謝頂杉　廖　勇　王　非　王　科　田東民

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,　四川　成都　610041

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LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)熱輻射的安全距離影響因素研究

謝頂杉廖勇王非王科田東民

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,四川成都610041

摘要：對(duì)LNG泄漏的危害性和池火熱輻射的理論模型進(jìn)行了研究,通過(guò)DNVPHAST軟件計(jì)算，分析了池火火災(zāi)熱輻射的安全距離影響因素,得到了風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、泄漏量及圍堰尺寸對(duì)池火熱輻射的影響情況和影響程度。研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速、泄漏量和圍堰尺寸對(duì)熱輻射的影響范圍都有不同程度的影響,其中泄漏量影響最大,而大氣穩(wěn)定度對(duì)熱輻射的范圍影響相對(duì)較小。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)罐；池火；熱輻射；評(píng)價(jià)模型；安全距離

0前言

液化天然氣(LNG)具有熱值高、體積小、無(wú)腐蝕等特點(diǎn),是全球公認(rèn)的清潔能源。隨著LNG在工業(yè)和民用領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大,LNG發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故的概率也隨之增加。因此,研究引起LNG發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故的影響范圍和影響因素,對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)事故的預(yù)防和控制有重要的意義。

1LNG泄漏的危險(xiǎn)性分析

LNG發(fā)生泄漏不僅會(huì)產(chǎn)生蒸氣云爆炸事故和池火火災(zāi),還會(huì)產(chǎn)生其他危害[3-4]。

甲烷是一種低毒性、窒息性的氣體。大量LNG從LNG儲(chǔ)罐或者LNG輸送管道的破損口溢出氣化。即使沒(méi)有遇到火源,但是仍然會(huì)導(dǎo)致空氣中甲烷的濃度非常高,進(jìn)而對(duì)工廠巡檢人員、應(yīng)急人員或者其他可能暴露于正急劇擴(kuò)散的天然氣氣團(tuán)中的人員造成窒息傷害；而且超低溫LNG還會(huì)對(duì)泄漏區(qū)域附近的人員或設(shè)備產(chǎn)生低溫灼傷或者低溫破壞。

一般來(lái)說(shuō),氣體的燃燒和爆炸都能產(chǎn)生熱負(fù)荷和壓力負(fù)荷。通常用火災(zāi)造成的熱輻射損害的等級(jí)來(lái)區(qū)分和建立火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)。對(duì)于熱負(fù)荷,美國(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)推薦用5 kW/m2的事故熱通量值來(lái)確定人員的安全防火距離[5]。熱輻射在通常情況下的損害等級(jí)見表1[6]。

天然氣正常燃燒時(shí),擴(kuò)展速度較低,正常條件下不會(huì)產(chǎn)生大的超壓情況。當(dāng)被引燃的蒸氣云引起蒸發(fā)的天然氣回?zé)揭绯鲈磿r(shí),通常稱作“燃燒火球”,如擴(kuò)散時(shí)遇到嚴(yán)重的湍流,或者周圍有阻礙物(例如密集的設(shè)備或者建筑物),或者遇到高壓火源,就有可能出現(xiàn)燃燒速度加快的現(xiàn)象,從而產(chǎn)生較高壓力乃至形成爆炸。

表1熱輻射在通常情況下的損害等級(jí)表

事故熱通量/(kW·m-2)損害類型35～37.5對(duì)工藝設(shè)備包括儲(chǔ)罐、化工設(shè)備或者機(jī)器有損害25無(wú)明火時(shí),點(diǎn)燃木頭所需的最小能量值18～20塑料電纜的絕緣層暴露在外會(huì)退化12.5～15有明火時(shí)點(diǎn)燃木頭所需的最小能量值,塑料管道融化值5員工在穿著合適工作服的情況下能緊急操作持續(xù)幾分鐘 注:事故熱通量值基于平均暴露時(shí)間10min計(jì)算得到。

2計(jì)算模型選擇

研究LNG發(fā)生池火火災(zāi)熱輻射影響范圍和影響因素,須結(jié)合相關(guān)理論知識(shí)和實(shí)際工程情況,有相關(guān)數(shù)學(xué)模型作為理論支撐。LNG池火火災(zāi)的數(shù)學(xué)模型主要分為場(chǎng)模型和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢深悺?/p>

場(chǎng)模型,即通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型,(如FDS,FLUENT等模型),求解N-S方程,并且結(jié)合描述火災(zāi)情況的物理、化學(xué)過(guò)程的子模型,對(duì)LNG火災(zāi)情況進(jìn)行預(yù)測(cè),它比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂懈叩目尚哦?也是未來(lái)火災(zāi)數(shù)學(xué)模型的發(fā)展方向[7-9]。但是場(chǎng)模型的缺點(diǎn)是需要專業(yè)技術(shù)人員分析,計(jì)算工作量大,不適宜一般工程技術(shù)人員使用[1],因此不討論此模型。

半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停腔谶^(guò)去火災(zāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)公式,主要采用無(wú)因次方程關(guān)系式來(lái)描述火災(zāi)特點(diǎn)。這種模型具有相對(duì)簡(jiǎn)單、使用方便,預(yù)測(cè)結(jié)果比較合理等優(yōu)點(diǎn),因此該類模型在工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程中使用廣泛。因此,重點(diǎn)對(duì)常用的幾種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行介紹。

2.1點(diǎn)源模型

點(diǎn)源模型[10]的原理是根據(jù)牛頓提出的平方反比定律,即輻射強(qiáng)度與到輻射源距離的平方成反比。假設(shè)池火作為一個(gè)熱輻射中心點(diǎn),成半球狀形式向周圍空間輻射熱量,表達(dá)式如下：

(1)

2.2固體火焰模型

固體火焰模型的基本原理則是將沒(méi)有規(guī)則的火焰形狀假定為圓柱形,見圖1。圓柱的直徑為發(fā)生池火的直徑,當(dāng)風(fēng)速不為0 m/s時(shí),圓柱體將發(fā)生傾斜,與豎直方向的夾角為θ。

圖1　固體火焰模型圖

計(jì)算公式:

(2)

為方便使用,對(duì)上述模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：

(3)

在具體使用過(guò)程中,固體火焰模型分為L(zhǎng)NG-Fire 3和PoFMISE兩種計(jì)算模型[1]。

2.3池火定量評(píng)價(jià)模型

因?yàn)槌鼗鸹鹧娴膶?duì)外熱輻射過(guò)程實(shí)際為換熱過(guò)程,對(duì)附近人員及設(shè)備的影響則體現(xiàn)在輻射的強(qiáng)度和輻射時(shí)間上[2]。

池火的火焰高度計(jì)算公式：

(4)

池火的總熱流量公式：

(5)

(6)

2.4模型使用建議

通過(guò)以上模型分析可知,由于點(diǎn)源模型沒(méi)有充分考慮大氣條件等因素的影響,并且在預(yù)測(cè)結(jié)果上,出現(xiàn)小尺寸池火安全距離預(yù)測(cè)結(jié)果偏小,大尺寸池火安全距離預(yù)測(cè)結(jié)果偏大的情況,導(dǎo)致低估小尺寸池火的危害,但又高估大尺寸池火的危害。因此在工程上進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí),不推薦使用點(diǎn)源模型。

固體火焰模型中的LNG-Fire 3模型在使用中存在未考慮表面輻射力隨火焰高度的變化,也沒(méi)有考慮LNG不完全燃燒的問(wèn)題；PoFMISE模型中系數(shù)主要來(lái)自LPG或油品火災(zāi),LNG池火火災(zāi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少[1]。因此，在對(duì)LNG進(jìn)行定量分析時(shí),不推薦使用固體火焰模型,推薦采用池火定量評(píng)價(jià)模型。

3安全距離影響因素研究

PHAST軟件是挪威船級(jí)社推出的石化項(xiàng)目危害后果分析工具,是國(guó)內(nèi)應(yīng)用最普遍的定量風(fēng)險(xiǎn)分析軟件,可用來(lái)分析物料泄漏情況,模擬液池的形成、擴(kuò)散,計(jì)算火災(zāi)后果(包括噴射火、池火、閃火、VCE和BLEVE)等[11-13]。

應(yīng)用DNV PHAST軟件進(jìn)行池火火災(zāi)熱輻射的分析研究,采用單因素法和池火定量評(píng)價(jià)模型，研究常見影響因素對(duì)池火火災(zāi)熱輻射的影響程度、影響范圍等。

3.1環(huán)境風(fēng)速

環(huán)境風(fēng)速是影響大氣湍流程度的重要因素之一。對(duì)于火災(zāi)熱輻射,風(fēng)速主要影響大氣的湍流強(qiáng)度,湍流強(qiáng)度的大小影響空氣的熱傳遞系數(shù)T。從經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头治鲲L(fēng)速對(duì)熱輻射影響可發(fā)現(xiàn),當(dāng)風(fēng)速越大,火焰發(fā)展方向往下方向范圍就越廣，越傾向地面,導(dǎo)致高輻射強(qiáng)度的安全距離增加,但低輻射強(qiáng)度的安全距離降低或基本不變[1,14],圖2表示了環(huán)境風(fēng)速對(duì)熱輻射安全距離的影響，圖3表示了當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為 1 m/s 時(shí),LNG儲(chǔ)罐破裂，發(fā)生池火時(shí)不同熱輻射強(qiáng)度的影響范圍。

圖2　環(huán)境風(fēng)速對(duì)熱輻射距離的影響

圖3　LNG儲(chǔ)罐破裂發(fā)生池火的熱輻射影響范圍俯視圖(1 m/s)

3.2大氣條件

大氣穩(wěn)定度是表征大氣湍流程度的一種半定量方法。大氣穩(wěn)定度不同,空氣中物質(zhì)的組成不同,空氣的密度也會(huì)變化,導(dǎo)致燃燒中心的吸收衰減系數(shù)k不同。當(dāng)池火發(fā)生在白天或夜間時(shí),其平均光線長(zhǎng)度校正系數(shù)有所區(qū)別。根據(jù)以上理論,表2給出了不同大氣穩(wěn)定度對(duì)熱輻射距離的影響。

表2大氣穩(wěn)定度對(duì)熱輻射距離的影響

熱輻射/(kW·m-2)大氣穩(wěn)定度ABCDEF526.326.5526.8227.2927.1827.29921.6921.8922.1122.2822.3822.463013.113.2413.3913.0813.5513.58 注:熱輻射影響距離為到LNG儲(chǔ)罐中心的距離。大氣穩(wěn)定度等級(jí)一般分為A～F6類,A代表非常不穩(wěn)定(白天),B代表中等不穩(wěn)定(白天),C代表輕微不穩(wěn)定(白天),D代表中性(白天或夜間),E代表穩(wěn)定(夜間),F代表非常穩(wěn)定(夜間)[15]。

通過(guò)模擬情況可以看出,大氣穩(wěn)定度對(duì)池火火災(zāi)熱輻射的范圍影響較小。

3.3泄漏孔徑

管道發(fā)生泄漏時(shí)孔徑的大小會(huì)影響泄漏速率和泄漏量,泄漏速率是影響穩(wěn)態(tài)情況下重氣擴(kuò)散的安全距離的最重要因素之一。重氣擴(kuò)散的情況則直接影響產(chǎn)生火災(zāi)熱輻射的影響范圍[14,16]。泄漏量不同,則液池的半徑r就不同,從而影響池火的燃燒強(qiáng)度、燃燒的持續(xù)時(shí)間。因此，研究了不同泄漏孔徑對(duì)熱輻射距離的影響,見表3。

表3泄漏孔徑對(duì)熱輻射距離的影響

熱輻射/(kW·m-2)不同泄漏孔徑的熱輻射距離/m5mm25mm50mm100mm200mm完全破裂54.1127.2982.68192.29370.03673.4493.622.4665.7151.16289.1525.3130-13.5838.8386.85164.21298.84 注:熱輻射影響距離為到LNG儲(chǔ)罐中心的距離。

從表3可看出,泄漏孔徑的大小對(duì)池火火災(zāi)熱輻射的影響非常明顯。這是因?yàn)榭讖降拇笮?直接影響泄漏量,孔洞越大,泄漏物資越多,危險(xiǎn)區(qū)域越大。因此,在實(shí)際工程項(xiàng)目中,要密切監(jiān)視儲(chǔ)罐和管道泄漏情況。

3.4圍堰尺寸

根據(jù)GB 50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》10.3.5.3中第三條的規(guī)定：儲(chǔ)罐液位以下配有內(nèi)置關(guān)閉閥的圍堰區(qū),設(shè)計(jì)泄漏量應(yīng)按照假設(shè)敞開流動(dòng)及流通面積等于液位以下接管管口面積,儲(chǔ)罐充滿時(shí)持續(xù)流出時(shí)間1 h的最大量考慮?？梢奓NG儲(chǔ)罐周圍通常要設(shè)計(jì)圍堰,以防止儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏時(shí),液體四處流淌蔓延造成二次傷害。如發(fā)生火災(zāi),還可以防止火焰蔓延到周邊地區(qū)[17-19]。因此,圍堰的大小直接影響液池的大小,進(jìn)而影響池火的火焰高度H。因此,研究當(dāng)圍堰形式為正六邊形,其容積保持不變時(shí),圍堰尺寸對(duì)熱輻射距離的影響半徑,見表4。

表4圍堰尺寸對(duì)熱輻射距離的影響半徑

熱輻射/(kW·m-2)不同圍堰尺寸(?a,h㊣)對(duì)熱輻射距離的影響半徑/m不設(shè)置(62,0.5)(43,1)(36,1.5)(31,2)(27,2.5)527.2922.3418.7517.7916.8815.13922.4619.7417.6916.3615.7414.883013.5812.0910.9510.579.969.26 注:熱輻射影響距離為到LNG儲(chǔ)罐中心的距離;?a㊣為正六邊形邊長(zhǎng),m;?h㊣為圍堰高度,m。

由表4可看出,圍堰尺寸對(duì)池火火災(zāi)熱輻射的范圍有一定影響,并且隨著圍堰高度的增加,火災(zāi)熱輻射的影響范圍逐漸減小。但隨著圍堰高度的增加,其減小的幅度降低，這是因?yàn)槌鼗鸹馂?zāi)的發(fā)生點(diǎn)在液池內(nèi),而液池一般在地面以下,且液池中LNG的量較少,產(chǎn)生的池火火焰高度不會(huì)太高。因此,在工程實(shí)際項(xiàng)目中,需結(jié)合建設(shè)成本和安全距離的要求,選擇合適的圍堰高度,不一定以提高圍堰的高度來(lái)保障安全距離[20]。

4結(jié)論

1)風(fēng)速和泄漏孔徑的大小對(duì)池火火災(zāi)熱輻射的影響較大,其中泄漏孔徑的大小影響最大。因此,在實(shí)際工程項(xiàng)目中,要密切關(guān)注發(fā)生LNG泄漏量的大小。

2)大氣穩(wěn)定度對(duì)池火火災(zāi)熱輻射的影響范圍較小。這是因?yàn)榇髿夥€(wěn)定度主要影響的是LNG泄漏擴(kuò)散范圍,而池火火災(zāi)的發(fā)生在LNG泄漏擴(kuò)散完成后,因此大氣穩(wěn)定度的影響較小。

3)圍堰尺寸對(duì)池火火災(zāi)熱輻射半徑有影響,但過(guò)高的圍堰尺寸會(huì)增加建設(shè)成本。因此,在工程中,需結(jié)合工程安全距離要求和建設(shè)成本共同確定圍堰的高度。

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收稿日期：2015-10-13

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古200×104 m3/d天然氣液化項(xiàng)目資助(Z 2014-6)

作者簡(jiǎn)介：謝頂杉(1983-)，男，四川成都人，工程師，碩士，主要從事天然氣凈化與天然氣液化設(shè)計(jì)工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.006