駱強 曲芳 柳靜獻

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽 110136）

0 引言

作為世界上最大能源消費國，我國2021年天然氣消費量就占一次能源消費總量的8.9%［1］。近年來，隨著LNG 的廣泛使用，為節(jié)約運輸成本，我國投資建設了很多LNG 碼頭。由于LNG 屬于重大危險源，具有低溫性、可燃性和爆炸性等特征，在儲運過程中，一旦發(fā)生事故將造成極大的財產損失及人員傷亡。由于LNG 碼頭的特性，其發(fā)生事故造成的后果極為嚴重。2020年11月2 日，廣西北海LNG 碼頭發(fā)生較大著火事故，造成7 人死亡、2 人重傷，事故原因是工人在施工過程中不當操作造成LNG 噴出著火［2］。由此可見，研究并評估LNG 碼頭事故影響范圍，對提高LNG 碼頭作業(yè)現(xiàn)場的安全管理水平、事故預防水平以及降低事故發(fā)生率具有重要意義。

國內外利用PHAST 軟件對LNG 碼頭進行泄漏事故模擬的研究較多，但對不同孔徑和天氣條件下，發(fā)生泄漏事故時對人、建筑以及設備造成傷害和破壞的影響范圍的研究較少。BASER B 等［3］研究了燃油儲罐的地震易損性和可能損壞方式，考慮到燃料泄漏可能導致地震后火災的發(fā)生，采用PHAST對可能的情況進行數(shù)值模擬，給出了相鄰燃料箱失火大約需要的時間，為應急預案的制定提供了參考。DAN S 等［4］通過定量風險分析（包括概率和后果分析）評估了LNG-FPSO 系統(tǒng)著火和爆炸的風險，運用PHAST 軟件針對LNG 和制冷劑從閥門泄漏設定5種釋放模型場景，選取最可能引起火災和爆炸的場景，并對后果進行模擬分析。張文冬等［5］分析了大型LNG 儲罐發(fā)生泄漏可能發(fā)生的事故類型，并運用PHAST 軟件模擬泄漏事件，分析了火災的熱輻射影響范圍和爆炸沖擊波的超壓影響范圍，給出了相關消防措施。李云濤等［6］利用多種計算方法和軟件，探究了LNG 管道發(fā)生全管徑斷裂事故的影響范圍。

基于以上分析，本文擬采用DNV 的PHAST 軟件對LNG 碼頭可能發(fā)生事故的后果進行定量分析，得出在不同風速或泄漏孔徑下，LNG 儲罐發(fā)生蒸汽云爆炸、噴射火以及閃火事故時的影響范圍，以期為相關事故預防及減少災后損失提供一定數(shù)據(jù)支持。

1 理論模型

LNG 從容器內泄漏至周圍環(huán)境時，遇到外界高溫空氣立即氣化，并與空氣迅速結合生成冷凝蒸汽霧，最終形成可燃性氣團?？扇細庠茍F擴散一般分為液體泄漏后擴散、噴射擴散和絕熱擴散等3 大類［6］，LNG泄漏后，若在爆炸極限范圍內被點燃，將可能會發(fā)生噴射火、閃火、蒸汽云爆炸（VCE）等事故。根據(jù)發(fā)生概率和事故后果嚴重度，選擇分析災難性破裂事故和不同孔徑泄漏事故，利用PHAST軟件中的相關模型作為模擬計算模型。這些模型的主要特點是濃度、速度和溫度的分布均是假定的。這些模型包含：連續(xù)泄漏模型、瞬時泄漏模型、蒸汽云爆炸模型以及噴射火模型等。

1.1 連續(xù)泄漏模型

其中：

式中，c0為中心線質量濃度，kg/m3；x、y、z 分別為下風、側風（橫向水平）和豎直方向，m（x=0 對應于釋放點，y=0 對應于羽流中心線，z=0 對應于地面）；為距煙羽中心線的距離，m；分別為質量濃度標準偏差的垂直、水平彌散系數(shù)，m；n（x）、m（x）為質量濃度垂直分布和側風向分布函數(shù)指數(shù)。

有效高度Heff（x）可用式（4）計算：

有效云半寬Weff可用式（5）計算：

對于以環(huán)境風速ua移動的地面云，有效云速ueff由式（6）給出：

式中，環(huán)境風速公式為：ua（z）=ua（zref）（z/zref）p，其中zref為參考高度，p 為風速指數(shù)冪模型公式中的指數(shù)。

在這種情況下，在每個下風向位置x處UDM 云可以用有效高度Heff（x）、有效云半寬Weff、云速ucld（UDM 模型中的云速假定為云質心高度zc處的速度，其他模型通常采用有效云速ueff）以及濃度c（x，y,）來表征。

1.2 瞬時泄漏模型

式中，zcld（t）表示t 時刻垂直羽流離地高度；xcld（t）為t時刻氣云中心傳播的下風向距離，m；Rx（t）、Ry（t）分別為t 時刻下風向、側風向擴散系數(shù)。

有效高度Heff（x）和有效云半寬Weff可分別用式（9）、式（10）計算：

式中，Aeff由式（11）計算：

有效云半寬Weff可用式（12）計算：

在這種情況下，在每個t時刻，UDM瞬時云可以通過具有有效半徑Weff和有效深度Heff（1+hd）的“等效”圓柱云來表征，其中，hd為云橢圓下半部分在地面以上的面積分數(shù)；為羽流中心線與水平面的夾角，函數(shù)P（a，b）部分定義為。并以云移動速度ucld和濃度（x，y，，t）來近似該等效云。

瞬時和連續(xù)釋放的微分方程組基本相同，盡管它們在第一種情況下是關于時間的積分，而后一種情況是關于距離的積分。相同的微分方程適用于分散的所有階段（例如噴射、密集、被動）。

1.3 蒸汽云爆炸模型

由于在完全理解蒸汽云爆炸機制之前，就需要量化燃料潛在的爆炸威力，因此利用TNT 等效概念進行預測估計。一般地，TNT 等效方法可以較為簡單地預測爆炸。根據(jù)TNO 黃皮書，蒸汽云中的燃燒能量根據(jù)式（13）轉換為TNT 當量質量：

對于在地面發(fā)生的，質量為WTNT的標準爆炸，其爆炸超壓P 和爆炸半徑R 由式（14）、式（15）得到：

1.4 噴射火模型

用于噴射火計算的質量釋放速率m是噴射火平均時間內多個速率的平均值，如式（16）：

式中，Mi為在i段（該模型將釋放速率分成若干個等質量的段i=1，…，n）內噴射火具有的質量，（其中，Mdi為第i 段的質量釋放速率，為第i 段降雨質量分數(shù)，kg/kg）。

噴射火模型中的射流速度和膨脹半徑的計算公式分別為式（17）、式（18）［7］：

噴射火模型中的火焰長度根據(jù)式（19）計算：

式中，LB0為靜態(tài)空氣中火焰長度，m；Uw為風速，m/s；為釋放方向與包含釋放方向、火焰軸、風矢量的平面上的風矢量夾角，°。

噴射火尖端的寬度根據(jù)式（20）計算：

式中，R為風速（Uw）和膨脹后射流速度（vi）之間的比值（即R=Uw/vi）。

噴射火的表面輻射強度（W/m2）是指熱輻射通過火焰表面積產生的熱流，可由式（21）［8］計算：

式中，F(xiàn)S為從火焰表面輻射出的熱量的比率（該比率與液體膨脹后速度和分子量有關）；m為質量釋放速率，kg/s；HCOMB為燃料混合物的燃燒熱，J/kg；A 為火焰總表面積，m2。

2 LNG 碼頭事故后果模擬與分析

2.1 LNG 罐體災難性破裂事故

假定某碼頭LNG 儲罐A 是容積為16×104m3的常壓儲罐，儲存溫度為-162 ℃，位置如圖1（a）所示，周圍主要有2 個大型LNG 儲罐，本文暫不考慮儲罐A 對周圍儲罐的影響。發(fā)生災難性破裂事故，選擇室外釋放模式，并設置相關參數(shù)和事故情景［3］。

圖1 云團足跡的影響范圍

由圖1 可知，在大氣穩(wěn)定性為中性-D級別，風速越大，云團足跡距離泄漏點越遠，影響半徑也越小。這是由于風速大使得氣體分散、不容易聚集，導致在距離泄漏點很遠的地方才形成蒸汽云團；當風速為3.3 m/s 時，LNG 云團擴散距離約為13 km，高度為167.6 m，寬度為3.1 m；當初始濃度相同時，風速越大，云團擴散的距離和高度越大。云團的寬度則呈相反的變化。

當可燃性蒸汽云在移動的過程中遇到點火源時則會發(fā)生蒸汽云爆炸，其影響范圍如圖2 所示。

圖2 蒸汽云爆炸影響范圍

由圖2 知，風速過大或過小，都會改變蒸汽云爆炸影響范圍；在爆炸初期階段，沖擊波超壓會隨著順風距離的增加先不斷上升，達到峰值后逐漸減弱直到趨于穩(wěn)定，結合表1 和表2［9］，分析得到：當爆炸超壓在0.03 ～0.05 MPa 時，在離泄漏點1 200 ～1 700 m和4 300 ～4 800 m 處，管道、建筑物復合鋼板等將發(fā)生破裂，人的耳膜、內臟等器官會受到輕微損傷。當爆炸超壓超過0.05 MPa 時，即在離泄漏點1 700 ～4 300 m 的范圍內大部分建筑物的鋼板和混凝土框架將被破壞、拖車和卡車會被掀翻，人的內臟也會遭受嚴重挫傷，甚至引起死亡。

表1 爆炸超壓對人體的傷害

表2 爆炸超壓對建筑物的破壞

2.2 LNG 罐體不同孔徑下的泄漏事故

依舊選擇LNG 儲罐A 進行罐體不同孔徑泄漏事故的模擬與分析，釋放模式仍為室外，并設置好相關參數(shù)和事故情景。

影響泄漏后果的主要參數(shù)有孔徑、風速、大氣穩(wěn)定度、地面狀況以及泄漏源距離地面的高度等。在泄漏計算中，泄漏孔徑是十分重要的參數(shù)，因此必須指定泄漏孔徑。本研究中罐體泄漏的孔徑設置為50、100、150、200 mm，在大氣穩(wěn)定度為D 時，風速分別為3.3、5.7、9.0 m/s。

200 mm 泄漏孔徑下的噴射火范圍見圖3，由圖3 可知，風速越大，噴射火強度半徑越小，但噴射火輻射水平與風速成正比。

圖3 200 mm 泄漏孔徑下的噴射火范圍

3.3/D 天氣條件下不同泄漏孔徑蒸汽云爆炸范圍見圖4，從圖4 可知，泄漏孔徑也會影響蒸汽云爆炸的范圍，泄漏孔徑越大，蒸汽云爆炸半徑越大，超壓距離越遠，爆炸的最大影響半徑約達310 m。結合表1 和表2 可知：在分別距離泄漏點23~77 m（泄漏孔徑50 mm）、70~170 m（泄漏孔徑100 mm）、120~270 m（泄漏孔徑150 mm）、153~350 m（泄漏孔徑200 mm）時，爆炸超壓將超過0.05 MPa，在該范圍內管道將破裂，建筑物鋼板和混凝土框架將被破壞，拖車和卡車會被掀翻，人的內臟也會受到嚴重挫傷傷害，甚至引起死亡。

圖4 3.3/D 天氣條件下不同泄漏孔徑蒸汽云爆炸范圍

3.3/D 天氣條件下不同泄漏孔徑下的噴射火范圍見圖5，噴射火焰輻射與距離隨泄漏孔徑增大而不斷增大，同時噴射火焰強度半徑也隨泄漏孔徑增大而增加。在順風距離分別為0~38 m（泄漏孔徑50 mm）、0~72 m（泄漏孔徑100 mm）、0~103 m（泄漏孔徑150 mm）、0~134 m（泄漏孔徑200 mm）的范圍內時，其輻射能量超過12.5 kW/m2，根據(jù)熱通量準則［10］，在這4 個范圍內應避免木材和塑料設備的使用，同時，在該范圍，10 s 內可對人員造成1 度燒傷，1 min內可造成1%的人員死亡，因此在該區(qū)域的所有人員應當穿著特定的防護服，以免受到嚴重傷害。在順風距離38~45 m（50 mm 泄漏孔徑）、72~82 m（100 mm 泄漏孔徑）、103~120 m（150 mm 泄漏孔徑）、134~152 m（200 mm 泄漏孔徑）的范圍內時，其輻射能量超過了4.0 kW/m2，根據(jù)熱通量準則，當輻射能量超過4 kW/m2時，玻璃設備將在30 min內破裂，因此在該范圍內應避免使用玻璃儀器，同時，若相關人員在該范圍內停留20 s以上，將產生痛感，也可能造成燒傷，故在該區(qū)域的所有人員應當穿著專業(yè)防護服進行作業(yè)，以免遭受燒傷。

圖5 3.3/D 天氣條件下不同泄漏孔徑下的噴射火范圍

2.3 相關安全性對策

綜合以上的結論并結合相關規(guī)范，提出預防LNG 碼頭火災爆炸事故的安全性措施與建議：

1）設立完整的安全管理機構，完善應急預案的內容，制定針對各類緊急事故狀況的詳細處理方案。針對LNG 碼頭內獨有的特性，編制出書面形式的培訓方案，并對人員進行有針對性的安全教育和安全培訓。

2）為防止LNG儲罐核心區(qū)域發(fā)生不同程度的泄漏事故，在0 ～152 m 的范圍內，避免使用玻璃儀器設備；在0 ～134 m 范圍內避免使用木制和塑料制品；為避免爆炸超壓對人造成嚴重傷害，在350 m 范圍內，應該嚴格控制人員的進出，實行非必要不進入該區(qū)域的措施，當進入該區(qū)域時，必須穿戴專業(yè)防護措施；同時，為了預防出現(xiàn)重大泄漏事故（儲罐發(fā)生災難性破壞），在距該區(qū)域1 700 m 范圍內的人員也最好穿戴專業(yè)的安全防護裝備。

3 結論

1）依據(jù)PHAST 軟件的模擬結果，當LNG 儲罐發(fā)生災難性破裂時，在離泄漏點1 200 ～1 700 m 和4 300 ～4 800 m 處，管道、建筑物復合鋼板等將被破壞，人的耳膜、內臟等器官會受到傷害；在離泄漏點1 700 ～4 300 m的范圍，爆炸超壓達到0.05 MPa時，絕大多數(shù)建筑物的鋼板和混凝土框架將被破壞、拖車和卡車會被掀翻，人的內臟也會遭受嚴重挫傷，甚至引起人員死亡。

2）采用PHAST 軟件模擬分析了當LNG 儲罐發(fā)生不同孔徑泄漏事故時的影響范圍。在孔徑相同的條件下，噴射火強度半徑與風速成反比，噴射火輻射水平與風速成正比。在相同天氣條件下，泄漏孔徑越大，蒸汽云爆炸半徑越大；在0~134 m 的范圍內，應避免木材和塑料設備的使用，同時，在該區(qū)域的所有人員應當穿著特定的防護服，以免受到嚴重傷害，在非必要情況下，人員最好不要進入該區(qū)域。