LNG 超压泄露模拟计算及分析

任玉洁REN Yu-jie

（中海石油炼化有限责任公司，北京 100029）

1 LNG 特性

1.1 低温特性

常压下LNG 的沸点为-166°C～-157°C（一般取-162°C），与组分有关。LNG 沸腾温度随蒸气压力的变化梯度约为1.25×10-4°C/Pa，即蒸气压力每上升1Pa，温度约上升1.25×10-4°C。对于LNG 的密度，通常为430～470kg/m3，密度随液体温度的变化梯度约为1.35kg/（m3·°C），即液体温度每上升1°C，LNG 密度约降低1.35kg/m3。同时，LNG 的气液体积比约为600:1，在标准状况下1 体积的LNG 气化为600体积的气体。因此，液化天然气（LNG）的低温特性：LNG接收站场EPC 建设必须考虑LNG 低温特性的要求；LNG 在生产、运输、储存、气化过程中，相关的设备设施必须能耐-162°C 的低温，且机械性能不降低；操作人员必须做好LNG 低温风险的防护等。

1.2 蒸发气特性

①LNG 能产生蒸发气体，LNG 的存储温度较低，虽然它存放在保冷的储罐中，但外部的热量会不断传至储罐中，LNG 吸收这些热量后会将液体蒸发为气体，这种气体叫（BOG，boil off gas）。其蒸发过程为：轻组分的甲烷先从LNG 中气化出来，重组分后从LNG 中气化，重组分剩余在液体中导致密度增大。因此，LNG 储罐等存储设施（包含截断阀之间的管道）会安装气体安全泄放阀，安全泄放阀会保证有充分的泄放能力。

②LNG 泄露后蒸发气体扩散特征显著。当LNG 泄漏后，一开始会剧烈沸腾气化，之后蒸发速度迅速衰减到一个固定值，该值的大小受土地的换热特性和空气的换热特性及周围环境条件影响。开始蒸发时其气体密度大于空气密度（约是空气密度的1.5 倍），由于LNG 泄漏时的温度很低，其周围环境中的水蒸气冷凝成水雾，形成一个流动层在地面，由于低温气团密度较大将进行沉降。从水雾的运动情况中可以看出蒸发气和空气混合物的扩散范围。因为空气运动的原因，空气会被吸入蒸气云内部，低温气团会被加热，当温度升高到-112°C 以上时，蒸发气和空气混合物在温度升高的同时密度将逐渐低于空气的密度。最后，LNG 会逐渐和空气混合并且全部气化，直至体积扩大为液体时的约600 倍。

因此，操作运维人员在此环境中存有由于缺氧产生窒息的危险。

1.3 “翻滚”特性

“翻滚”是大量BOG 气体在短时间内从LNG 储罐中释放的过程。“翻滚”发生时将快速地产生大量的蒸发气体，将使容器受到超压的危害。来源不同、密度不同的LNG 以及长期静止储存的LNG 都有可能引起“翻滚”，在“翻滚”发生前，通常储罐内部LNG 的气化速度比较低，应引起重视。

1.4 着火和爆炸特性

LNG 泄漏和气化后，形成常温的天然气，变成天然气和空气的混合物。当天然气的浓度达到5%～15%（体积分数，与组分有关）时遇到明火就容易发生爆炸，高于或低于这个浓度范围，遇明火时会发生燃烧。5%～15%是天然气的爆炸极限。因此，当LNG 泄漏后应竭尽所能采取相应措施，使得LNG 气化后形成的天然气和空气混合物的浓度范围不在爆炸极限内，以降低危险性。形不成着火的条件是最理想的。

1.5 快速相变特性

LNG 泄漏后，水洒到LNG 的表面后由于机械打击产生接触后将发生快速相变。快速相变是由于温差很大的两种液体接触时，以爆炸的速度产生蒸气的情况。这种情况产生的爆炸力虽然不会产生燃烧，但是具有爆炸发生时的所有特征。

LNG 储罐新投用或检修后投产不能用水置换、LNG泄漏后不能用水对LNG 进行喷射（淋），就是为了避免发生快速相变。快速相变发生时，LNG 短时间蒸发，以爆炸速度产生蒸气，危及人员与设备安全。另外，现行国家标准《液化天然气的一般特性》GB/T19204 也对液化天然气的一般特性进行了阐述。

2 损失判断标准

2.1 火灾损失（表1）

表1 热辐射的不同入射强度所造成的损失

2.2 爆炸冲击波

冲击波超压对人体的伤害作用见表2，对建筑物的破坏作用见表3。

表2 冲击波超压对人体的伤害作用

表3 冲击波超压对建筑物的破坏作用

3 模拟结果

3.1 泄漏

图1为安全距离范围（侧视），图2 为安全距离范围（水平）。

图1 安全距离范围（侧视）

图2 安全距离范围（水平）

说明：NFPA59A 建议LNG 浓度为1/2LEL 处的距离为安全距离，这里体积浓度下限取2.2%（LNG 的LEL 为4.4%）。（软件自动取值）（下同）

有关的关键数据见表4。

表4 天然气浓度与距离的关系

3.2 爆炸

图3为破坏性超压与距离的关系，图4 为延迟爆炸破坏半径，图5 为闪火范围。

图3 破坏性超压与距离的关系

图4 延迟爆炸破坏半径

图5 闪火范围

闪火的有关数据如表5。

表5 闪火与LFL 的关系

3.3 喷射火

图6为喷射火辐射强度与距离的关系。

图6 喷射火辐射强度与距离的关系

喷射火在给定辐射强度值的距离见表6。

表6 给定辐射强度值的距离

4 结论

①严格按照设计规范和LNG 安全标准进行设计，在设计上需要发现潜在的安全隐患并提出保障安全的相应措施。包括初步危险分析（PHA），操作危险性分析（HAZOP）、风险定量评估（QRA）、气体扩散研究和突变分析。工程开始阶段采用PHA 技术主要有以下两个优点：能够识别出潜在的危险，并用较小的投资和措施来抵御危险，能够帮助设计组明确或扩展用于整个工厂的生产运行目标。QRA 目的是明确LNG 接收站场等潜在的主要危险，QRA 对厂区的平面布置有重要的影响。②在工程建设的后阶段通常要进行更详细的HAZOP 研究。③确定能够保护地边线以外的人身和财产安全的初步平面布置。