某液化天然气储罐泄漏的火灾后果预测

许 渊，尹 斌，伍 蒙，李 左,陈慧芳

(1．武汉工程大学兴发矿业学院 安全技术及工程，湖北 武汉 430070； 2．昆仑能源湖北黄冈液化天然气有限公司，湖北 黄冈 438011)

1 我国液化天然气的需求将持续增长

我国是天然气消费大国，目前，我国的天然气消费量稳居世界第三。仅2017年，我国就消耗天然气2300亿m3，其中，有930亿m3是进口的。发改委十三五规划中明确提出，到2020年，国内天然气综合保供能力达到3600亿m3以上，其中自产天然气2070亿m3。剩下的部分中，预计有500亿立方米通过天然气管道进口。除此以外，大约有1000亿m3天然气的空缺，这就依赖于LNG来补充[2]。根据2013年到2017年的LNG消费趋势预测，我国以后的LNG需求仍会持续上升。

2 LNG储罐向着大型化发展

当前，国家对天然气储罐自主开发的研究力度越来越大[1]。LNG大型储罐的建设也在逐步从沿海往内地发展，储罐的容量也在经历有小到大的发展，逐步跟上世界的发展潮流。综合来看，现在全世界的LNG储罐都在朝着大型化这一方向发展，全世界LNG储罐类型及罐容发展情况见图1[5]。

图1 全世界LNG储罐罐容发展情况

3 液化天然气储罐泄漏造成的危害

3.1 低温危害

LNG在储罐中是低温液体，一般是零下162℃，因此，储罐泄漏事故发生后，首先低温的LNG会冻伤附近的工人。此时如果触碰低温容器的外壁或管道，工人表皮会粘附在表面上，造成伤害。此外，泄漏后的天然气会与周围大气进行热交换，LNG由液态转向气态，这是一个吸热反应，会在泄漏源附近形成一个低温环境，对其范围内的人员和设备造成不同程度的损伤。

3.2 窒息危害

在发生泄漏一段时间后，天然气逐渐由液态向气态转变，会在泄露源附近形成一团天然气与空气的混合云团。虽然天然气本身无毒，但是当空气中充满了气态天然气后，会使得氧气含量下降，在低氧环境下，人会出现缺氧，甚至窒息[3]。窒息共分为一下四类情况，各种情况对应的症状详见表1。

表1 窒息各情况对应症状

3.3 火灾爆炸危害

LNG储罐发生泄漏后，如果泄漏点附近有一个地势较低的凹槽，则会形成液池，随后发生闪蒸气化，在较短时间内产生大量蒸气[3]，当蒸气云在其爆炸极限内遇火源，则会发生蒸气云爆炸事故，假如发生爆炸事故的蒸气云位于还未挥发完全的液池上方，则会导致池火灾事故。

4 LNG储罐泄漏后果预测

4.1 LNG储罐信息

该工厂位于火车站和火车站附近，厂区内共有两个100m3的卧式储罐。罐区围堤面积为999m2。储罐详细信息见下表2。

表2 储罐详细信息

4.2 LNG储罐泄漏池火灾预测

4.2.1 LNG储罐泄漏量预测

该LNG工厂设两个100m3的卧式储罐，事故预测时假定其中一个储罐发生泄漏，泄漏LNG重量为标准储存量的10%，即5.36吨。

4.2.2 LNG泄漏燃烧热辐射通量

泄漏的LNG液体在罐区地面形成液池,遇点火源发生燃烧时,火焰产生的总热通量辐射通量Q采用下式计算：

Q=ηHcW/T

LNG泄漏燃烧持续时间T采用下式计算:

T=W/(S×mf)

式中:Q——LNG泄漏燃烧总热辐射通量，kW；

W——LNG泄漏量，kg；

Hc——LNG燃烧热，kJ/kg；

T——LNG泄漏后持续燃烧时间，s；

η——LNG燃烧效率因子；

mf——LNG燃烧速度，kg/·s

S——液池面积。

根据储罐实际情况，LNG泄漏量为5.36吨，即W为5360kg；LNG主要成分为甲烷，故Hc(燃烧热)取值为甲烷燃烧热，55594kJ/kg；η(燃烧效率因子)根据LNG特性，取值为0.35；LNG燃烧速度取0.05 kg/·s。

根据罐区实际情况，LNG罐区围堤面积：27×37=999，减去其中三个罐体占地面积，分别为75和两个86，泄漏出来的液体充满，则液池面积约为838。

计算结果见下表3。

表3 计算结果

4.2.3 火灾热辐射伤害半径

火灾通过辐射热的方式影响周围环境,不同入射热辐射通量造成人员伤害或财产损失的情况见表4[4]。

表4 热辐射的不同入射通量造成的伤害及损失

设泄漏液体燃烧全部辐射热量由液池中心小球面发出，则距液池火焰中心某一距离(x)处的入射的热辐射强度I(W/)为：

I=Qtc/4πx2

式中：Q——总热辐射通量，kW；

tc——热传导系数；

x——目标点到液池中心距离及火灾伤害半径，m。

各伤害等级距离池火灾中心的距离计算结果见表5。

表5 LNG储罐泄露池火灾热辐射伤害距离

4.2.4 LNG储罐火灾事故后果分析

LNG储罐泄漏火灾事故后果预测表明，若发生事故，热辐射能量kW，火灾热辐射可造成的伤害距离分别为：距池火中心39.5m为死亡半径，相应的重度烧伤半径为48.4m，轻度烧伤半径为68.4m，无影响半径120m。

4.3 LNG蒸气云爆炸事故预测

4.3.1 蒸气云爆炸事故情景

假设罐区一个 LNG 罐破裂发生泄漏，泄漏量假定为 10 t，泄 漏的低温 LNG 温度迅速上升至环境温度、快速汽化形成蒸气云，与 空气混合形成爆炸性混合气体，遇点火源发生蒸气云爆炸。

4.3.2 LNG蒸发形成的气体量

LNG 在沸点下储存(温度-162℃)，储罐泄漏后液化气无闪蒸 过程，LNG 温度随环境温度迅速上升汽化形成蒸气云，形成的可燃 蒸气量 V 按下式计算：

V=WRTb/PM

式中：W——LNG 泄漏质量 kg；

Tb——环境温度K；

P——环境大气压 kP；

M——LNG摩尔质量 g/mol；

R——气体常数，kJ/gmol·K。

根据罐区实际情况，泄漏质量W为10000Kg；该工厂位于湖北省黄冈市境内，设定其温度为30摄氏度，即Tb取值为303K；同理，环境大气压为普通气压，设为101.3 kP；LNG摩尔质量，查阅资料可得，为16.73g/mol；气体常数取值为8.314kJ/gmol·K。

根据计算，10 吨LNG全部汽化形成的蒸汽量：V=14864N m3。

4.3.3 爆炸性气体危险范围预测

根据天然气爆炸极限,预测 LNG 蒸发后的天然气与空气混合形 成的爆炸性气体扩散范围，预测时假定蒸发的天然气呈半球状扩散， 扩散区域半径按下式计算：

r=(V/2.0944C)1/3

式中：V——LNG蒸发气体体积m3；

C——天然气爆炸极限浓度。

表6 天然气爆炸危险区域范围

根据前面计算得出LNG全部气化量为14864N m3，故在标准情况下，LNG蒸发气体体积为14864m3，天然气爆炸极限浓度，取值5%～15%LNG 蒸发形成的爆炸危险区域范围预测结果见表6。

4.3.4 蒸气云爆炸总能量

LNG 蒸气云爆炸的能量按下式计算：

E=1.8 aWfQf

WTNT=E/QTNT

式中：a——可燃气体爆炸当量系数；

Wf——LNG蒸发形成的蒸气体量，kg；

Qf——天然气燃烧热，kJ/kg；

QTNT——TNT爆炸热，取QTNT=4520 kJ/kg。

其中，1.8为地面爆炸系数，天然气相对密度 0.7，不取值；a为可燃气体爆炸当量系数，根据经验取0.04；LNG蒸发形成的蒸气体量，10吨，故为10000kg，天然气燃烧热，查阅资料可得，为55564 ；QTNT ，TNT爆炸热，查阅资料可得取4520kJ/kg。

经计算E= 40006080kJ、WTNT=8850 kg

4.3.5 爆炸冲击波超压伤害范围

(1)死亡区范围预测

死亡区范围按TNT冲击波超压-冲量准则公式计算：

R=13.6(WTNT/1000)0.37=31m

(2)重伤和轻伤区范围

重伤和轻伤区范围按蒸气云爆炸冲击波超压公式计算：

Ln(△PS/P0)=-0.9126-1.5058 LnZ+0.167 Ln2Z-0.032 Ln3Z

式中：Z=R(P0/E)1/3，

R——目标到蒸气云中心距离，m；

P0——大气压Pa；

E——蒸气云爆炸总能量 J。

蒸气云爆炸冲击波重伤超压按 44kPa 计，轻伤超压按 17kPa 计，根据蒸气云爆炸冲击波超压计算公式得出： 重伤半径：R1=70m；轻伤半径：R2=131 m。

建筑物破坏半径用下式计算：

KⅡ——建筑物破坏等级，二级为 4.6。

R财=78m。

LNG 蒸气云爆炸破坏范围计算见表7。

表7 LNG 蒸气云的爆炸危害范围

由预测结果可见，当LNG储罐破裂发生泄漏，泄漏的LNG全部蒸发与空气混合成爆炸性气体扩散区域半径36～52m；LNG蒸气爆炸的能量为相当于TNT当量8850kg，爆炸冲击波可造成人员的死亡半径31m，重伤半径70m，轻伤半径131m、造成建筑物损坏半径78m的危险危害区域。

5 结语

液化天然气储罐发生泄漏事故后，主要会造成三方面的危害，分别是低温危害、窒息危害和火灾爆炸危害。而这其中有数火灾爆炸的伤亡最大。因此，针对LNG(液化天然气)储罐泄漏后的不同类型的火灾爆炸事故进行了计算，预测出其不同的伤亡半径。为涉及LNG(液化天然气)储罐的企业应急救援预案的编制和同类企业发生事故后的应急救援提供理论依据和指导，减少人员的伤亡和财产的损失。