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)
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。
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
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。
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
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。
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
4.2.1 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。
4.3.1 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。
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。