不同储存条件下LPG储罐泄漏事故危害范围的对比分析

李向欣副教授 张 浩

（1.中国人民警察大学 消防指挥系，河北 廊坊 065000；2.中国人民警察大学 政治部，河北 廊坊 065000）

0 引言

液化石油气（LPG）由于其较高的燃烧效率，丰富的储量，已广泛应用于人类生产和生活的各个领域。基于LPG的危险特性，一旦发生泄漏后，极易导致火灾爆炸事故发生，造成大量人员伤亡和财产损失。随着LPG储存方式的增多，LPG储罐泄漏事故呈现复杂化、多样化的特点。目前，国内外研究学者常采用PHAST软件、RMP*Comp软件、SAFETⅠ软件、ARCHⅠE软件和ALOHA软件等模拟危险化学品单一事故泄漏扩散的危害范围，针对不同外部条件对泄漏危害范围的影响研究较少[1-3]。因此，作为化学事故处置的国家综合性消防救援队伍，如何针对不同储存条件下的LPG储罐泄漏规律，应用计算机软件，快速、准确地预测事故的危害范围是国家综合性消防救援队伍亟待解决的重要课题。

本文将选用ALOHA软件，针对不同存储条件LPG储罐泄漏事故的危害范围进行模拟，分析讨论不同存储条件对危害范围的影响，掌握LPG储罐泄漏扩散规律，更好地为国家综合性消防救援队伍应急预案的制定和现场应急指挥决策提供理论支撑。

1 LPG储罐泄漏事故分析

1.1 LPG储罐类型

按形状分，LPG储罐有球罐、卧罐和立罐。其中球罐、卧罐为常用的有两种储罐形式。球罐的容积较大，通常用作大型罐区集中储存使用。卧罐主要用作小型加气、储气站常备液化石油气使用，设计容量较低，无法满足大型罐区的储存要求。

1.2 LPG主要储存方式

按温度和压力分，LPG可以采用常温压力储存、低温常压储存和低温压力储存3种储存方式[4]。其中，常温压力储存是指LPG的储存于环境温度，压力为常温下的饱和压力或略大于饱和压力。它是我国LPG的主要储存方式，但该储存方式的容器要求高，建设成本大。低温常压储存是一种LPG在低温常压条件下其饱和蒸气压接近常压的储存方式。该储存方式储罐耗钢量低，一次性投入低，但其维护成本较高，保养工艺复杂，对日常维护保养及制冷系统有较高要求。低温压力储存方式是将低、中压力和制冷结合起来的一种储存方式。虽然该储存方式为满足低温要求仍需采用制冷设备，但对制冷设备要求并不高，制冷工艺简易有效，维护成本低。不同设计容量的单罐LPG的储罐类型及储存方式，见表1。

表1 储罐类型及储存方式Tab.1 Tank types and storage methods of LPG

1.3 LPG储罐泄漏事故后果

处于运行状态下的LPG储罐，在其运行过程中，可能由于操作不当、设备老化等原因发生不同程度的泄漏事故。泄漏导致的事故后果，可由罐体的状态、储存方式、储存条件以及泄漏口部位的形状等因素决定。由于LPG的毒性、可燃性以及爆炸性等危险特性，LPG发生泄漏后，LPG扩散至空气中与空气形成具有爆炸性的重气云团；遇到火源，易形成燃烧及火灾爆炸事故。因此，在处置LPG泄漏事故时，国家综合性消防救援队应重点防范火灾爆炸事故的发生。LPG储罐泄漏事故后果，如图1。

图1 LPG储罐泄漏事故后果Fig.1 Types of LPG tank leakage accident consequences

2 危害范围的确定方法

2.1 危害区域的划分

准确、高效的划分潜在的危害区域对消防部队力量部署、人员疏散、区域警戒有重要作用。为了区分不同区域的危险性，本文将危害区域划分为：重度区、中度区以及轻度区。其中，重度区距离泄漏储罐最近，泄漏LPG物料最多，空气中LPG浓度最大。若泄漏储罐发生燃烧爆炸事故，极易造成大规模人员伤亡以及战斗车辆，建、构筑设施损坏。中度区位于距离泄漏罐体中等距离的区域。在此区域中，可能不存在大量泄漏的LPG物料，在罐体持续泄漏的情况下，LPG蒸气浓度提高，存在发生火灾爆炸事故的危险性。由于距离泄漏罐体一定距离，所以发生火灾爆炸事故的危险性并不高。轻危区是指距离泄漏罐体较远，基本不存在泄漏LPG液体，空气中几乎没有LPG蒸气，是相对重危区、中危区较为安全的区域。

2.2 伤害阈值的确定

伤害阈值是确定不同危害区域边界的量化指标。不同事故类型采用的伤害阈值标准不同。本文从罐体泄漏造成的扩散及可能发生的火灾爆炸事故分别确定不同事故类型的伤害阈值。

（1）泄漏扩散伤害阈值。由于LPG的燃爆危险性远远大于其毒性，针对LPG泄漏扩散事故，本文以泄漏后空气中所含LPG浓度为伤害阈值的计量标准，一般以达到LPG爆炸下限（LEL）的百分比表示。LPG储罐泄漏扩散的浓度伤害阈值[5]，见表2。

表2 泄漏扩散的浓度伤害阈值Tab.2 Concentration damage threshold of leakage diffusion

（2）火灾事故伤害阈值。LPG引发火灾将产生大量热辐射，热辐射伤害的评价标准有：热强度、热通量、热通量-热强度、热通量-时间以及热强度-时间标准。本文采用热辐射通量准则进行评判。根据不同危害区域的损伤程度，结合受热强度及时间的长短对人员、设备所造成的危害程度，本文以不同热辐射强度为伤害阈值标准，确定不同危害区域对人的伤害[5]，见表3。

表3 火灾热辐射对人员的伤害阈值Tab.3 Personnel damage threshold of fire thermal radiation

（3）爆炸事故伤害阈值。爆炸事故的主要危害是爆炸所产生的冲击波。冲击波的危害评价标准有超压、冲量和超压-冲量等。冲击波超压准则规定受冲击波作用的物体所承受的冲击波超压一旦超过临界值即会对其造成损伤。根据不同危害区域的损伤程度，结合爆炸冲击波超压对人员、建筑物伤害或破坏的标准，本文确定了爆炸事故对不同危害区域对人员、建筑物的伤害或破坏程度人的伤害阈值[5]，见表4。

表4 爆炸冲击波超压的伤害阈值Tab.4 Damage threshold of explosion wave overpressure

2.3 软件模拟方法

ALOHA（Areal Locations of Hazardous Atmospheres）是由美国环境保护署化学制品突发事件应急办公室、美国海洋大气管理响应和恢复办公室联合开发的应用程序。该软件可以计算毒气泄漏后扩散浓度范围、热辐射强度、爆炸冲击波当量等。使用ALOHA软件，可以对各类化学品储罐进行风险评估和事故模拟[6]。应用ALOHA软件进行模拟时，应输入物料性质、时间、气象、地理等参数，然后根据事故特定情景，选定事故后果模型，结合泄漏扩散、火灾、爆炸等不同事故的伤害阈值，模拟出不同事故的危害区域，确定事故的危害范围。

3 应用举例

3.1 事故情景设定

2017年4月22日，天津市某LPG储气站发生LPG泄漏事故。该储气站采用地上球罐储存方式，储罐体积2000m³。储存条件：常温压力储存条件下，储存温度21℃，充装系数75%；低温常压储存条件下，储存温度-47℃，常压，充装系数75%。储罐相连管径为150mm，暂不考虑围堰，LPG的主要成分为丙烷。事故发生时：风速5m/s（10m高的气象塔测量），西北风，大气环境温度21℃，30%的云层，相对湿度40%，没有逆温层，罐区为水泥地面。泄漏口成圆孔状，直径约为15cm，位于罐体下方35%高度。

3.2 不同事故的危害范围

（1）LPG泄漏扩散危害范围。将事故情景参数输入ALOHA软件，套用球罐模型，以LPG泄漏扩散的体积浓度作为LPG泄漏扩散事故危险性判定指标，用爆炸下限的百分比表示，得出常温压力储存和低温常用存储条件下，LPG储罐泄漏扩散的危害范围，如图2。

图2 不同储存条件下LPG泄漏扩散的危害范围Fig.2 Hazard ranges of LPG leakage diffusion under different storage conditions

（2）喷射火危害范围。当LPG储罐成小孔泄漏时，其内部由于压差导致向外压力，形成高压射流。若在泄漏口将其点燃，则可形成喷射火。将发生喷射火事故情景参数输入ALOHA软件，得到常温压力储存和低温常压储存条件下LPG储罐喷射火造成的危害范围，如图3。值得一提的是，在低温常压储存条件下，由于中度区和轻度区于中度区区分不大，故3个区域基本重合。

图3 不同储存条件下LPG喷射火的危害范围Fig.3 Hazard ranges of LPG jet fire under different storage conditions

图4 不同储存条件下LPG蒸气云爆炸的危害范围Fig.4 Hazard ranges of LPG vapor cloud explosion under different storage conditions

（3）蒸气云爆炸危害范围。假设LPG泄漏后，在周围空气预混、延迟点火或局限化的空间等条件下发生蒸气云爆炸。将发生蒸气云事故情景参数输入ALOHA软件，得到常温压力储存和低温常压储存条件下LPG储罐蒸气云爆炸的危害范围，如图4。

（4）沸腾液体扩展蒸气爆炸危害范围。沸腾液体扩展蒸气爆炸是LPG储罐严重损坏，已无法继续承担储存功能，其压力平衡被破坏，导致沸腾液体扩展蒸气爆炸性泄放。LPG在突然释放的急剧气化情况下，遇到火源即会导致沸腾液体蒸气爆炸。将发生沸腾液体扩展蒸气爆炸事故的情景参数输入ALOHA软件，得到常温压力储存和低温常压储存条件下LPG储罐沸腾液体扩展蒸气爆炸危害范围，如图5。

图5 不同储存条件下LPG沸腾液体蒸气爆炸危害范围Fig.5 Hazard ranges of LPG boiling liquid expanding vapor explosion under different storage conditions

3.3 结果分析与讨论

采用文中2.3的模拟方法，本文还模拟了20%管径（30mm）以及完全破裂（设300mm）情况下，不同储存条件下LPG储罐事故危害范围。当泄漏孔径为20%管径（30mm）、100%管径（150mm）以及完全破裂（设300mm）3种情况，常温压力储存和低温常压储存条件下LPG储罐发生泄漏扩散、喷射火、蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸时的危害范围，见表5。

由5表中数据可知：

（1）当泄漏孔径为150mm时，常温压力储存的LPG储罐重度区、中度区、轻度区泄漏扩散半径分别为289m、370m、885m；低温常压储存的LPG储罐重度区、中度区、轻度区泄漏扩散半径分别218m、318m、822m。因此，LPG储罐发生泄漏，常温压力储存方式相较低温常压储存泄漏扩散的危害范围大，更易导致液化石油气扩散至空气中，若遇火源，更易发生火灾爆炸事故。

表5 不同储存条件下LPG储罐事故的危害范围Tab.5 Hazard ranges of LPG accidents under different storage conditions

（2）当泄漏孔径分别为20%管径（30mm）、100%管径（150mm）以及完全破裂（设300mm）3种情况时，常温压力储存和低温常压储存条件下LPG储罐发生泄漏扩散、喷射火、蒸气云爆炸，泄漏孔径越大，危害范围越大。

（3）其他条件不变，常温压力储存和低温常压储存条件下LPG储罐发生泄漏扩散、喷射火、蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸等不同事故类型，其危害范围不同，危害范围由大到小依次为蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸、泄漏扩散、喷射火。

4 结论

本文通过对常温压力储存和低温常压储存两种方式下LPG储罐发生泄漏事故危害范围的模拟，在分析比较结果的基础上，得出结论：

（1）不同储存方式下LPG储罐发生泄漏事故，其危害范围不同。常温压力储存比低温常压储存造成LPG泄漏扩散的危害范围大。因此，在今后的事故处置过程中，应加强常温压力储存LPG储罐的泄漏扩散的防控，防止更大范围的扩散。

（2）同种储存条件下，不同泄漏孔径、不同事故类型的LPG储罐事故，其危害范围也不同。泄漏口越大，事故危害范围越大；蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸、泄漏扩散、喷射火所造成的危害范围存在由大变小的变化趋势。

（3）由于不同LPG储罐事故危害范围的差异性，当LPG储罐发生泄漏事故，消防部队不能判定储罐的存储方式、发生事故类型，应按照最大危险原则，以常温压力储存、且发生蒸气云爆炸事故模式进行决策、部署，提高处置人员安全，减低事故的风险。