要棟梁 (北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所 北京 100054)

LNG儲(chǔ)罐事故模擬分析

要棟梁 (北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所 北京 100054)

本文應(yīng)用挪威船級(jí)社的SFETI軟件對(duì)某液化天然氣儲(chǔ)罐進(jìn)行事故模擬，分別選用泄漏擴(kuò)散、池火災(zāi)和爆炸模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得出不同事故的傷害范圍和影響區(qū)域，為事故救援和防災(zāi)減災(zāi)提供了理論依據(jù)。

液化天然氣；事故模擬；泄漏

天然氣是現(xiàn)代化城市生活和工業(yè)生產(chǎn)的一種重要能源，為國(guó)家“十二五”能源規(guī)劃發(fā)展的重點(diǎn)，發(fā)展天然氣可以減輕城市污染、提高人民生活水平和工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，社會(huì)綜合效益顯著。液化天然氣（Liquefide NaturalG as，簡(jiǎn)稱LNG）是經(jīng)過(guò)凈化處理、低溫液化后的液態(tài)天然氣，體積僅為原來(lái)的1/625，比天然氣更清潔、熱值更高、在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、貿(mào)易和應(yīng)用方面更有優(yōu)勢(shì)，在天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，液化天然氣將是重要的組成部分，對(duì)提高天然氣利用效率、擴(kuò)展天然氣應(yīng)用領(lǐng)域有重要作用。

一、風(fēng)險(xiǎn)分析方法

目前存在的各類定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法較多，本文應(yīng)用挪威船級(jí)社的SF ET I軟件進(jìn)行事故模擬分析。SAF ET I軟件則是用于定量風(fēng)險(xiǎn)分析和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的計(jì)算軟件，完成危險(xiǎn)辨識(shí)、事故后果模型、事故頻率分析、綜合危險(xiǎn)定量分析的功能。廣泛用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、工廠選址與設(shè)計(jì)、區(qū)域和土地使用決策、運(yùn)輸方案優(yōu)化、設(shè)計(jì)優(yōu)化、提供可接受性安全標(biāo)準(zhǔn)等方面的量化分析。軟件建立在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出數(shù)學(xué)模型，有很強(qiáng)的可信度。不僅可以對(duì)常見(jiàn)的各種工業(yè)災(zāi)害事故進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬分析,還可以分析事故發(fā)生的頻率和事故后果對(duì)個(gè)人和環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)值[1]。

該軟件可以通過(guò)輸入相關(guān)的工藝設(shè)備參數(shù)，選擇某一事故情景（如設(shè)備的災(zāi)難性破壞、泄漏或連接管線失效等），對(duì)物料的釋放過(guò)程進(jìn)行模擬；然后采用相應(yīng)的彌散模型對(duì)泄漏出的物料的擴(kuò)散或蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行模擬，得到可燃易燃或有毒云團(tuán)的分布結(jié)果；運(yùn)用一定的火災(zāi)模型對(duì)事故火災(zāi)影響范圍進(jìn)行模擬，運(yùn)用一定的爆炸模型對(duì)爆炸事故的影響范圍進(jìn)行模擬。

二、危險(xiǎn)性分析

液化天然氣具有低溫、易燃、易爆、易蒸發(fā)、易擴(kuò)散、易流淌、易產(chǎn)生靜電荷的特點(diǎn)。其火災(zāi)的特點(diǎn)是火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、質(zhì)量燃燒速率大、火焰溫度高、輻射熱強(qiáng)，易形成大面積火災(zāi)，具有復(fù)燃性、復(fù)爆性，難于撲滅[2]。

進(jìn)行事故模擬前，首先應(yīng)該選定模擬對(duì)象和模擬參數(shù)。本次模擬對(duì)象選取一個(gè)5000m3的液化天然氣儲(chǔ)罐，常溫低壓儲(chǔ)存（-162℃），發(fā)生災(zāi)難性破裂的事故情景。該儲(chǔ)罐直徑為22m，高19m，設(shè)置在防火堤內(nèi)，罐區(qū)長(zhǎng)69m，寬50m，防火堤高2 m。

不同氣象參數(shù)和地形條件對(duì)模擬的結(jié)果影響很大。地形條件假定為開(kāi)闊陸地?cái)U(kuò)散，無(wú)障礙物。氣象條件假定為：風(fēng)速2.5m／s，考慮最惡劣狀況，風(fēng)向吹向監(jiān)測(cè)位置；大氣穩(wěn)定度為D級(jí)；環(huán)境溫度為20℃；大氣壓力為101kPa。

三、事故模擬

依據(jù)工藝特點(diǎn)及天然氣的特性，以及氣象、地形等條件，選取液化天然氣儲(chǔ)罐泄露發(fā)生池火災(zāi)、罐體完全發(fā)生破裂泄露擴(kuò)散及發(fā)生火災(zāi)爆炸的事故情景進(jìn)行模擬分析。

1.池火災(zāi)事故模擬

該情景采用池火災(zāi)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，將其他形狀的罐池均按照面積等效成圓形液池進(jìn)行計(jì)算。將該液化天然氣罐池按照面積換算，得到等效半徑為33m的圓形。池火災(zāi)危害主要是火焰范圍及熱輻射引起的危害，經(jīng)計(jì)算可知，熱輻射值隨著池火距離的增大而減小，達(dá)到37.5kW/m2的最遠(yuǎn)距離為62.2m，達(dá)到12.5kW/m2的最遠(yuǎn)距離為108.0m，達(dá)到4kW/m2的最遠(yuǎn)距離為174.6m。圖1模擬了不同熱輻射條件下的影響范圍。

圖1 池火災(zāi)模擬分析不同輻射區(qū)域圖

2.泄露擴(kuò)散事故模擬

LNG儲(chǔ)罐完全破裂后，液化天然氣會(huì)急劇氣化，氣體會(huì)順下風(fēng)向迅速擴(kuò)散，很快達(dá)到爆炸極限，研究天然氣能夠達(dá)到的最遠(yuǎn)爆炸極限，對(duì)于影響區(qū)域內(nèi)應(yīng)采取的防火防爆等安全措施具有很現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。該模型還可以設(shè)定既有目標(biāo)坐標(biāo)值，研究泄露氣體在既有目標(biāo)的位置可能達(dá)到的相關(guān)濃度，從而采取針對(duì)性的措施，將事故危害降到最小，該模型計(jì)算了距離事故中心50m、100m、200m處可能達(dá)到的氣體濃度。

采用泄露擴(kuò)散模型對(duì)LNG儲(chǔ)罐完全破裂的事故情景進(jìn)行模擬計(jì)算，達(dá)到爆炸上限、爆炸下限及1/2爆炸下限的擴(kuò)散范圍是分別為129.3m、367.2m、678.9m，在50m、100m、200m處的擴(kuò)散濃度分別為449574ppm、274322ppm、85328ppm。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由計(jì)算結(jié)果可知，LNG儲(chǔ)罐完全破裂情況下，能夠達(dá)到爆炸極限的可燃?xì)怏w最遠(yuǎn)能夠達(dá)到367.2m；在200m的既有目標(biāo)處，可燃?xì)怏w濃度值在爆炸極限范圍內(nèi)，應(yīng)該采取防火防爆措施，人員應(yīng)及時(shí)疏散并撤離，且在可燃?xì)怏w可能影響范圍內(nèi)的所有目標(biāo)均應(yīng)進(jìn)行安全性分析和考慮。

表2 罐體破裂導(dǎo)致大量氣體泄漏計(jì)算結(jié)果

圖2模擬了液化天然氣儲(chǔ)罐完全破裂后，液池蒸發(fā)速率與時(shí)間變化的結(jié)果：在事故初始階段液化天然氣的蒸發(fā)速率最大，達(dá)到了315kg/s；隨著時(shí)間的推移，蒸發(fā)速率急劇減小，在20min內(nèi)下降到80 kg/s；隨后蒸發(fā)速率進(jìn)入一個(gè)平緩的下降期，在40min內(nèi)下降到60 kg/s，約在2h內(nèi)蒸發(fā)完畢。

圖2 罐體破裂液池蒸發(fā)速率隨時(shí)間變化圖

3.火災(zāi)爆炸事故模擬

火災(zāi)爆炸事故是化工生產(chǎn)中最嚴(yán)重的事故類型，其造成的影響范圍大，破壞性強(qiáng)，一旦發(fā)生便是災(zāi)難性的。該軟件選用T NT當(dāng)量爆炸模型對(duì)液化天然氣儲(chǔ)罐進(jìn)行模擬計(jì)算，得出沖擊波對(duì)人員財(cái)產(chǎn)的影響。

經(jīng)模擬計(jì)算，火災(zāi)爆炸事故造成的輕傷半徑、重傷半徑、死亡半徑最遠(yuǎn)距離分別為4271.6m、1106.0m、855.8m。圖3模擬了天然氣爆炸形成的沖擊波造成不同程度傷害的影響范圍。

圖3 TNT當(dāng)量爆炸模型模擬分析不同程度傷害區(qū)域

結(jié)論及探討

1.SFET I作為一種定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件，能很好地對(duì)石油、化工裝置中各種事故進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)模擬與評(píng)價(jià)，并能將評(píng)價(jià)結(jié)果以圖表的形式直觀形象地表達(dá)出來(lái)[3]。但要想得出科學(xué)準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，必須建立在對(duì)物料特性的認(rèn)真了解，對(duì)工藝裝置的深入分析之上，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際對(duì)模擬過(guò)程中每項(xiàng)參數(shù)都要加以推敲，必要時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析，從而使模擬結(jié)果更準(zhǔn)確地反映工程事故實(shí)際。

2.發(fā)生池火災(zāi)事故時(shí)，熱輻射值隨著池火距離的增大而減小，而隔堤的存在與有效性對(duì)池火災(zāi)的輻射范圍影響很大。因此，在應(yīng)急救援時(shí)應(yīng)保證一定的安全救援距離，根據(jù)火災(zāi)熱輻射危害區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的耐火保護(hù)，并在必要的情況下盡可能建設(shè)隔堤，以實(shí)現(xiàn)對(duì)泄露液體的有效隔離、截留，將事故控制在一定范圍。

3.從泄漏擴(kuò)散事故后果仿真看出，在給定的事故條件下，可燃?xì)怏w擴(kuò)散范圍較廣，影響區(qū)域會(huì)擴(kuò)展到一定范圍；因此，應(yīng)根據(jù)泄漏擴(kuò)散區(qū)域，采取一定的防火防爆和其它安全防護(hù)措施，做好應(yīng)急救援工作。

4.大型LNG儲(chǔ)罐發(fā)生爆炸事故后，影響范圍會(huì)非常大，后果非常嚴(yán)重。因此，大型LNG儲(chǔ)罐的選址一定要謹(jǐn)慎，地質(zhì)條件應(yīng)穩(wěn)定可靠，以防止地震等自然災(zāi)害造成儲(chǔ)罐的破裂，要盡可能遠(yuǎn)離人員密集地區(qū)和其他敏感區(qū)域和設(shè)施，確保人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全。

5.不同的事故產(chǎn)生的危害程度不同，應(yīng)根據(jù)不同的事故類型制定不同的應(yīng)急救援措施，在企業(yè)進(jìn)行事故應(yīng)急救援時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定人員疏散方案、救援范圍和安全防護(hù)距離。

[1]秦言杰等.SFETI模擬氯氣泄漏事故的參數(shù)選擇及后果模擬[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2010,36（5）:52-54.

[2]張國(guó)輝.大型LNG儲(chǔ)罐災(zāi)難性破裂后LNG擴(kuò)散范圍分析[J].安全健康和環(huán)境,2005,5（7）.

[3]陳國(guó)華等.LNG泄漏事故后果模擬與定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].天然氣工業(yè),2007,27（6）:133-135.

The Accident Simulation Analysis of LNG Tank

Yao Dong-liang (Beijing Municipal Institute of Labor Protection, Beijing, 100054, P. R. China)

Based on the software SAFETI coming from Norway Veritas,accident simulation of a liquefied natural gas storage tanks are selected.Leakage and diffusion,tank fire and explosion model was used to simulate the damage scope and impact area.It can provide a theoretical basis for the emergency rescue and disaster prevention and mitigation.

Liquefide Natural Gas,accident simulation,leakage.