LNG储罐泄漏风险定量评估

郭文杰，贾新磊，曹 青，申建军，胡莹莹

(1.滨州学院 化工与安全学院，山东 滨州 256600；2.滨州市化工过程安全重点实验室，山东 滨州 256600)

1 某LNG加气站储罐区概况

本文以某LNG加气站储罐区为例分析，研究其在发生泄漏后产生的次生衍生灾害事故。储罐区共有3个LNG储罐，储罐最大容积为100m3，各储罐之间的距离为55m，储罐其它参数如表1所示。本模拟选取物料成分为甲烷，单罐容积为100m3，模拟泄漏部位为DN50的管道进行计算，对其产生的次生灾害如池火灾、喷射火，蒸气云爆炸等做定量分析，中毒窒息灾害以及产生的衍生灾害做定性分析。

2 池火灾数值模拟定量分析

2.1 池火灾

LNG储罐泄漏后的挥发气与空气混合形成可燃气体混合物，遇到点火源被引燃，火焰蔓延至整个液池表面，随着火势的加大，其燃烧速率会趋于稳定发展阶段。本文通过池火灾后果模型计算池火灾后果严重程度，主要是分析池火产生的热辐射通量以及火灾扩散距离，以此为依据分析池火的伤害范围以及在不同伤害范围内的次生灾害，衡量其危害后果。

2.2 参数设定

利用风险评估软件模拟软件中后果模块的池火灾模型模拟LNG储罐泄漏，根据实际储罐设置池火灾模型参数，如表1所示。本次模拟以《石油天然气工程设计防火规范》(GB 50183-2004)为参照标准，以热辐射通量和池火半径作为主要研究参数，分析产生的事故后果。

表1 池火灾模拟参数

2.3 结果分析

在风险评估软件定量风险分析软件中设置LNG储罐泄漏的基本参数，选择所要模拟的灾害事故即池火灾，运行计算后输出图表分析，可以得到池火灾发生时的下风向扩散距离，如图1所示，也可以得到池火灾的热辐射通量以及致死率半径，具体结果分别如图2和图3所示。

图1 池火灾热辐射水平与下风向扩散距离

由图1可知，随着引燃时间的延长，池火灾发生的严重程度也在不断加大，其下风向扩散的距离也在不断增加，可扩散至25m左右。当距离池火灾发生处7m左右时池火灾的最高热辐射水平达到了90KW/m2，此时对人体危害最严重，最高热辐射水平维持3m后才出现逐渐下降趋势，因此在发现有出现池火灾的势头时，有必要在其扩散至7m之前采取防范措施对池火灾进行控制，使其火势不再继续蔓延，造成更大的危害。

由图2和图3我们可以看出随着下风向扩散距离的增加，池火灾的热辐射通量逐渐减小，当池火灾扩散至12m左右时，热辐射通量达到最高值为37.5kW/m2，由表3可知此时如果有相关人员在此范围内，1min内致死率为100%，有1%的人会在10s内死亡，周围的生产设施设备将会受到严重破坏。当热辐射通量对人员的危害降至相对安全范围时，此时致死率为1%，距离池火灾发生处大约为23m，在此范围内暴露长时间人员会感到疼痛但不会造成很大伤害，故而当发生池火灾事故时，最好将附近相关人员疏散至23米开外，且23米之内不设置重要设备设施。

图2 池火灾热辐射通量

图3 池火灾致死率及半径

3 喷射火数值模拟定量分析

3.1 喷射火

LNG储存在高压储罐，一旦发生泄漏形成射流，在泄漏口处遇点火源被引燃，形成喷射火。本文通过喷射火模型计算出LNG储罐泄漏产生的喷射火火球直径及热辐射通量，估计其影响范围以及在此影响范围内的次生灾害事故。

3.2 参数设定

利用风险评估软件后果模块中的喷射火模型进行模拟计算，设置储罐相关参数，以热辐射通量和火球直径为参数分析事故后果严重程度，并提出相关防范措施，具体参数见表2所示。

表2 喷射火模拟参数

3.3 结果分析

在风险评估软件定量风险分析软件中输入LNG储罐泄漏的基本参数，选择所要模拟的灾害事故即喷射火，运行计算后输出图表分析，可以得到喷射火发生时的下风向扩散距离与热辐射水平，如图4所示，也可以得到喷射火的致死率半径以及热辐射通量，具体结果分别如图5和图6所示。

图4 喷射火扩散距离及热辐射水平

图5 喷射火宽度及致死率半径

图6 喷射火宽度及热辐射通量

由图4表明，在1.5m/s风速条件下，随着喷射火火灾分布范围的增加，前5m范围内热辐射水平不断上升，5m到43m范围内趋于平缓，热辐射通量保持在同一个数值44KW/m2，达到发生喷射火事故后热辐射通量的最高值，当扩散距离大于45m时热辐射通量逐渐降低，而且由图6我们也可以看到距离火灾发生处47m的这一段范围内热辐射强度最高，距离远于71m之后才能到达相对安全范围，此时的致死率由图5可知小于1%。以上数据表明，当发生喷射火事故时，为了降低事故后果，减少人员伤亡，需要将人员疏散至70m开外的空旷地带，才能不至于被喷射火所产生的热辐射造成伤害。

4 蒸气云爆炸数值模拟定量分析

4.1 蒸气云爆炸

LNG发生泄漏后形成一定尺寸的蒸气云，足够量空气进入蒸气云后经过混合形成爆炸性混合物，遇点火源引燃后发生蒸气云爆炸，火焰加速传播并加热邻近的储罐，其中爆炸产生的冲击波对周围人群以及建筑设备的伤害程度极大。若蒸气云爆炸进一步发展，会对周围设施或相邻储罐等引发二次灾害，造成多米诺效应。本文主要通过风险评估软件后果模块中的TNT当量模型计算爆炸时的爆炸超压、死亡半径、重伤半径等，分析其发生爆炸事故的伤害范围，其爆炸超压的强度范围见表3。

表3 爆炸超压强度范围

4.4.2 参数设定

通过风险评估软件后果模块中的蒸气云模型，设定研究范围的最远距离为400m，储罐形状选择圆柱形，爆炸形式选择地面爆炸，模拟状态选择理想气体爆炸运行计算，其余储罐泄漏参数见表4。

表4 蒸气云爆炸模拟参数

4.4.3 结果分析

在风险评估软件定量风险分析软件中输入LNG储罐泄漏的基本参数，选择所要模拟的灾害事故即蒸气云爆炸，运行计算后输出图表分析，可以得到蒸气云爆炸最坏情况下的超压与扩散距离以及蒸气云爆炸半径，具体结果如图7和图8所示。

图7 蒸气云爆炸最坏情况下的超压与扩散距离

图8 蒸气云爆炸最坏情况下的扩散距离与爆炸半径

由图7我们可以看出蒸气云爆炸在三种不同气压下的具体情况，分别为0.02068 bar、0.1379 bar和0.2068 bar(1 bar=0.1MPa)，在距离爆炸发生处顺风距离104m处达到爆炸超压极限值1 bar，并保持该极限值持续顺风扩散了32m左右，此时由表5知当爆炸超压达到0.1MPa时，人员死亡率可以达到100%，故此时对人体伤害程度最大。在距离爆炸发生处顺风距离136m时其爆炸超压才呈现急剧下降的趋势，扩散至顺风距离330m时超压降至最低为0.025 bar，在此范围内已经到达了安全区，人员的身体健康得到了保证。图8是在三种冲击波超压下得出的最坏情况的爆炸半径，其中0.02068 bar情况下不对人群构成威胁，周围建筑玻璃窗会损坏，由图8知伤害半径大约为侧风距离215m。0.1379 bar情况下对人员伤害程度不大，周围建筑设施的玻璃可能会破碎，由图8知伤害半径大约为侧风距离55m。0.2068 bar情况下对人员造成伤害，周围建筑墙体会出现裂缝等灾害，由图8知伤害半径大约为侧风距离41m左右。

5 衍生灾害的定性分析

LNG成分中还存在有少量的气味非常浓烈且难闻的硫化氢气体，当LNG储罐发生泄漏并接收热量后，LNG会蒸发并扩散至空气中，造成环境的污染。此外LNG本身是低温存储的液体，当出现泄漏口时，会流淌到地面形成液池，这也是前面提到的池火灾发生的导火索，如果相关工作人员没有注意到LNG泄漏，则其液池面积会越来越大，当LNG气化站附近有河流时，会随着时间的延长，液池逐渐流入河流中，造成水体污染，严重的话会感染水中的生物，诱发新病毒的产生，继而威胁到人类的生命健康。

6 结论

通过风险评估软件模拟了LNG泄漏所产生的池火，喷射火和蒸气云爆炸的发生状况，定量分析了这些灾害的严重程度，对于泄漏所产生的中毒窒息和其它衍生灾害等定性分析了产生的事故后果，本文得出结论如下：

(1)当池火灾发生时，越早控制越好，尽量不要让火势蔓延至晚期，当距离池火灾发生处顺风距离12m时为池火的死亡半径，顺风距离23m时为轻伤半径，某LNG加气站储罐区各储罐间距离为55m，故发生池火灾时对相邻储罐的危害不是很大，主要是注重人员的撤离。

(2)喷射火的死亡半径为顺风距离47m，轻伤半径为顺风距离71m，考虑到个相邻储罐间距为55m，此时容易引起相邻罐体发生火灾爆炸事故，因此需在LNG储罐工作区间内安装监测报警装置，及早发现火灾控制火势。

(3)蒸气云爆炸时安全半径大约为侧风距离215m，轻伤半径大约为侧风距离41m左右，但侧风距离55m时会对周围的建筑设施等产生影响，以储罐间距55m为例，会引发相邻罐体的爆炸，因此对于工种场所内含有LNG储罐区的工厂，注意设置好储罐的安全间距，避免二次爆炸事故。