王海清，徐慧敏，田英帥，黃 清

（1. 中國石油大學（華東） 機電工程學院，山東 青島 266580；2. 深圳市燃氣集團股份有限公司 安全設備管理部，廣東 深圳 518040）

優(yōu)質完善的實驗室資源是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有力支撐。近幾年來，實驗室的硬件設備得到改善，同時對實驗室的管理也在加強，實驗室的探索與設計也受到重視[1]。

2018 年，國務院下發(fā)了《國務院關于促進天然氣協(xié)調穩(wěn)定發(fā)展的若干意見》，國家大力推進天然氣的發(fā)展。近兩年，我國大規(guī)模投產(chǎn)建設LNG（液化天然氣）接收站，截至2019 年5 月，我國已投產(chǎn)的LNG 接收站共有21 座，正在建設的LNG 接收站有13 座[2]。

LNG 具有可燃的特性并且易于擴散，一旦發(fā)生泄漏，遇到火源會發(fā)生火災或爆炸，造成嚴重的危害。因此，消防系統(tǒng)在LNG 接收站中至關重要。但大部分的LNG 接收站消防系統(tǒng)是以石油化工為基礎進行設計的，缺少針對性。為使安全專業(yè)本科生更深入地了解LNG 接收站，中國石油大學（華東）安全科學與工程系結合國內(nèi)外高校的實驗教學模式，將現(xiàn)代過程安全管理技術（儀表化安防技術）與化工工藝單元結合，設計了數(shù)字化LNG 接收站綜合教學實驗平臺，模擬了各種不同工藝單元的泄漏場景[3]，為建設LNG接收站實驗室的消防系統(tǒng)并增強針對性，本文利用ALOHA 軟件對天然氣泄漏的危害范圍進行模擬，得出天然氣泄漏的各種事故后果的影響范圍，根據(jù)事故后果的影響范圍，設置一系列消防措施，從而進一步完善實驗室建設。

1 數(shù)字化LNG 接收站綜合實驗平臺

實驗室主要由卸船、儲存、氣化、外輸、蒸汽處理、火炬放空等多個系統(tǒng)模塊組成，可以實現(xiàn)不同操作工況下LNG 接收站工藝流程、各類工藝偏差危害和操作失誤等模擬，并對站內(nèi)儲罐、閥門和儀表等設備的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，具備報警優(yōu)化與響應、火災與氣體泄漏探測、事故緊急關斷控制等功能模塊，為安全專業(yè)課程提供實踐認識和掌握安全技術措施的工程背景與操作平臺。

1.1 LNG 接收站實驗室模擬流程

LNG 接收終端實驗室見圖1。從安全和經(jīng)濟角度出發(fā)，實驗室用壓縮氣體代替天然氣進行模擬，壓縮氣體先從LNG 船卸料臂進行卸料，經(jīng)過白色的進料管線進入LNG 儲罐。因為LNG 儲存溫度極低，在儲存過程中會產(chǎn)生BOG，使得LNG 儲罐內(nèi)壓力升高。

圖1 LNG 接收終端實驗室

BOG 處理：（1）經(jīng)安全閥去平衡船艙壓力。隨著LNG 的輸出，船內(nèi)氣相壓力會逐漸下降，儲罐內(nèi)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣經(jīng)蒸發(fā)氣回流管線及蒸發(fā)氣回流臂送至船內(nèi)，補充船內(nèi)氣壓。（2）經(jīng)安全閥進入（蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)）分液罐、壓縮機、再冷凝器液化成LNG。（3）經(jīng)安全閥進入火炬系統(tǒng)，進行放空。

從儲罐出來的LNG 分成兩路，可以中壓輸送或者高壓輸送。

中壓輸送：一路經(jīng)壓力控制閥進入中壓離心泵，另一路經(jīng)流量調節(jié)閥流向再冷凝器，然后再流入到中壓離心泵中。從中壓離心泵輸出的LNG 經(jīng)汽化器輸送給中壓用戶。

高壓輸送：一路經(jīng)壓力控制閥進入高壓離心泵。另一路經(jīng)流量調節(jié)閥流向再冷凝器，然后再流入到高壓離心泵中。從高壓離心泵輸出的LNG 經(jīng)汽化器輸送給高壓用戶。

1.2 LNG 接收站實驗室中控室操作

實驗室同時向本科生、研究生和博士生開放，學生可以通過中控室的電腦進行模擬操作。圖2 為LNG接收站實驗室的流程。

目前實驗室一期建設已實現(xiàn)模擬氣體泄漏事故場景，觸發(fā)壓力低報警并確認讀取報警信息。參加實驗的學生可以通過中控室的電腦更改各個工藝單元中閥門、儲罐、壓力表的參數(shù)，模擬事故場景，根據(jù)報警類型，確定事故發(fā)生的原因。

1.3 LNG 接收站消防系統(tǒng)的設計

消防系統(tǒng)是LNG 接收站減少和消除安全事故影響的重要依靠，泄漏報警系統(tǒng)、滅火設備、自動噴淋系統(tǒng)等是LNG 接收站消防系統(tǒng)的常備設施。在實驗室的一期建設中已實現(xiàn)泄漏報警系統(tǒng)，因此在實驗室的二期建設規(guī)劃中，將設置更加豐富的減緩型安全屏障，主要包括：滅火設備、自動噴淋系統(tǒng)以及中控室的防火墻設置等；因此為了在實驗平臺建設中更準確地實現(xiàn)等比例模擬設置，需要對各種典型災害場景進行定量分析。

2 利用ALOHA 軟件對LNG 管道泄漏進行模擬

2.1 ALOHA 軟件

有害大氣空中定位軟件ALOHA（areal locations of hazardous atmospheres）是由美國國家海洋、大氣管理局（NOAA）和美國環(huán)境保護局（EPA）的應急管理辦公室合作開發(fā)并得到應急響應部門（ERD）的支持。其主要用途是為應急響應人員提供與化學品泄漏相關的一些常見危害的空間范圍估計[4-5]。ALOHA軟件可以根據(jù)化學物質的類型、事故發(fā)生的地理位置、大氣條件和泄漏源情況等信息模擬危險化學品泄漏，可以快速預測危險化學品泄漏后對人體產(chǎn)生影響的毒氣濃度以及超壓和熱輻射的范圍[6]。目前ALOHA 軟件已經(jīng)成為危險化學品事故應急救援、規(guī)劃，及學術研究的重要工具[7]。

圖2 LNG 接收站流程圖

2.2 案情假設

利用ALOHA 軟件對實驗室進行模擬時（設置工藝介質為天然氣），判定大致的事故影響范圍。事故發(fā)生的場景假設：取全年主導風向、年平均溫度、年平均濕度等，假設最壞的情景，泄漏孔徑等于管道直徑。軟件模擬中需要的主要參數(shù)見表1。

2.3 噴射燃燒影響分析

LNG 接收站的回氣管道發(fā)生破裂，若在破裂處直接接觸到火源會發(fā)生噴射燃燒事故，并產(chǎn)生熱輻射，熱輻射會對周圍人員和建筑物造成損害。在ALOHA軟件中輸入表1 所示的參數(shù)，模擬產(chǎn)生噴射燃燒的情形，得到的影響區(qū)域范圍見圖3，從圖3 中可以看出ALOHA對于此場景的評估，顯示了三個熱輻射危險區(qū)域。

由圖3 可知，當風速為5 m/s 時，在60 s 內(nèi)，預測情景中死亡區(qū)即紅色區(qū)域距離泄漏口10 m 內(nèi)，個體所承受的熱輻射會造成致命的傷害；在距離泄漏口10～13 m 的范圍內(nèi)即橙色區(qū)域會對人體造成二度燒傷傷害；在距離泄漏點13～20 m 的范圍內(nèi)即黃色區(qū)域人體所承受的熱輻射會使其產(chǎn)生疼痛感，如表2 所示。

圖3 風速為5 m/s 時噴射燃燒影響區(qū)域范圍

表2 噴射燃燒事故的影響區(qū)域

2.4 蒸氣云燃燒影響分析

如果天然氣泄漏出來沒有被立即點燃，將會向外擴散，與空氣充分混合形成爆炸性混合氣體，在遇到點火源后，很有可能引發(fā)蒸氣云燃燒或爆炸，蒸氣云燃燒將會產(chǎn)生大量的熱輻射，對周邊人員及環(huán)境造成嚴重的危害[8]。

ALOHA 軟件在計算過程中，根據(jù)大氣中甲烷的濃度劃分可燃性區(qū)域，取 60% LEL（體積分數(shù)1.26×10-2）和10% LEL（體積分數(shù)0.21×10-2）進行區(qū)域分析，其中60% LEL 可造成人員死亡，10% LEL可造成人員燒傷[9]。

選擇默認LOCs 可以看到ALOHA 軟件估計的本場景的危險區(qū)域，蒸氣云燃燒影響區(qū)域范圍見圖4，顯示有兩個可燃危險區(qū)域。

圖4 蒸氣云燃燒影響區(qū)域范圍

從ALOHA 軟件分析結果得到，在順風方向距離泄漏口29 m 的范圍內(nèi)會造成人員死亡，距離泄漏口71 m 的區(qū)域范圍內(nèi)會造成人員燒傷，蒸氣云燃燒影響區(qū)域如表3 所示。由于風向的原因，天然氣主要向順風方向擴散，因此人員應該向垂直于順風方向撤離，以盡可能減小人員傷亡。

表3 蒸氣云燃燒影響區(qū)域

2.5 蒸氣云爆炸影響分析

蒸氣云爆炸主要產(chǎn)生熱輻射、沖擊波、拋射碎片等危害，其中沖擊波是主要危害[10]。運用ALOHA 軟件模擬甲烷氣體泄漏后爆炸的情形，當蒸氣云不密集的時候不會造成危害。當蒸氣云處于密集狀態(tài)時，模擬得到的爆炸影響范圍見圖5。

圖5 蒸氣云（密集）爆炸影響區(qū)域范圍

由圖5 可知，當蒸氣云處于密集狀態(tài)時會產(chǎn)生蒸氣云爆炸，但不會造成建筑物破壞和人員嚴重傷害，沖擊波超壓≥1 psi 時，與泄漏點距離25 m，為玻璃破損區(qū)域。蒸氣云爆炸影響區(qū)域如表4 所示。

表4 蒸氣云爆炸影響區(qū)域

2.6 模擬結果分析

從ALOHA 軟件對上述天然氣泄漏后可能造成的事故后果進行模擬，得到了各種事故場景所產(chǎn)生的危害范圍，如表5 所示。

表5 各種場景危害范圍比較

由表5 可知，這3 類事故中蒸氣云燃燒的危害范圍最大，蒸氣云爆炸（密集）次之，最后是噴射燃燒。

3 LNG 接收站實驗室的優(yōu)化設計

數(shù)字化LNG 接收站實驗室專業(yè)性強，涉及面廣，實驗室中包括DCS、SIS 和FGS 等多個系統(tǒng)，為進一步優(yōu)化實驗室的仿真效果，應提高安全意識，確保實驗室教學和科研工作更好地有序開展[11]。

根據(jù)ALOHA 軟件模擬產(chǎn)生的事故場景的危害類型及危害范圍的劃分，對實驗室進行預防性的安全屏障設置規(guī)劃，上述仿真計算為本實驗室第二期建設的科學規(guī)劃提供了量化的技術支撐。

實驗室第二期建設將根據(jù)ALOHA 軟件模擬得到燃燒的影響范圍設置消防系統(tǒng)，可以等比例在各個不同危險區(qū)域內(nèi)設置模擬的滅火系統(tǒng)，如高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)；ALOHA 軟件模擬得到的噴射燃燒和蒸氣云燃燒事故產(chǎn)生的主要危害是熱輻射，因此需要設置自動噴淋系統(tǒng)，阻止熱輻射。將分別在噴射燃燒和蒸氣云燃燒事故的不同危險區(qū)域內(nèi)設置自動噴淋系統(tǒng)；此外，為使學生始終保持憂患意識和增加學生的安全意識，在實驗室中標明噴射燃燒、蒸氣云燃燒、蒸氣云爆炸的紅色危險區(qū)域、橘色危險區(qū)域和黃色危險區(qū)域，并注明各個危險區(qū)域會對環(huán)境和人員造成的危害。

設置滅火系統(tǒng)、自動噴淋系統(tǒng)在中控室的計算機上顯示，可對實驗室中整個消防系統(tǒng)有直觀、系統(tǒng)的了解，學生可以通過中控室的電腦對其進行操作。

中控室應位于安全區(qū)域內(nèi)，符合防火、防爆的要求。由表5 可知，天然氣泄漏產(chǎn)生的危害范圍最遠達到71 m，如能將中控室設置于遠離LNG 接收站，是解決安全隱患的根本措施，是屬于本質安全的范疇，但實驗室的面積有限，無法使中控室與LNG 接收站達到安全距離。因此，需要在中控室和LNG 接收站中間建立防火墻。防火墻主要有A 級和H 級。H60 防火墻的耐火強度大約是A60 防火墻的6 倍，根據(jù)現(xiàn)有的標準和目前絕大多數(shù)平臺的使用情況，選擇A60 防火墻進行中控室和LNG 接收站的區(qū)域分隔[12]。

4 結語

目前LNG 接收站實驗室雖已建成，并已投入使用，但實驗室中的消防系統(tǒng)尚未設置。本文利用ALOHA 軟件對LNG 接收站實驗平臺進行天然氣泄漏模擬，得到噴射燃燒、蒸氣云燃燒和蒸氣云爆炸三種事故后果，確定了事故可能的影響范圍并對其進行了危害區(qū)域劃分。通過ALOHA 軟件得到的影響范圍及不同的危害區(qū)域，對實驗室二期消防系統(tǒng)建設方案進行優(yōu)化完善，從而進一步還原真實的LNG 接收站，使學生們增加安全意識，為國內(nèi)類似的半實物模擬實驗研究平臺的科學規(guī)劃與建設，提供了有益探索與參考案例。此外，還可以為實驗教學應急預案的制定提供依據(jù)，并且通過實驗室這個平臺，可以對應急措施進行定期的演練，使工作人員增強現(xiàn)場救援能力和自救能力。