方維新，蔡 蕓

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

0 引言

液化天然氣(LNG)屬于甲A類火災危險物質(zhì)，爆炸極限為5%～15%。LNG泄漏擴散后，在爆炸極限內(nèi)被點燃，可能造成噴射火、閃火、池火等火災事故[1]。近年來，LNG火災事故頻發(fā)，并且造成了嚴重后果，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；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?；穲鏊幕馂娘L險，有必要通過合適的火災風險評價方法對危險化學品場所的風險進行定量分析和預測，再針對分析結(jié)果采取防控措施。本文將使用挪威DNV公司的Phast軟件對某LNG加氣站進行泄漏結(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公司獨立開發(fā)的一款專門用于石油石化和天然氣領域危險分析和安全計算的軟件，是商業(yè)型后果模型軟件的典型，在安全管理和技術評價領域具有權威地位[2]。該軟件內(nèi)嵌了4種計算模型，分別是：泄放和擴散、燃燒和毒氣擴散。通過輸入事故發(fā)生時的真實場景，包括設備類型、物質(zhì)種類、儲存參數(shù)、泄漏方式、周圍環(huán)境(大氣溫度、濕度、穩(wěn)定度、風速)等參數(shù)，場景選擇采用《LNG生產(chǎn)、儲存和裝運標準》(NFPA 59A—2009)的計算原則，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)生可燃蒸氣云擴散的危險,即可模擬石油化工裝置可能發(fā)生的火災和爆炸事故的影響范圍及程度[3]。其中泄漏擴散模塊采用UDM模型，這種模型十分復雜，是建立在許多模型基礎上的，包括BM模型、P-G模型等[4]。計算某一時刻物質(zhì)泄漏擴散的濃度分布，連接等濃度點繪制成等濃度線，用來描述云團當時的寬度、下風距離，求出發(fā)生事故之后的安全區(qū)域、易燃易爆區(qū)域和準危險區(qū)域。我國《石油庫設計規(guī)范》的編制組也曾用該軟件對油罐火災進行模擬計算，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)屬于較為常見的加氣站規(guī)模和國產(chǎn)儲罐容量[5]，附近500 m范圍內(nèi)無學校、社區(qū)、醫(yī)院等人員密集場所，距離最近的應急救援中隊1.8 km。加氣站配備有滅火器、消防沙、滅火毯、消火栓等消防設施，各項安全制度、演練方案齊全。

儲罐內(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)見表1。根據(jù)LNG加氣站實際情況和國產(chǎn)儲罐的常見容量，本模擬計算選取的是加氣站內(nèi)部單罐容積為50 m3的液化天然氣儲罐，模擬泄漏部位為DN50的管道，為簡化模擬進程將泄漏物料設定為甲烷。

表1 LNG具體理化參數(shù)

2.2 模擬計算標準及參數(shù)設置

考慮到液化天然氣事故多以泄漏的形式發(fā)生，模擬對象為LNG加氣站發(fā)生泄漏，根據(jù)美國石油協(xié)會出版的《基于風險的檢驗與失效分析》(API 581—2008)中提供的參考值和我國加氣站的實際情況，選取DN50作為泄漏管徑。當LNG在陸上或水上發(fā)生泄漏后會快速蒸發(fā)形成蒸氣云，且在風力作用下發(fā)生移動，當遇點火源點燃時會造成閃火，閃火通常持續(xù)時間短，但對處于火焰包圍的人員卻是致命的，閃火通常不會發(fā)生二次點燃或?qū)θ紵齾^(qū)域外的人員造成燒傷[6]。當閃火燒回LNG液池會形成池火，當LNG帶壓泄漏(如通過孔或是裂紋)且被點燃時會發(fā)生噴射火，其對設備或建筑的沖擊類似于火焰噴槍，會產(chǎn)生非常高的熱通量。因此選取LNG儲罐分別發(fā)生泄漏、池火和噴射火的情況進行定量模擬。本模擬采用的評估標準包括熱輻射通量和可燃氣體濃度等級，參照《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》(GB 50183—2004)的規(guī)定，其中熱輻射通量限值見表2。

表2 熱輻射通量限值

因我國消防救援局規(guī)定從發(fā)現(xiàn)起火至消防救援隊伍展開戰(zhàn)斗不超過15 min，因此確定模擬時間為15 min，LNG儲罐內(nèi)部的壓力(表壓)為20 kPa，依據(jù)《化工企業(yè)定量風險評價導則》(AQ/T 3046—2013)，選取DN50孔徑泄漏作為模型時，近似可看作管道腐蝕穿孔[7]。模擬參數(shù)見表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 儲罐泄漏擴散

甲烷泄漏擴散后，甲烷云團主要向下風向漂移擴散，如圖1所示，其中距離泄漏點最近的內(nèi)圈濃度達到150 000 ppm，為致死濃度；中間圈內(nèi)濃度達到44 000 ppm；最外圈內(nèi)濃度達到了25 000 ppm。雖然甲烷對人體沒有直接毒性，但會使人員產(chǎn)生頭暈、惡心等不良反應。

由圖2可知，在甲烷下風向隨著順風距離的增加，甲烷濃度不斷下降，兩者幾乎呈線性關系，當順風距離達到100 m時，甲烷濃度減少了95%，當順風距離達到120 m時，甲烷濃度幾乎下降為0，因此將危險區(qū)域劃定為距離泄漏點120 m的范圍，在事故發(fā)生后，應該盡快將人員疏散至該區(qū)域范圍外。

甲烷泄漏后，下風向區(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(實際為165 000)，中圈為甲烷燃燒下限濃度(LFL)44 000 ppm(實際為50 000)，外圈為甲烷擴散濃度限值(1/2LFL)即22 000 ppm。甲烷

圖2 下風向甲烷濃度沿地面軸線變化圖

圖3 下風區(qū)域甲烷濃度俯視圖

濃度為22 000 ppm時，達到最遠水平距離為120 m(以距儲罐壁計)。

由圖4可以看出云團的高度與濃度的關系呈反比，即濃度越低，云團的高度越高?？偟膩砜?，這是擴散時間長短的原因，擴散時間越長，泄漏濃度越低，云團高度越高。而第一次高度出現(xiàn)降低的距離大致相同，說明是遇到了防護堤等物理防護設備，云團出現(xiàn)沉降；第二次高度出現(xiàn)降低則是由于擴散距離增加后出現(xiàn)衰減，云團高度降低。

圖4 下風向區(qū)域云團側(cè)視圖

2.3.2 池火熱輻射

甲烷泄漏后在地面上會形成液池，當閃火燒回LNG液池時會引發(fā)池火，池火對人體和設施的主要影響體現(xiàn)在熱輻射上。根據(jù)設定的模擬參數(shù)進行池火模擬，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系如圖6所示，由圖可見，在燃燒區(qū)域，熱輻射通量未出現(xiàn)衰減，為120 kW·m-2；隨著順風距離的增加，池火的熱輻射通量逐漸衰減，在距離起火點13.79 m的位置熱輻射通量為29.61 kW·m-2，在距離起火點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系

的位置熱輻射通量為8.98 kW·m-2，在距離起火點30.71 m的位置熱輻射通量衰減至4 kW·m-2以下。當熱輻射通量達到4 kW·m-2時，超過20 s將引起人員疼痛，池火熱輻射影響最遠距離為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)設定的模擬參數(shù)進行計算，得到該LNG加氣站發(fā)生DN50孔徑泄漏引發(fā)噴射火事故的場景。噴射火發(fā)生后的分布情況如圖7所示，由圖可見，噴射火受風向的影響較大，主要向下風向噴射，輻射熱也主要分布在下風向。噴射火熱輻射通量與距離的關系如圖8所示，由圖可見，熱輻射通量為29.61 kW·m-2達到最遠水平距離51.2 m，熱輻射通量為8.8 kW·m-2達到最遠水平距離63.8 m，熱輻射通量為4 kW·m-2達到最遠水平距離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系

2.4 火災事故造成的影響

2.4.1 熱輻射通量的影響

根據(jù)《石油天然氣工程設計防火規(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人以上的室外活動場所”[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的在用構(gòu)筑物”。

2.4.2 可燃氣體擴散濃度的影響

根據(jù)《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》中規(guī)定的“擴散隔離區(qū)邊界的空氣中甲烷氣體平均濃度不應超過2.5%”，在本文圖1甲烷濃度影響區(qū)域中，距離泄漏點120 m范圍內(nèi)不得有“室外活動場所”和“在用建筑物”。發(fā)生泄漏事故后應盡快將事故影響區(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 通過收集LNG加氣站的工程參數(shù)及項目建設地的往年氣象數(shù)據(jù)，利用Phast軟件對各泄漏形式進行定量分析，主要檢驗LNG儲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 由評價結(jié)果可知，當以甲烷濃度22 000 ppm為可接受濃度閾值時，所能達到最遠水平距離為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，并且對危險區(qū)域做出標記，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，會造成嚴重后果。因此要做好日常監(jiān)測和安全管理，經(jīng)常進行設備的維護和檢修；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可達77.5 m。合理規(guī)避火災風險應從設計上優(yōu)化布局和結(jié)構(gòu)，做好相關建筑物耐火結(jié)構(gòu)設計，優(yōu)化站內(nèi)設施布置。

3.5 此模擬結(jié)果僅供理論研究參考，應用于工程實際仍需要進行全尺寸火災試驗。該模擬仍存在不足，一方面，無論是泄漏還是火災，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，在進行噴射火模擬時沒有考慮到防火堤的防護作用，而且消防設施，應急救援力量也未考慮在內(nèi)。