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        某液化天然氣儲罐泄漏的火災后果預測

        2018-10-17 06:41:08陳慧芳
        山東化工 2018年18期

        許 淵,尹 斌,伍 蒙,李 左,陳慧芳

        (1.武漢工程大學興發(fā)礦業(yè)學院 安全技術及工程,湖北 武漢 430070; 2.昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司,湖北 黃岡 438011)

        1 我國液化天然氣的需求將持續(xù)增長

        我國是天然氣消費大國,目前,我國的天然氣消費量穩(wěn)居世界第三。僅2017年,我國就消耗天然氣2300億m3,其中,有930億m3是進口的。發(fā)改委十三五規(guī)劃中明確提出,到2020年,國內天然氣綜合保供能力達到3600億m3以上,其中自產天然氣2070億m3。剩下的部分中,預計有500億立方米通過天然氣管道進口。除此以外,大約有1000億m3天然氣的空缺,這就依賴于LNG來補充[2]。根據(jù)2013年到2017年的LNG消費趨勢預測,我國以后的LNG需求仍會持續(xù)上升。

        2 LNG儲罐向著大型化發(fā)展

        當前,國家對天然氣儲罐自主開發(fā)的研究力度越來越大[1]。LNG大型儲罐的建設也在逐步從沿海往內地發(fā)展,儲罐的容量也在經歷有小到大的發(fā)展,逐步跟上世界的發(fā)展潮流。綜合來看,現(xiàn)在全世界的LNG儲罐都在朝著大型化這一方向發(fā)展,全世界LNG儲罐類型及罐容發(fā)展情況見圖1[5]。

        圖1 全世界LNG儲罐罐容發(fā)展情況

        3 液化天然氣儲罐泄漏造成的危害

        3.1 低溫危害

        LNG在儲罐中是低溫液體,一般是零下162℃,因此,儲罐泄漏事故發(fā)生后,首先低溫的LNG會凍傷附近的工人。此時如果觸碰低溫容器的外壁或管道,工人表皮會粘附在表面上,造成傷害。此外,泄漏后的天然氣會與周圍大氣進行熱交換,LNG由液態(tài)轉向氣態(tài),這是一個吸熱反應,會在泄漏源附近形成一個低溫環(huán)境,對其范圍內的人員和設備造成不同程度的損傷。

        3.2 窒息危害

        在發(fā)生泄漏一段時間后,天然氣逐漸由液態(tài)向氣態(tài)轉變,會在泄露源附近形成一團天然氣與空氣的混合云團。雖然天然氣本身無毒,但是當空氣中充滿了氣態(tài)天然氣后,會使得氧氣含量下降,在低氧環(huán)境下,人會出現(xiàn)缺氧,甚至窒息[3]。窒息共分為一下四類情況,各種情況對應的癥狀詳見表1。

        表1 窒息各情況對應癥狀

        3.3 火災爆炸危害

        LNG儲罐發(fā)生泄漏后,如果泄漏點附近有一個地勢較低的凹槽,則會形成液池,隨后發(fā)生閃蒸氣化,在較短時間內產生大量蒸氣[3],當蒸氣云在其爆炸極限內遇火源,則會發(fā)生蒸氣云爆炸事故,假如發(fā)生爆炸事故的蒸氣云位于還未揮發(fā)完全的液池上方,則會導致池火災事故。

        4 LNG儲罐泄漏后果預測

        4.1 LNG儲罐信息

        該工廠位于火車站和火車站附近,廠區(qū)內共有兩個100m3的臥式儲罐。罐區(qū)圍堤面積為999m2。儲罐詳細信息見下表2。

        表2 儲罐詳細信息

        4.2 LNG儲罐泄漏池火災預測

        4.2.1 LNG儲罐泄漏量預測

        該LNG工廠設兩個100m3的臥式儲罐,事故預測時假定其中一個儲罐發(fā)生泄漏,泄漏LNG重量為標準儲存量的10%,即5.36噸。

        4.2.2 LNG泄漏燃燒熱輻射通量

        泄漏的LNG液體在罐區(qū)地面形成液池,遇點火源發(fā)生燃燒時,火焰產生的總熱通量輻射通量Q采用下式計算:

        Q=ηHcW/T

        LNG泄漏燃燒持續(xù)時間T采用下式計算:

        T=W/(S×mf)

        式中:Q——LNG泄漏燃燒總熱輻射通量,kW;

        W——LNG泄漏量,kg;

        Hc——LNG燃燒熱,kJ/kg;

        T——LNG泄漏后持續(xù)燃燒時間,s;

        η——LNG燃燒效率因子;

        mf——LNG燃燒速度,kg/·s

        S——液池面積。

        根據(jù)儲罐實際情況,LNG泄漏量為5.36噸,即W為5360kg;LNG主要成分為甲烷,故Hc(燃燒熱)取值為甲烷燃燒熱,55594kJ/kg;η(燃燒效率因子)根據(jù)LNG特性,取值為0.35;LNG燃燒速度取0.05 kg/·s。

        根據(jù)罐區(qū)實際情況,LNG罐區(qū)圍堤面積:27×37=999,減去其中三個罐體占地面積,分別為75和兩個86,泄漏出來的液體充滿,則液池面積約為838。

        計算結果見下表3。

        表3 計算結果

        4.2.3 火災熱輻射傷害半徑

        火災通過輻射熱的方式影響周圍環(huán)境,不同入射熱輻射通量造成人員傷害或財產損失的情況見表4[4]。

        表4 熱輻射的不同入射通量造成的傷害及損失

        設泄漏液體燃燒全部輻射熱量由液池中心小球面發(fā)出,則距液池火焰中心某一距離(x)處的入射的熱輻射強度I(W/)為:

        I=Qtc/4πx2

        式中:Q——總熱輻射通量,kW;

        tc——熱傳導系數(shù);

        x——目標點到液池中心距離及火災傷害半徑,m。

        各傷害等級距離池火災中心的距離計算結果見表5。

        表5 LNG儲罐泄露池火災熱輻射傷害距離

        4.2.4 LNG儲罐火災事故后果分析

        LNG儲罐泄漏火災事故后果預測表明,若發(fā)生事故,熱輻射能量kW,火災熱輻射可造成的傷害距離分別為:距池火中心39.5m為死亡半徑,相應的重度燒傷半徑為48.4m,輕度燒傷半徑為68.4m,無影響半徑120m。

        4.3 LNG蒸氣云爆炸事故預測

        4.3.1 蒸氣云爆炸事故情景

        假設罐區(qū)一個 LNG 罐破裂發(fā)生泄漏,泄漏量假定為 10 t,泄 漏的低溫 LNG 溫度迅速上升至環(huán)境溫度、快速汽化形成蒸氣云,與 空氣混合形成爆炸性混合氣體,遇點火源發(fā)生蒸氣云爆炸。

        4.3.2 LNG蒸發(fā)形成的氣體量

        LNG 在沸點下儲存(溫度-162℃),儲罐泄漏后液化氣無閃蒸 過程,LNG 溫度隨環(huán)境溫度迅速上升汽化形成蒸氣云,形成的可燃 蒸氣量 V 按下式計算:

        V=WRTb/PM

        式中:W——LNG 泄漏質量 kg;

        Tb——環(huán)境溫度K;

        P——環(huán)境大氣壓 kP;

        M——LNG摩爾質量 g/mol;

        R——氣體常數(shù),kJ/gmol·K。

        根據(jù)罐區(qū)實際情況,泄漏質量W為10000Kg;該工廠位于湖北省黃岡市境內,設定其溫度為30攝氏度,即Tb取值為303K;同理,環(huán)境大氣壓為普通氣壓,設為101.3 kP;LNG摩爾質量,查閱資料可得,為16.73g/mol;氣體常數(shù)取值為8.314kJ/gmol·K。

        根據(jù)計算,10 噸LNG全部汽化形成的蒸汽量:V=14864N m3。

        4.3.3 爆炸性氣體危險范圍預測

        根據(jù)天然氣爆炸極限,預測 LNG 蒸發(fā)后的天然氣與空氣混合形 成的爆炸性氣體擴散范圍,預測時假定蒸發(fā)的天然氣呈半球狀擴散, 擴散區(qū)域半徑按下式計算:

        r=(V/2.0944C)1/3

        式中:V——LNG蒸發(fā)氣體體積m3;

        C——天然氣爆炸極限濃度。

        表6 天然氣爆炸危險區(qū)域范圍

        根據(jù)前面計算得出LNG全部氣化量為14864N m3,故在標準情況下,LNG蒸發(fā)氣體體積為14864m3,天然氣爆炸極限濃度,取值5%~15%LNG 蒸發(fā)形成的爆炸危險區(qū)域范圍預測結果見表6。

        4.3.4 蒸氣云爆炸總能量

        LNG 蒸氣云爆炸的能量按下式計算:

        E=1.8 aWfQf

        WTNT=E/QTNT

        式中:a——可燃氣體爆炸當量系數(shù);

        Wf——LNG蒸發(fā)形成的蒸氣體量,kg;

        Qf——天然氣燃燒熱,kJ/kg;

        QTNT——TNT爆炸熱,取QTNT=4520 kJ/kg。

        其中,1.8為地面爆炸系數(shù),天然氣相對密度 0.7,不取值;a為可燃氣體爆炸當量系數(shù),根據(jù)經驗取0.04;LNG蒸發(fā)形成的蒸氣體量,10噸,故為10000kg,天然氣燃燒熱,查閱資料可得,為55564 ;QTNT ,TNT爆炸熱,查閱資料可得取4520kJ/kg。

        經計算E= 40006080kJ、WTNT=8850 kg

        4.3.5 爆炸沖擊波超壓傷害范圍

        (1)死亡區(qū)范圍預測

        死亡區(qū)范圍按TNT沖擊波超壓-沖量準則公式計算:

        R=13.6(WTNT/1000)0.37=31m

        (2)重傷和輕傷區(qū)范圍

        重傷和輕傷區(qū)范圍按蒸氣云爆炸沖擊波超壓公式計算:

        Ln(△PS/P0)=-0.9126-1.5058 LnZ+0.167 Ln2Z-0.032 Ln3Z

        式中:Z=R(P0/E)1/3,

        R——目標到蒸氣云中心距離,m;

        P0——大氣壓Pa;

        E——蒸氣云爆炸總能量 J。

        蒸氣云爆炸沖擊波重傷超壓按 44kPa 計,輕傷超壓按 17kPa 計,根據(jù)蒸氣云爆炸沖擊波超壓計算公式得出: 重傷半徑:R1=70m;輕傷半徑:R2=131 m。

        建筑物破壞半徑用下式計算:

        KⅡ——建筑物破壞等級,二級為 4.6。

        R財=78m。

        LNG 蒸氣云爆炸破壞范圍計算見表7。

        表7 LNG 蒸氣云的爆炸危害范圍

        由預測結果可見,當LNG儲罐破裂發(fā)生泄漏,泄漏的LNG全部蒸發(fā)與空氣混合成爆炸性氣體擴散區(qū)域半徑36~52m;LNG蒸氣爆炸的能量為相當于TNT當量8850kg,爆炸沖擊波可造成人員的死亡半徑31m,重傷半徑70m,輕傷半徑131m、造成建筑物損壞半徑78m的危險危害區(qū)域。

        5 結語

        液化天然氣儲罐發(fā)生泄漏事故后,主要會造成三方面的危害,分別是低溫危害、窒息危害和火災爆炸危害。而這其中有數(shù)火災爆炸的傷亡最大。因此,針對LNG(液化天然氣)儲罐泄漏后的不同類型的火災爆炸事故進行了計算,預測出其不同的傷亡半徑。為涉及LNG(液化天然氣)儲罐的企業(yè)應急救援預案的編制和同類企業(yè)發(fā)生事故后的應急救援提供理論依據(jù)和指導,減少人員的傷亡和財產的損失。

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