG储备站烟气、热辐射示意图

图2 LNG储备站温度场分布图

图1为LNG储备站池火火灾烟气、热辐射通量示意图，图2为温度分布图。显然，火灾烟气及热辐射通量影响范围广，大部分区域的温度达到了1000～1500℃，在这种最不利火灾场景发生后，会使得NGL储罐区的设备损坏，甚至发生更大的次生灾害。

（二）储备站热辐射通量分析

图3 距火焰中心30m处热辐射通量

图4 距火焰中心50m处热辐射通量

图5 距火焰中心70m处热辐射通量

图6 距火焰中心130m处热辐射通量

由图3到6可知：火灾发生后热辐射通量随着距离的增加而逐渐减小，距离火焰中心30m处热辐射通量值约为40kW/m2，距离火焰中心50m处热辐射通量值约为25kW/m2，距离火焰中心70m处热辐射通量值约为12kW/m2，距离火焰中心130m处热辐射通量值约为5kW/m2。

四、结论及工程建议

发生大型泄露事件导致泄露液体布满围堰，一旦遇到火源，立即会引起大型池火火灾。热辐射是池火火灾危害的主要表现形式，它会对邻近的设备造成很大的破坏，对人体产生很大的伤害，根据美国LNG规范、参考石油化工装置设施的火灾热辐射破坏准则，归纳出了热辐射通量大小对人和设备的伤害如表1所示。

表1 热辐射通量对设备和人的影响

（一）距储罐周围70m～130m内热辐射通量值约为5kW/m2～12kW/m2，根据表1热辐射通量对设备和人的影响分析，对人体可能会产生烧伤。因此建议不得建造人员密集的场所。

（二）在储备站周边50m～70m范围内热辐射通量值约为12kW/m2～25kW/m2，根据表1热辐射通量对设备和人的影响分析，在热辐射通量达到25kW/m2，人在此环境下暴露1分钟就有死亡的危险，因此建议为不得居民区等建筑物。

（三）在30m～50m范围内热辐射通量值约为25kW/m2～40kW/m2，根据表1热辐射通量对设备和人的影响分析，在此环境下设施将受到严重损失，人员也会有伤亡，因此不能存在建（构）筑物，并根据热辐射的强度适当加厚拟建设备和建筑物的混凝土的厚度并设置防辐射措施。

参考文献：

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饶川．中国天然气汽车加气站走进新的发展春天[A]．2011西部汽车产业．学术论坛暨四川省第十届汽车学术年会论文集．

谭科峰．基于FDS的水喷淋热辐射防护效用研究[D]．青岛：中国石油大学，2011．

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