基于火灾危害分析(FHA)的LNG接收站集液池优化设计

赵顺喜,嵇俊,张超

(中海油江苏天然气有限责任公司,江苏 盐城 224500)

集液池是LNG接收站场中常见的用于收集溢出或泄露LNG的专用坑池,通常分布于接收站码头区、储罐区、工艺区及槽车区。当管道发生LNG泄露时,收集在集液池中的LNG在遇到引火源时会发生池火灾现象[1]。《液化天然气装置和设备·岸上装置的设计》(EN 1473—2007)对集液池允许的热辐射以及《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》(GB/T 20368—2021)对蒸气扩散浓度与距离均作出了相关要求。通过使用PHAST软件模拟集液池发生池火灾,计算出集液池的热辐射值与蒸气云扩散浓度,可优化集液池的尺寸设计与平面布置,确保满足安全规范要求。

1 火灾危害分析(FHA)

1.1 火灾危害分析(FHA)介绍

FHA全称Fire Hazard Analysis,即火灾危害分析,指通过收集与项目相关的资料,包括站址信息、布置图、设计基础、设备清单、工艺流程图及气象条件,辨识出所有的潜在的危险源,并对辨识出来的危险源进行频率与后果进行分析,依据可信事件的事故后果,对站场的防火防爆、人员应急逃生通道等设计提供数据支持,并提出针对LNG站场的火灾爆炸的风险管理措施建议。随着国内对石油化工行业安全运行要求的不断提高,越来越多的单位、企业选择在初步设计阶段对建设项目进行FHA分析。

1.2 FHA工作流程

常见的FHA工作流程见图1。

图1 FHA工作流程

1.3 可接受标准

目前,国内规范对集液池允许的热辐射以及蒸气扩散浓度与距离的要求主要参考以下两个标准规范:

1.3.1 《液化天然气装置和设备·岸上装置的设计》(EN 1473—2016)

标准规定允许的热辐射量如表1所示。

表1 允许的热辐射量(不包含太阳辐射)[2]

1.3.2 《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》(GB/T 20368—2021)

LNG储罐拦蓄区到建筑红线的距离,LNG溢出时,应保证建筑在红线以外,空气中甲烷的平均浓度不超出爆炸下限的50%[3]。

2 后果模拟及危害距离计算

2.1 场景后果模拟

以国内某LNG接收站为例,接收站红线范围内布置4座22万m3LNG储罐,储罐北侧为厂区用地红线,储罐南侧为卸料工艺管廊。T-0201与T-0203共用一个LNG集液池(见图2),该集液池距离北侧红线128 m。考虑事故发生的不叠加,因此本位以T-0201储罐为例进行后果模拟与计算分析。

图2 国内某LNG接收站罐区布置图

通过计算,该区域可能泄漏场景中LNG最大泄漏量为497 236.90 kg。但是当LNG泄漏后,LNG会立刻产生蒸发,实际到达地面集液池的LNG量远小于其泄漏量。通过PHAST软件计算,从图3可以看出,到达地面的LNG量约为85 000.0 kg,体积大约为180 m3。

图3 集液池LNG剩余质量随时间变化曲线

2.2 池火灾热辐射计算

最初设计的集液池尺寸为10 m×10 m×5.5 m,从表2可以看出,集液池产生池火时32 kW/m2的热辐射最大影响范围为32.5 m,15 kW/m2的热辐射最大影响范围为41.3 m, 8 kW/m2的热辐射最大影响范围为50.2 m,5 kW/m2的热辐射最大影响范围为58.9 m。

表2 罐区集液池池火热辐射影响距离 单位:m

根据PHAST计算结果,从图4中可以看出,T-0201和T-0203储罐的混凝土外壁、泡沫站和管廊处在32 kW/m2的热辐射范围之内,可能造成储罐外壁以及管线受损,应考虑调整集液池大小或位置,或设置其他合理热辐射防护设施;8 kW/m2的影响范围内未设置建构筑物(控制室、维修车间、实验室、仓库等),满足热辐射阈值要求;5 kW/m2的影响范围内未设置行政楼等人员集中区,满足热辐射阈值要求。

图4 罐区集液池(10 m×10 m)池火影响范围

2.3 蒸气云扩散计算

罐区集液池气云扩散范围见表3,下风向上最大气云扩散范围图见图5。

表3 罐区集液池气云扩散影响距离 单位:m

图5 罐区集液池气云扩散图

根据PHAST计算结果可以看出,在2F气相工况下,50%LFL影响范围216.6 m,北侧已超出厂区红线约88 m,不满足GB/T 20368—2021的安全要求。

3 设计优化与控制措施

根据前期PHAST模拟结论:同等条件下,集液池表面积越小,池火灾热辐射影响范围越小、蒸气云扩散距离越小。因此初步将集液池尺寸优化为6 m×6 m×6.5 m[4]。

3.1 池火灾热辐射计算

将模型中的集液池尺寸调整后,表4可以看出,集液池产生池火时32 kW/m2的热辐射最大影响范围为19.06 m,15 kW/m2的热辐射最大影响范围为23.77 m,8 kW/m2的热辐射最大影响范围为28.47 m,5 kW/m2的热辐射最大影响范围为32.82 m。

表4 罐区集液池池火热辐射影响距离 单位:m

热辐射间距显著降低,均满足热辐射阈值要求。最大气云扩散范围见图6。

图6 罐区集液池(6 m×6 m)池火影响范围

3.2 蒸气云扩散计算

罐区集液池气云扩散范围见表5,下风向上最大气云扩散范围图见图7。

图7 罐区集液池气云扩散图

50%LFL可下降至140.2 m,考虑泡沫覆盖可以降低集液池LNG 20%的气化速率,模拟计算得到50%LFL可下降至116.39 m,满足50%LFL不能超出界区的要求。

4 结语

接收站LNG集液池设计需充分考虑相关标准规范的要求,原先设计的10 m×10 m集液池在模拟计算过程中发现,储罐的混凝土外壁、泡沫站和管廊处在32 kW/m2的热辐射范围之内,对储罐外壁以及管线存在潜在的安全风险,同时在2F气相工况下,50%LFL影响范围216.6 m,北侧超出厂区红线88 m,不符合标准规范要求。通过PHAST模拟发现,同等条件下,集液池表面积越小,池火灾热辐射影响范围越小、蒸气云扩散距离越小。在随后的集液池尺寸优化设计,考虑泡沫覆盖产生的20%的气化抑制率,可确保15 kW/m2的热辐射范围之内不存在建构筑物及管廊管道,同时成功将50%LFL扩散距离下降至116.39 m,满足不能超出界区的要求。