LNG加气站火灾事故对周边设施的影响分析

方维新，蔡 芸

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

0 引言

液化天然气(LNG)属于甲A类火灾危险物质，爆炸极限为5%～15%。LNG泄漏扩散后，在爆炸极限内被点燃，可能造成喷射火、闪火、池火等火灾事故[1]。近年来，LNG火灾事故频发，并且造成了严重后果，如2015年9月17日凌晨，位于海南省三亚市的中石油液化天然气(LNG)发生泄漏事故，经估算，此次事故共造成气体泄漏3.5 t，周边数千居民不得不疏散避险；2017年11月24日，位于陕西省杨凌示范区的陕西液化天然气(LNG)加注站发生轻微液体泄漏，并起火引燃管道外保温材料，事故造成2人受伤。为最大限度的降低危化品场所的火灾风险，有必要通过合适的火灾风险评价方法对危险化学品场所的风险进行定量分析和预测，再针对分析结果采取防控措施。本文将使用挪威DNV公司的Phast软件对某LNG加气站进行泄漏结构模拟分析，并根据模拟结果提出合适的防控措施。

1 Phast软件介绍

Phast软件是由挪威DNV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，是商业型后果模型软件的典型，在安全管理和技术评价领域具有权威地位[2]。该软件内嵌了4种计算模型，分别是：泄放和扩散、燃烧和毒气扩散。通过输入事故发生时的真实场景，包括设备类型、物质种类、储存参数、泄漏方式、周围环境(大气温度、湿度、稳定度、风速)等参数，场景选择采用《LNG生产、储存和装运标准》(NFPA 59A—2009)的计算原则，以最大可信事件的影响范围作为确定安全距离的依据，考虑LNG泄漏在地表或水面上形成液池，液池蒸发产生可燃蒸气云扩散的危险,即可模拟石油化工装置可能发生的火灾和爆炸事故的影响范围及程度[3]。其中泄漏扩散模块采用UDM模型，这种模型十分复杂，是建立在许多模型基础上的，包括BM模型、P-G模型等[4]。计算某一时刻物质泄漏扩散的浓度分布，连接等浓度点绘制成等浓度线，用来描述云团当时的宽度、下风距离，求出发生事故之后的安全区域、易燃易爆区域和准危险区域。我国《石油库设计规范》的编制组也曾用该软件对油罐火灾进行模拟计算，为确定油罐的安全距离提供参考[4]。

2 LNG加气站模拟分析

2.1 某LNG加气站工程概况

该LNG加气站位于某市的高新区，加气站内部单罐容积最大为50 m3，在该市范围内属于较为常见的加气站规模和国产储罐容量[5]，附近500 m范围内无学校、社区、医院等人员密集场所，距离最近的应急救援中队1.8 km。加气站配备有灭火器、消防沙、灭火毯、消火栓等消防设施，各项安全制度、演练方案齐全。

储罐内LNG组分为甲烷95%、乙烷2.5%、丙烷1.4%。、丁烷1.1%。此类LNG具体理化参数见表1。根据LNG加气站实际情况和国产储罐的常见容量，本模拟计算选取的是加气站内部单罐容积为50 m3的液化天然气储罐，模拟泄漏部位为DN50的管道，为简化模拟进程将泄漏物料设定为甲烷。

表1 LNG具体理化参数

2.2 模拟计算标准及参数设置

考虑到液化天然气事故多以泄漏的形式发生，模拟对象为LNG加气站发生泄漏，根据美国石油协会出版的《基于风险的检验与失效分析》(API 581—2008)中提供的参考值和我国加气站的实际情况，选取DN50作为泄漏管径。当LNG在陆上或水上发生泄漏后会快速蒸发形成蒸气云，且在风力作用下发生移动，当遇点火源点燃时会造成闪火，闪火通常持续时间短，但对处于火焰包围的人员却是致命的，闪火通常不会发生二次点燃或对燃烧区域外的人员造成烧伤[6]。当闪火烧回LNG液池会形成池火，当LNG带压泄漏(如通过孔或是裂纹)且被点燃时会发生喷射火，其对设备或建筑的冲击类似于火焰喷枪，会产生非常高的热通量。因此选取LNG储罐分别发生泄漏、池火和喷射火的情况进行定量模拟。本模拟采用的评估标准包括热辐射通量和可燃气体浓度等级，参照《石油天然气工程设计防火规范》(GB 50183—2004)的规定，其中热辐射通量限值见表2。

表2 热辐射通量限值

因我国消防救援局规定从发现起火至消防救援队伍展开战斗不超过15 min，因此确定模拟时间为15 min，LNG储罐内部的压力(表压)为20 kPa，依据《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T 3046—2013)，选取DN50孔径泄漏作为模型时，近似可看作管道腐蚀穿孔[7]。模拟参数见表3，模拟栅格间距为10 m。

表3 模拟参数

2.3 模拟结果

2.3.1 储罐泄漏扩散

甲烷泄漏扩散后，甲烷云团主要向下风向漂移扩散，如图1所示，其中距离泄漏点最近的内圈浓度达到150 000 ppm，为致死浓度；中间圈内浓度达到44 000 ppm；最外圈内浓度达到了25 000 ppm。虽然甲烷对人体没有直接毒性，但会使人员产生头晕、恶心等不良反应。

由图2可知，在甲烷下风向随着顺风距离的增加，甲烷浓度不断下降，两者几乎呈线性关系，当顺风距离达到100 m时，甲烷浓度减少了95%，当顺风距离达到120 m时，甲烷浓度几乎下降为0，因此将危险区域划定为距离泄漏点120 m的范围，在事故发生后，应该尽快将人员疏散至该区域范围外。

甲烷泄漏后，下风向区域的甲烷浓度呈扇形分布，如图3所示。内圈浓度为甲烷燃烧上限浓度(UFL)165 000 ppm(实际为165 000)，中圈为甲烷燃烧下限浓度(LFL)44 000 ppm(实际为50 000)，外圈为甲烷扩散浓度限值(1/2LFL)即22 000 ppm。甲烷

图2 下风向甲烷浓度沿地面轴线变化图

图3 下风区域甲烷浓度俯视图

浓度为22 000 ppm时，达到最远水平距离为120 m(以距储罐壁计)。

由图4可以看出云团的高度与浓度的关系呈反比，即浓度越低，云团的高度越高。总的来看，这是扩散时间长短的原因，扩散时间越长，泄漏浓度越低，云团高度越高。而第一次高度出现降低的距离大致相同，说明是遇到了防护堤等物理防护设备，云团出现沉降；第二次高度出现降低则是由于扩散距离增加后出现衰减，云团高度降低。

图4 下风向区域云团侧视图

2.3.2 池火热辐射

甲烷泄漏后在地面上会形成液池，当闪火烧回LNG液池时会引发池火，池火对人体和设施的主要影响体现在热辐射上。根据设定的模拟参数进行池火模拟，得到如图5所示的池火发生后热辐射通量分布情况。池火热辐射通量与距离的关系如图6所示，由图可见，在燃烧区域，热辐射通量未出现衰减，为120 kW·m-2；随着顺风距离的增加，池火的热辐射通量逐渐衰减，在距离起火点13.79 m的位置热辐射通量为29.61 kW·m-2，在距离起火点23.19 m

图5 池火热辐射通量分布情况

图6 池火热辐射通量与距离的关系

的位置热辐射通量为8.98 kW·m-2，在距离起火点30.71 m的位置热辐射通量衰减至4 kW·m-2以下。当热辐射通量达到4 kW·m-2时，超过20 s将引起人员疼痛，池火热辐射影响最远距离为30.71 m，因此可将30.71 m作为人员疏散至安全区域的界限。

2.3.3 喷射火热辐射

根据设定的模拟参数进行计算，得到该LNG加气站发生DN50孔径泄漏引发喷射火事故的场景。喷射火发生后的分布情况如图7所示，由图可见，喷射火受风向的影响较大，主要向下风向喷射，辐射热也主要分布在下风向。喷射火热辐射通量与距离的关系如图8所示，由图可见，热辐射通量为29.61 kW·m-2达到最远水平距离51.2 m，热辐射通量为8.8 kW·m-2达到最远水平距离63.8 m，热辐射通量为4 kW·m-2达到最远水平距离77.5 m。

图7 喷射火分布情况

图8 喷射火热辐射通量与距离的关系

2.4 火灾事故造成的影响

2.4.1 热辐射通量的影响

根据《石油天然气工程设计防火规范》中规定的热辐射通量限值为4 kW·m-2，77.5 m界线内不得有“50人以上的室外活动场所”[8]；热辐射通量限值29.61 kW·m-2，51.2 m界线内不得有“即使是能耐火且提供热辐射保护的在用构筑物”。

2.4.2 可燃气体扩散浓度的影响

根据《石油天然气工程设计防火规范》中规定的“扩散隔离区边界的空气中甲烷气体平均浓度不应超过2.5%”，在本文图1甲烷浓度影响区域中，距离泄漏点120 m范围内不得有“室外活动场所”和“在用建筑物”。发生泄漏事故后应尽快将事故影响区域内的人员疏散至安全范围，避免造成人员伤亡。

3 结论

3.1 通过收集LNG加气站的工程参数及项目建设地的往年气象数据，利用Phast软件对各泄漏形式进行定量分析，主要检验LNG储罐的安全间隔是否符合规范要求，并划定安全线，居住区、人员密集场所均要建在安全线以外，即距离LNG加气站120 m范围外。

3.2 由评价结果可知，当以甲烷浓度22 000 ppm为可接受浓度阈值时，所能达到最远水平距离为120 m，范围较大，因此一旦发生事故，单位要迅速组织人员撤离至安全区域，并且对危险区域做出标记，防止人员误入。

3.3 LNG发生泄漏之后遇明火源易引发池火、喷射火等事故，会造成严重后果。因此要做好日常监测和安全管理，经常进行设备的维护和检修；配置高压消防水系统、高倍数泡沫灭火系统、固定式干粉灭火系统等，提高自身的消防应急能力。

3.4 由模拟结果可知，该LNG加气站一旦发生池火或喷射火，其辐射热影响范围最远可达77.5 m。合理规避火灾风险应从设计上优化布局和结构，做好相关建筑物耐火结构设计，优化站内设施布置。

3.5 此模拟结果仅供理论研究参考，应用于工程实际仍需要进行全尺寸火灾试验。该模拟仍存在不足，一方面，无论是泄漏还是火灾，模拟的组分均为甲烷，而液化天然气中的其他组分并未考虑在内；另一方面，在进行喷射火模拟时没有考虑到防火堤的防护作用，而且消防设施，应急救援力量也未考虑在内。