方維新，蔡 蕓

(中國(guó)人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

0 引言

液化天然氣(LNG)屬于甲A類火災(zāi)危險(xiǎn)物質(zhì)，爆炸極限為5%～15%。LNG泄漏擴(kuò)散后，在爆炸極限內(nèi)被點(diǎn)燃，可能造成噴射火、閃火、池火等火災(zāi)事故[1]。近年來(lái)，LNG火災(zāi)事故頻發(fā)，并且造成了嚴(yán)重后果，如2015年9月17日凌晨，位于海南省三亞市的中石油液化天然氣(LNG)發(fā)生泄漏事故，經(jīng)估算，此次事故共造成氣體泄漏3.5 t，周邊數(shù)千居民不得不疏散避險(xiǎn)；2017年11月24日，位于陜西省楊凌示范區(qū)的陜西液化天然氣(LNG)加注站發(fā)生輕微液體泄漏，并起火引燃管道外保溫材料，事故造成2人受傷。為最大限度的降低危化品場(chǎng)所的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，有必要通過(guò)合適的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品場(chǎng)所的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量分析和預(yù)測(cè)，再針對(duì)分析結(jié)果采取防控措施。本文將使用挪威DNV公司的Phast軟件對(duì)某LNG加氣站進(jìn)行泄漏結(jié)構(gòu)模擬分析，并根據(jù)模擬結(jié)果提出合適的防控措施。

1 Phast軟件介紹

Phast軟件是由挪威DNV公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)的一款專門用于石油石化和天然氣領(lǐng)域危險(xiǎn)分析和安全計(jì)算的軟件，是商業(yè)型后果模型軟件的典型，在安全管理和技術(shù)評(píng)價(jià)領(lǐng)域具有權(quán)威地位[2]。該軟件內(nèi)嵌了4種計(jì)算模型，分別是：泄放和擴(kuò)散、燃燒和毒氣擴(kuò)散。通過(guò)輸入事故發(fā)生時(shí)的真實(shí)場(chǎng)景，包括設(shè)備類型、物質(zhì)種類、儲(chǔ)存參數(shù)、泄漏方式、周圍環(huán)境(大氣溫度、濕度、穩(wěn)定度、風(fēng)速)等參數(shù)，場(chǎng)景選擇采用《LNG生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)》(NFPA 59A—2009)的計(jì)算原則，以最大可信事件的影響范圍作為確定安全距離的依據(jù)，考慮LNG泄漏在地表或水面上形成液池，液池蒸發(fā)產(chǎn)生可燃蒸氣云擴(kuò)散的危險(xiǎn),即可模擬石油化工裝置可能發(fā)生的火災(zāi)和爆炸事故的影響范圍及程度[3]。其中泄漏擴(kuò)散模塊采用UDM模型，這種模型十分復(fù)雜，是建立在許多模型基礎(chǔ)上的，包括BM模型、P-G模型等[4]。計(jì)算某一時(shí)刻物質(zhì)泄漏擴(kuò)散的濃度分布，連接等濃度點(diǎn)繪制成等濃度線，用來(lái)描述云團(tuán)當(dāng)時(shí)的寬度、下風(fēng)距離，求出發(fā)生事故之后的安全區(qū)域、易燃易爆區(qū)域和準(zhǔn)危險(xiǎn)區(qū)域。我國(guó)《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》的編制組也曾用該軟件對(duì)油罐火災(zāi)進(jìn)行模擬計(jì)算，為確定油罐的安全距離提供參考[4]。

2 LNG加氣站模擬分析

2.1 某LNG加氣站工程概況

該LNG加氣站位于某市的高新區(qū)，加氣站內(nèi)部單罐容積最大為50 m3，在該市范圍內(nèi)屬于較為常見(jiàn)的加氣站規(guī)模和國(guó)產(chǎn)儲(chǔ)罐容量[5]，附近500 m范圍內(nèi)無(wú)學(xué)校、社區(qū)、醫(yī)院等人員密集場(chǎng)所，距離最近的應(yīng)急救援中隊(duì)1.8 km。加氣站配備有滅火器、消防沙、滅火毯、消火栓等消防設(shè)施，各項(xiàng)安全制度、演練方案齊全。

儲(chǔ)罐內(nèi)LNG組分為甲烷95%、乙烷2.5%、丙烷1.4%。、丁烷1.1%。此類LNG具體理化參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)LNG加氣站實(shí)際情況和國(guó)產(chǎn)儲(chǔ)罐的常見(jiàn)容量，本模擬計(jì)算選取的是加氣站內(nèi)部單罐容積為50 m3的液化天然氣儲(chǔ)罐，模擬泄漏部位為DN50的管道，為簡(jiǎn)化模擬進(jìn)程將泄漏物料設(shè)定為甲烷。

表1 LNG具體理化參數(shù)

2.2 模擬計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)設(shè)置

考慮到液化天然氣事故多以泄漏的形式發(fā)生，模擬對(duì)象為L(zhǎng)NG加氣站發(fā)生泄漏，根據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)出版的《基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)與失效分析》(API 581—2008)中提供的參考值和我國(guó)加氣站的實(shí)際情況，選取DN50作為泄漏管徑。當(dāng)LNG在陸上或水上發(fā)生泄漏后會(huì)快速蒸發(fā)形成蒸氣云，且在風(fēng)力作用下發(fā)生移動(dòng)，當(dāng)遇點(diǎn)火源點(diǎn)燃時(shí)會(huì)造成閃火，閃火通常持續(xù)時(shí)間短，但對(duì)處于火焰包圍的人員卻是致命的，閃火通常不會(huì)發(fā)生二次點(diǎn)燃或?qū)θ紵齾^(qū)域外的人員造成燒傷[6]。當(dāng)閃火燒回LNG液池會(huì)形成池火，當(dāng)LNG帶壓泄漏(如通過(guò)孔或是裂紋)且被點(diǎn)燃時(shí)會(huì)發(fā)生噴射火，其對(duì)設(shè)備或建筑的沖擊類似于火焰噴槍，會(huì)產(chǎn)生非常高的熱通量。因此選取LNG儲(chǔ)罐分別發(fā)生泄漏、池火和噴射火的情況進(jìn)行定量模擬。本模擬采用的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)包括熱輻射通量和可燃?xì)怏w濃度等級(jí)，參照《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50183—2004)的規(guī)定，其中熱輻射通量限值見(jiàn)表2。

表2 熱輻射通量限值

因我國(guó)消防救援局規(guī)定從發(fā)現(xiàn)起火至消防救援隊(duì)伍展開(kāi)戰(zhàn)斗不超過(guò)15 min，因此確定模擬時(shí)間為15 min，LNG儲(chǔ)罐內(nèi)部的壓力(表壓)為20 kPa，依據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(AQ/T 3046—2013)，選取DN50孔徑泄漏作為模型時(shí)，近似可看作管道腐蝕穿孔[7]。模擬參數(shù)見(jiàn)表3，模擬柵格間距為10 m。

表3 模擬參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散

甲烷泄漏擴(kuò)散后，甲烷云團(tuán)主要向下風(fēng)向漂移擴(kuò)散，如圖1所示，其中距離泄漏點(diǎn)最近的內(nèi)圈濃度達(dá)到150 000 ppm，為致死濃度；中間圈內(nèi)濃度達(dá)到44 000 ppm；最外圈內(nèi)濃度達(dá)到了25 000 ppm。雖然甲烷對(duì)人體沒(méi)有直接毒性，但會(huì)使人員產(chǎn)生頭暈、惡心等不良反應(yīng)。

由圖2可知，在甲烷下風(fēng)向隨著順風(fēng)距離的增加，甲烷濃度不斷下降，兩者幾乎呈線性關(guān)系，當(dāng)順風(fēng)距離達(dá)到100 m時(shí)，甲烷濃度減少了95%，當(dāng)順風(fēng)距離達(dá)到120 m時(shí)，甲烷濃度幾乎下降為0，因此將危險(xiǎn)區(qū)域劃定為距離泄漏點(diǎn)120 m的范圍，在事故發(fā)生后，應(yīng)該盡快將人員疏散至該區(qū)域范圍外。

甲烷泄漏后，下風(fēng)向區(qū)域的甲烷濃度呈扇形分布，如圖3所示。內(nèi)圈濃度為甲烷燃燒上限濃度(UFL)165 000 ppm(實(shí)際為165 000)，中圈為甲烷燃燒下限濃度(LFL)44 000 ppm(實(shí)際為50 000)，外圈為甲烷擴(kuò)散濃度限值(1/2LFL)即22 000 ppm。甲烷

圖2 下風(fēng)向甲烷濃度沿地面軸線變化圖

圖3 下風(fēng)區(qū)域甲烷濃度俯視圖

濃度為22 000 ppm時(shí)，達(dá)到最遠(yuǎn)水平距離為120 m(以距儲(chǔ)罐壁計(jì))。

由圖4可以看出云團(tuán)的高度與濃度的關(guān)系呈反比，即濃度越低，云團(tuán)的高度越高?？偟膩?lái)看，這是擴(kuò)散時(shí)間長(zhǎng)短的原因，擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，泄漏濃度越低，云團(tuán)高度越高。而第一次高度出現(xiàn)降低的距離大致相同，說(shuō)明是遇到了防護(hù)堤等物理防護(hù)設(shè)備，云團(tuán)出現(xiàn)沉降；第二次高度出現(xiàn)降低則是由于擴(kuò)散距離增加后出現(xiàn)衰減，云團(tuán)高度降低。

圖4 下風(fēng)向區(qū)域云團(tuán)側(cè)視圖

2.3.2 池火熱輻射

甲烷泄漏后在地面上會(huì)形成液池，當(dāng)閃火燒回LNG液池時(shí)會(huì)引發(fā)池火，池火對(duì)人體和設(shè)施的主要影響體現(xiàn)在熱輻射上。根據(jù)設(shè)定的模擬參數(shù)進(jìn)行池火模擬，得到如圖5所示的池火發(fā)生后熱輻射通量分布情況。池火熱輻射通量與距離的關(guān)系如圖6所示，由圖可見(jiàn)，在燃燒區(qū)域，熱輻射通量未出現(xiàn)衰減，為120 kW·m-2；隨著順風(fēng)距離的增加，池火的熱輻射通量逐漸衰減，在距離起火點(diǎn)13.79 m的位置熱輻射通量為29.61 kW·m-2，在距離起火點(diǎn)23.19 m

圖5 池火熱輻射通量分布情況

圖6 池火熱輻射通量與距離的關(guān)系

的位置熱輻射通量為8.98 kW·m-2，在距離起火點(diǎn)30.71 m的位置熱輻射通量衰減至4 kW·m-2以下。當(dāng)熱輻射通量達(dá)到4 kW·m-2時(shí)，超過(guò)20 s將引起人員疼痛，池火熱輻射影響最遠(yuǎn)距離為30.71 m，因此可將30.71 m作為人員疏散至安全區(qū)域的界限。

2.3.3 噴射火熱輻射

根據(jù)設(shè)定的模擬參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到該LNG加氣站發(fā)生DN50孔徑泄漏引發(fā)噴射火事故的場(chǎng)景。噴射火發(fā)生后的分布情況如圖7所示，由圖可見(jiàn)，噴射火受風(fēng)向的影響較大，主要向下風(fēng)向噴射，輻射熱也主要分布在下風(fēng)向。噴射火熱輻射通量與距離的關(guān)系如圖8所示，由圖可見(jiàn)，熱輻射通量為29.61 kW·m-2達(dá)到最遠(yuǎn)水平距離51.2 m，熱輻射通量為8.8 kW·m-2達(dá)到最遠(yuǎn)水平距離63.8 m，熱輻射通量為4 kW·m-2達(dá)到最遠(yuǎn)水平距離77.5 m。

圖7 噴射火分布情況

圖8 噴射火熱輻射通量與距離的關(guān)系

2.4 火災(zāi)事故造成的影響

2.4.1 熱輻射通量的影響

根據(jù)《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中規(guī)定的熱輻射通量限值為4 kW·m-2，77.5 m界線內(nèi)不得有“50人以上的室外活動(dòng)場(chǎng)所”[8]；熱輻射通量限值29.61 kW·m-2，51.2 m界線內(nèi)不得有“即使是能耐火且提供熱輻射保護(hù)的在用構(gòu)筑物”。

2.4.2 可燃?xì)怏w擴(kuò)散濃度的影響

根據(jù)《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中規(guī)定的“擴(kuò)散隔離區(qū)邊界的空氣中甲烷氣體平均濃度不應(yīng)超過(guò)2.5%”，在本文圖1甲烷濃度影響區(qū)域中，距離泄漏點(diǎn)120 m范圍內(nèi)不得有“室外活動(dòng)場(chǎng)所”和“在用建筑物”。發(fā)生泄漏事故后應(yīng)盡快將事故影響區(qū)域內(nèi)的人員疏散至安全范圍，避免造成人員傷亡。

3 結(jié)論

3.1 通過(guò)收集LNG加氣站的工程參數(shù)及項(xiàng)目建設(shè)地的往年氣象數(shù)據(jù)，利用Phast軟件對(duì)各泄漏形式進(jìn)行定量分析，主要檢驗(yàn)LNG儲(chǔ)罐的安全間隔是否符合規(guī)范要求，并劃定安全線，居住區(qū)、人員密集場(chǎng)所均要建在安全線以外，即距離LNG加氣站120 m范圍外。

3.2 由評(píng)價(jià)結(jié)果可知，當(dāng)以甲烷濃度22 000 ppm為可接受濃度閾值時(shí)，所能達(dá)到最遠(yuǎn)水平距離為120 m，范圍較大，因此一旦發(fā)生事故，單位要迅速組織人員撤離至安全區(qū)域，并且對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域做出標(biāo)記，防止人員誤入。

3.3 LNG發(fā)生泄漏之后遇明火源易引發(fā)池火、噴射火等事故，會(huì)造成嚴(yán)重后果。因此要做好日常監(jiān)測(cè)和安全管理，經(jīng)常進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)和檢修；配置高壓消防水系統(tǒng)、高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)、固定式干粉滅火系統(tǒng)等，提高自身的消防應(yīng)急能力。

3.4 由模擬結(jié)果可知，該LNG加氣站一旦發(fā)生池火或噴射火，其輻射熱影響范圍最遠(yuǎn)可達(dá)77.5 m。合理規(guī)避火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)從設(shè)計(jì)上優(yōu)化布局和結(jié)構(gòu)，做好相關(guān)建筑物耐火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化站內(nèi)設(shè)施布置。

3.5 此模擬結(jié)果僅供理論研究參考，應(yīng)用于工程實(shí)際仍需要進(jìn)行全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)。該模擬仍存在不足，一方面，無(wú)論是泄漏還是火災(zāi)，模擬的組分均為甲烷，而液化天然氣中的其他組分并未考慮在內(nèi)；另一方面，在進(jìn)行噴射火模擬時(shí)沒(méi)有考慮到防火堤的防護(hù)作用，而且消防設(shè)施，應(yīng)急救援力量也未考慮在內(nèi)。