楊磊，鄒冀翼，寇麗穎，蔡亮，代學(xué)金

(1. 上海河圖工程股份有限公司，上海 201203；2. 中國航空油料有限責(zé)任公司 溫州分公司，浙江 溫州 325000；3. 華北石油管理局有限公司 河北儲氣庫分公司，河北 廊坊 065000；4. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；5. 中國石油集團(tuán)公司青海油田分公司 采油五廠，青海 茫崖 816400)

隨著西氣東輸、中亞天然氣管道、中緬天然氣管道和川氣東送等工程的實施，中國天然氣在石化能源中的消費(fèi)比例不斷增加。液化天然氣(LNG)儲氣站作為管道沿線的重要組成，在儲運(yùn)調(diào)峰、燃?xì)獍l(fā)電、空氣分離、冷能利用、海水淡化等方面均有應(yīng)用，是目前最為重要的清潔能源之一。LNG儲罐是儲氣站的主要儲存容器，LNG的儲存方式為低壓、低溫儲存，在LNG液化生產(chǎn)的過程中不可避免地混入H2O，H2S，HCl等氣體，在露點(diǎn)溫度下腐蝕性氣體溶于水形成酸性腐蝕環(huán)境，對罐體產(chǎn)生腐蝕作用。一旦發(fā)生泄漏，根據(jù)泄漏形式的不同，會形成蒸氣云爆炸、池火災(zāi)、噴射火、閃火等爆炸燃燒形式，容易引發(fā)大面積火災(zāi)，導(dǎo)致人員低溫凍傷或窒息死亡。目前，國外對LNG，液化石油氣(LPG)，壓縮天然氣(CNG)儲罐的泄漏擴(kuò)散后果研究較多，數(shù)據(jù)庫也較為健全；國內(nèi)針對LNG的研究起步較晚，LNG泄漏的研究成果較少。

GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》[1]中指出： LNG應(yīng)根據(jù)熱輻射和蒸氣云擴(kuò)散情況選擇安全距離，屬于推薦性指標(biāo)，并沒有給出具體可參考的數(shù)據(jù)。在此，以某LNG儲罐為例，采用DNV Phast軟件模擬了泄漏擴(kuò)散情況，分析了不同工況條件下LNG的氣體擴(kuò)散、閃燃范圍、爆炸超壓等，為LNG儲氣站的選址、站內(nèi)布局和儲罐泄漏應(yīng)急處置提供理論依據(jù)和支撐。

1 基礎(chǔ)參數(shù)

以某燃?xì)饧瘓F(tuán)公司下屬某儲氣站的LNG儲罐為例，LNG主要成分為甲烷，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%，設(shè)計壓力為1.25 MPa，儲存溫度為-162 ℃，儲罐容積1 000 m3，充裝系數(shù)0.85。采用DNV Phast軟件中的UDM模型模擬氣體擴(kuò)散情況，UDM模型由Woodward等開發(fā)，建立在BM，高斯，P-G等模型的基礎(chǔ)上，可以模擬不同工況下LNG的泄漏擴(kuò)散后果。

根據(jù)APIRP 581—2008《基于風(fēng)險的檢驗》[2]中關(guān)于儲罐通用失效概率的劃分，選取50 mm，100 mm和150 mm三種泄漏孔徑，泄漏系數(shù)0.6，泄漏點(diǎn)離地高度為1 m，釋放方向為水平。假定泄漏發(fā)生后站內(nèi)操作和消防人員在10 min之內(nèi)趕到事故現(xiàn)場來處理，泄漏持續(xù)時間定為10 min。LNG的爆炸上限UEL為15%，下限LEL為5%，50%的LEL為2.5%，根據(jù)APIRP581中關(guān)于事故評定的要求，在有通風(fēng)條件的建筑內(nèi)，氣體擴(kuò)散的濃度不得超過LEL的50%。

此外，氣體擴(kuò)散的程度與大氣穩(wěn)定度、風(fēng)速、相對濕度、大氣溫度等關(guān)系較大，根據(jù)Pasquill-Gifford擴(kuò)散模型對大氣穩(wěn)定度的劃分，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀缶痔峁┑娜隁庀筚Y料，將泄漏工況定為夏季和冬季兩種，夏季風(fēng)速為2.5 m/s，大氣穩(wěn)定度D；冬季風(fēng)速為4 m/s，大氣穩(wěn)定度為C。

2 LNG泄漏結(jié)果與分析

2.1 氣體擴(kuò)散分析

LNG發(fā)生泄漏時，由于釋放出的液體溫度遠(yuǎn)低于LNG在常溫常壓下的沸點(diǎn)，其中甲烷的沸點(diǎn)最低，最先氣化，隨后乙烷和丙烷等重質(zhì)組分也氣化，氣體與空氣混合迅速形成蒸氣云擴(kuò)散。模擬泄漏孔徑d為50 mm，100 mm和150 mm時不同的影響范圍，得到蒸氣云擴(kuò)散的最遠(yuǎn)順風(fēng)距離L分別為7.8 m，18.8 m，79.6 m，說明d越大，氣體擴(kuò)散體積分?jǐn)?shù)φ及影響范圍也越大，不同泄漏孔徑下φ和L的關(guān)系如圖1所示。對照不同d值下的側(cè)視圖，d越大，氣體擴(kuò)散形成的云團(tuán)近似直徑r和L也越大，這是由于LNG泄漏屬于噴射泄漏，具有較大的初速度，d越大，單位時間內(nèi)泄漏的氣體總量越多，向兩側(cè)擴(kuò)散的趨勢越大。不同泄漏孔徑下r和L的關(guān)系如圖2所示。

圖1 不同泄漏孔徑下φ和L的關(guān)系示意(夏季)

圖2 不同泄漏孔徑下r和L的關(guān)系示意(夏季)

以100 mm泄漏孔徑為例，考察夏季和冬季兩種氣候條件下r和L的關(guān)系如圖3所示。

圖3 夏季和冬季r和L的關(guān)系示意

夏季擴(kuò)散的r為1.8 m，L為18.8 m；冬季擴(kuò)散的r為1.4 m，L為13.7 m，冬季的氣體擴(kuò)散范圍遠(yuǎn)小于夏季，這是由于風(fēng)對氣云有一定的剪切和卷吸作用，氣云內(nèi)部產(chǎn)生湍流，風(fēng)速越大，大氣的輸送強(qiáng)度和湍流效應(yīng)越強(qiáng)，稀釋作用也越強(qiáng)，因為風(fēng)向?qū)φ魵庠茍F(tuán)的擴(kuò)散有直接影響，所以儲罐選址的過程中，應(yīng)優(yōu)先選擇通風(fēng)良好的開闊地帶，可在儲罐上風(fēng)側(cè)設(shè)置防爆風(fēng)機(jī)等機(jī)械通風(fēng)以加強(qiáng)空氣流通。

2.2 閃燃范圍分析

LNG泄漏后，受周圍環(huán)境溫度的影響，液態(tài)的蒸發(fā)速率很快，當(dāng)可燃?xì)怏w與空氣混合后被點(diǎn)燃形成燃燒而非爆炸狀態(tài)，稱為閃燃。閃燃發(fā)生在LEL與50%LEL之間，以上述三種泄漏孔徑為例，模擬得到50%LEL時夏季最遠(yuǎn)順風(fēng)距離分別為8.5 m，21.2 m，88.6 m，即閃燃影響范圍分別為8.5 m，21.2 m，88.6 m，不同泄漏孔徑下的閃燃距離值見表1所列。

表1 不同泄漏孔徑下的閃燃距離值

2.3 噴射火危害分析

LNG從泄漏處呈噴射狀噴出，如被點(diǎn)燃將形成噴射火危害，噴射火危害的主要形式為熱輻射強(qiáng)度M和超壓。以三種泄漏孔徑在夏季的工況為例，M呈拋物線趨勢： 當(dāng)泄漏孔徑為50 mm時，在距離泄漏點(diǎn)7.4 m處，M最大為56.2 kW/m2，輻射最遠(yuǎn)距離15.1 m；當(dāng)泄漏孔徑為100 mm時，在距離泄漏點(diǎn)13.7 m處，M最大為65.2 kW/m2，輻射最遠(yuǎn)距離28.1 m；當(dāng)泄漏孔徑為150 mm時，在距離泄漏點(diǎn)36.1 m處，M最大為85.1 kW/m2，輻射最遠(yuǎn)距離73.8 m。不同泄漏孔徑下M和L的關(guān)系如圖4所示。

針對熱輻射對人員和設(shè)備造成的傷害，提出以下標(biāo)準(zhǔn)和防護(hù)措施： 當(dāng)允許熱輻射強(qiáng)度M1為1.58 kW/m2時，操作人員可以長期停留在任何區(qū)域，長時間輻射無不適感；當(dāng)M1為4.73 kW/m2時，操作人員需要穿著合適的防護(hù)服，在發(fā)生泄漏時可以停留1～10 min，但輻射20 s以上會感到疼痛；當(dāng)M1為6.31 kW/m2時，操作人員需要穿著合適的防護(hù)服，在發(fā)生泄漏時可以停留不超過1 min，輻射10 s以上會造成1度燒傷，輻射1 min會造成全身1%燒傷；當(dāng)M1為9.46 kW/m2時，操作人員需要穿著合適的防護(hù)服，暴露時間不超過幾秒鐘，必須在短時間內(nèi)立即撤離。

圖4 不同泄漏孔徑下M和L的關(guān)系示意

當(dāng)泄漏氣體接觸到火源后發(fā)生爆炸，爆炸超壓對人和設(shè)備均會造成重大損失，在該模擬泄漏孔徑為150 mm時，夏季和冬季的爆炸超壓情況，超壓值p和L的關(guān)系如圖5所示。當(dāng)p為0.02～0.03 MPa時，超壓會造成人體輕微挫傷；當(dāng)p為0.03～0.05 MPa時，超壓會造成人體中等損傷，如聽覺損傷、內(nèi)臟輕度出血或骨折等；當(dāng)p為0.05～0.1 MPa時，超壓會造成人體嚴(yán)重?fù)p傷，主要為內(nèi)臟重度出血，并一定程度可能引發(fā)死亡；當(dāng)p大于0.1 MPa時，超壓對人體造成的損傷為不可逆，可能會引發(fā)大概率死亡。

圖5 150 mm泄漏孔徑下p和L的對應(yīng)關(guān)系示意

3 結(jié)束語

LNG是目前最為重要的清潔能源之一，儲罐作為管道沿線的重要組成，需考慮以下幾點(diǎn)：

1)當(dāng)LNG發(fā)生泄漏時，泄漏孔徑越大，氣體擴(kuò)散的影響范圍也越大，形成的云團(tuán)寬度和順風(fēng)距離也越大，所以在儲罐選址的過程中，應(yīng)優(yōu)先選擇通風(fēng)良好的開闊地帶。

2)冬季的氣體擴(kuò)散范圍遠(yuǎn)小于夏季，大風(fēng)天氣有利于蒸氣云團(tuán)的擴(kuò)散，可在儲罐上風(fēng)側(cè)設(shè)置防爆風(fēng)機(jī)等機(jī)械通風(fēng)以加強(qiáng)空氣流通。

3)在此僅針對一個儲罐的泄漏擴(kuò)散后果進(jìn)行了模擬，實際中往往為多個儲罐組成的儲罐群，不同儲罐之間的泄漏會造成一定協(xié)同或拮抗影響，今后應(yīng)將Fluent，Phast等軟件連用，解決儲罐群泄漏評估問題。