郭文杰，賈新磊，曹 青，申建軍，胡瑩瑩

(1.濱州學(xué)院 化工與安全學(xué)院，山東 濱州 256600；2.濱州市化工過程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濱州 256600)

1 某LNG加氣站儲罐區(qū)概況

本文以某LNG加氣站儲罐區(qū)為例分析，研究其在發(fā)生泄漏后產(chǎn)生的次生衍生災(zāi)害事故。儲罐區(qū)共有3個LNG儲罐，儲罐最大容積為100m3，各儲罐之間的距離為55m，儲罐其它參數(shù)如表1所示。本模擬選取物料成分為甲烷，單罐容積為100m3，模擬泄漏部位為DN50的管道進(jìn)行計算，對其產(chǎn)生的次生災(zāi)害如池火災(zāi)、噴射火，蒸氣云爆炸等做定量分析，中毒窒息災(zāi)害以及產(chǎn)生的衍生災(zāi)害做定性分析。

2 池火災(zāi)數(shù)值模擬定量分析

2.1 池火災(zāi)

LNG儲罐泄漏后的揮發(fā)氣與空氣混合形成可燃?xì)怏w混合物，遇到點(diǎn)火源被引燃，火焰蔓延至整個液池表面，隨著火勢的加大，其燃燒速率會趨于穩(wěn)定發(fā)展階段。本文通過池火災(zāi)后果模型計算池火災(zāi)后果嚴(yán)重程度，主要是分析池火產(chǎn)生的熱輻射通量以及火災(zāi)擴(kuò)散距離，以此為依據(jù)分析池火的傷害范圍以及在不同傷害范圍內(nèi)的次生災(zāi)害，衡量其危害后果。

2.2 參數(shù)設(shè)定

利用風(fēng)險評估軟件模擬軟件中后果模塊的池火災(zāi)模型模擬LNG儲罐泄漏，根據(jù)實(shí)際儲罐設(shè)置池火災(zāi)模型參數(shù)，如表1所示。本次模擬以《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50183-2004)為參照標(biāo)準(zhǔn)，以熱輻射通量和池火半徑作為主要研究參數(shù)，分析產(chǎn)生的事故后果。

表1 池火災(zāi)模擬參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

在風(fēng)險評估軟件定量風(fēng)險分析軟件中設(shè)置LNG儲罐泄漏的基本參數(shù)，選擇所要模擬的災(zāi)害事故即池火災(zāi)，運(yùn)行計算后輸出圖表分析，可以得到池火災(zāi)發(fā)生時的下風(fēng)向擴(kuò)散距離，如圖1所示，也可以得到池火災(zāi)的熱輻射通量以及致死率半徑，具體結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖1 池火災(zāi)熱輻射水平與下風(fēng)向擴(kuò)散距離

由圖1可知，隨著引燃時間的延長，池火災(zāi)發(fā)生的嚴(yán)重程度也在不斷加大，其下風(fēng)向擴(kuò)散的距離也在不斷增加，可擴(kuò)散至25m左右。當(dāng)距離池火災(zāi)發(fā)生處7m左右時池火災(zāi)的最高熱輻射水平達(dá)到了90KW/m2，此時對人體危害最嚴(yán)重，最高熱輻射水平維持3m后才出現(xiàn)逐漸下降趨勢，因此在發(fā)現(xiàn)有出現(xiàn)池火災(zāi)的勢頭時，有必要在其擴(kuò)散至7m之前采取防范措施對池火災(zāi)進(jìn)行控制，使其火勢不再繼續(xù)蔓延，造成更大的危害。

由圖2和圖3我們可以看出隨著下風(fēng)向擴(kuò)散距離的增加，池火災(zāi)的熱輻射通量逐漸減小，當(dāng)池火災(zāi)擴(kuò)散至12m左右時，熱輻射通量達(dá)到最高值為37.5kW/m2，由表3可知此時如果有相關(guān)人員在此范圍內(nèi)，1min內(nèi)致死率為100%，有1%的人會在10s內(nèi)死亡，周圍的生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備將會受到嚴(yán)重破壞。當(dāng)熱輻射通量對人員的危害降至相對安全范圍時，此時致死率為1%，距離池火災(zāi)發(fā)生處大約為23m，在此范圍內(nèi)暴露長時間人員會感到疼痛但不會造成很大傷害，故而當(dāng)發(fā)生池火災(zāi)事故時，最好將附近相關(guān)人員疏散至23米開外，且23米之內(nèi)不設(shè)置重要設(shè)備設(shè)施。

圖2 池火災(zāi)熱輻射通量

圖3 池火災(zāi)致死率及半徑

3 噴射火數(shù)值模擬定量分析

3.1 噴射火

LNG儲存在高壓儲罐，一旦發(fā)生泄漏形成射流，在泄漏口處遇點(diǎn)火源被引燃，形成噴射火。本文通過噴射火模型計算出LNG儲罐泄漏產(chǎn)生的噴射火火球直徑及熱輻射通量，估計其影響范圍以及在此影響范圍內(nèi)的次生災(zāi)害事故。

3.2 參數(shù)設(shè)定

利用風(fēng)險評估軟件后果模塊中的噴射火模型進(jìn)行模擬計算，設(shè)置儲罐相關(guān)參數(shù)，以熱輻射通量和火球直徑為參數(shù)分析事故后果嚴(yán)重程度，并提出相關(guān)防范措施，具體參數(shù)見表2所示。

表2 噴射火模擬參數(shù)

3.3 結(jié)果分析

在風(fēng)險評估軟件定量風(fēng)險分析軟件中輸入LNG儲罐泄漏的基本參數(shù)，選擇所要模擬的災(zāi)害事故即噴射火，運(yùn)行計算后輸出圖表分析，可以得到噴射火發(fā)生時的下風(fēng)向擴(kuò)散距離與熱輻射水平，如圖4所示，也可以得到噴射火的致死率半徑以及熱輻射通量，具體結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖4 噴射火擴(kuò)散距離及熱輻射水平

圖5 噴射火寬度及致死率半徑

圖6 噴射火寬度及熱輻射通量

由圖4表明，在1.5m/s風(fēng)速條件下，隨著噴射火火災(zāi)分布范圍的增加，前5m范圍內(nèi)熱輻射水平不斷上升，5m到43m范圍內(nèi)趨于平緩，熱輻射通量保持在同一個數(shù)值44KW/m2，達(dá)到發(fā)生噴射火事故后熱輻射通量的最高值，當(dāng)擴(kuò)散距離大于45m時熱輻射通量逐漸降低，而且由圖6我們也可以看到距離火災(zāi)發(fā)生處47m的這一段范圍內(nèi)熱輻射強(qiáng)度最高，距離遠(yuǎn)于71m之后才能到達(dá)相對安全范圍，此時的致死率由圖5可知小于1%。以上數(shù)據(jù)表明，當(dāng)發(fā)生噴射火事故時，為了降低事故后果，減少人員傷亡，需要將人員疏散至70m開外的空曠地帶，才能不至于被噴射火所產(chǎn)生的熱輻射造成傷害。

4 蒸氣云爆炸數(shù)值模擬定量分析

4.1 蒸氣云爆炸

LNG發(fā)生泄漏后形成一定尺寸的蒸氣云，足夠量空氣進(jìn)入蒸氣云后經(jīng)過混合形成爆炸性混合物，遇點(diǎn)火源引燃后發(fā)生蒸氣云爆炸，火焰加速傳播并加熱鄰近的儲罐，其中爆炸產(chǎn)生的沖擊波對周圍人群以及建筑設(shè)備的傷害程度極大。若蒸氣云爆炸進(jìn)一步發(fā)展，會對周圍設(shè)施或相鄰儲罐等引發(fā)二次災(zāi)害，造成多米諾效應(yīng)。本文主要通過風(fēng)險評估軟件后果模塊中的TNT當(dāng)量模型計算爆炸時的爆炸超壓、死亡半徑、重傷半徑等，分析其發(fā)生爆炸事故的傷害范圍，其爆炸超壓的強(qiáng)度范圍見表3。

表3 爆炸超壓強(qiáng)度范圍

4.4.2 參數(shù)設(shè)定

通過風(fēng)險評估軟件后果模塊中的蒸氣云模型，設(shè)定研究范圍的最遠(yuǎn)距離為400m，儲罐形狀選擇圓柱形，爆炸形式選擇地面爆炸，模擬狀態(tài)選擇理想氣體爆炸運(yùn)行計算，其余儲罐泄漏參數(shù)見表4。

表4 蒸氣云爆炸模擬參數(shù)

4.4.3 結(jié)果分析

在風(fēng)險評估軟件定量風(fēng)險分析軟件中輸入LNG儲罐泄漏的基本參數(shù)，選擇所要模擬的災(zāi)害事故即蒸氣云爆炸，運(yùn)行計算后輸出圖表分析，可以得到蒸氣云爆炸最壞情況下的超壓與擴(kuò)散距離以及蒸氣云爆炸半徑，具體結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 蒸氣云爆炸最壞情況下的超壓與擴(kuò)散距離

圖8 蒸氣云爆炸最壞情況下的擴(kuò)散距離與爆炸半徑

由圖7我們可以看出蒸氣云爆炸在三種不同氣壓下的具體情況，分別為0.02068 bar、0.1379 bar和0.2068 bar(1 bar=0.1MPa)，在距離爆炸發(fā)生處順風(fēng)距離104m處達(dá)到爆炸超壓極限值1 bar，并保持該極限值持續(xù)順風(fēng)擴(kuò)散了32m左右，此時由表5知當(dāng)爆炸超壓達(dá)到0.1MPa時，人員死亡率可以達(dá)到100%，故此時對人體傷害程度最大。在距離爆炸發(fā)生處順風(fēng)距離136m時其爆炸超壓才呈現(xiàn)急劇下降的趨勢，擴(kuò)散至順風(fēng)距離330m時超壓降至最低為0.025 bar，在此范圍內(nèi)已經(jīng)到達(dá)了安全區(qū)，人員的身體健康得到了保證。圖8是在三種沖擊波超壓下得出的最壞情況的爆炸半徑，其中0.02068 bar情況下不對人群構(gòu)成威脅，周圍建筑玻璃窗會損壞，由圖8知傷害半徑大約為側(cè)風(fēng)距離215m。0.1379 bar情況下對人員傷害程度不大，周圍建筑設(shè)施的玻璃可能會破碎，由圖8知傷害半徑大約為側(cè)風(fēng)距離55m。0.2068 bar情況下對人員造成傷害，周圍建筑墻體會出現(xiàn)裂縫等災(zāi)害，由圖8知傷害半徑大約為側(cè)風(fēng)距離41m左右。

5 衍生災(zāi)害的定性分析

LNG成分中還存在有少量的氣味非常濃烈且難聞的硫化氫氣體，當(dāng)LNG儲罐發(fā)生泄漏并接收熱量后，LNG會蒸發(fā)并擴(kuò)散至空氣中，造成環(huán)境的污染。此外LNG本身是低溫存儲的液體，當(dāng)出現(xiàn)泄漏口時，會流淌到地面形成液池，這也是前面提到的池火災(zāi)發(fā)生的導(dǎo)火索，如果相關(guān)工作人員沒有注意到LNG泄漏，則其液池面積會越來越大，當(dāng)LNG氣化站附近有河流時，會隨著時間的延長，液池逐漸流入河流中，造成水體污染，嚴(yán)重的話會感染水中的生物，誘發(fā)新病毒的產(chǎn)生，繼而威脅到人類的生命健康。

6 結(jié)論

通過風(fēng)險評估軟件模擬了LNG泄漏所產(chǎn)生的池火，噴射火和蒸氣云爆炸的發(fā)生狀況，定量分析了這些災(zāi)害的嚴(yán)重程度，對于泄漏所產(chǎn)生的中毒窒息和其它衍生災(zāi)害等定性分析了產(chǎn)生的事故后果，本文得出結(jié)論如下：

(1)當(dāng)池火災(zāi)發(fā)生時，越早控制越好，盡量不要讓火勢蔓延至晚期，當(dāng)距離池火災(zāi)發(fā)生處順風(fēng)距離12m時為池火的死亡半徑，順風(fēng)距離23m時為輕傷半徑，某LNG加氣站儲罐區(qū)各儲罐間距離為55m，故發(fā)生池火災(zāi)時對相鄰儲罐的危害不是很大，主要是注重人員的撤離。

(2)噴射火的死亡半徑為順風(fēng)距離47m，輕傷半徑為順風(fēng)距離71m，考慮到個相鄰儲罐間距為55m，此時容易引起相鄰罐體發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，因此需在LNG儲罐工作區(qū)間內(nèi)安裝監(jiān)測報警裝置，及早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)控制火勢。

(3)蒸氣云爆炸時安全半徑大約為側(cè)風(fēng)距離215m，輕傷半徑大約為側(cè)風(fēng)距離41m左右，但側(cè)風(fēng)距離55m時會對周圍的建筑設(shè)施等產(chǎn)生影響，以儲罐間距55m為例，會引發(fā)相鄰罐體的爆炸，因此對于工種場所內(nèi)含有LNG儲罐區(qū)的工廠，注意設(shè)置好儲罐的安全間距，避免二次爆炸事故。