LNG鐵路運輸過程中泄漏事故分析

摘 要：通過對鐵路運輸LNG所使用的40英尺罐式集裝箱泄漏事故進(jìn)行了模擬計算。并設(shè)定了泄漏條件計算事故泄漏速率和泄漏時間。最后根據(jù)池火災(zāi)計算模型模擬計算了完全泄漏事故下發(fā)生火災(zāi)所產(chǎn)生的火焰高度及釋放輻射能量。

關(guān)鍵詞：液化天然氣；鐵路運輸；泄漏；事故；火災(zāi)

1 前言[1-2]

天然氣具有高熱值、高氫碳比的特性，用作燃料與其它化石燃料相比較，具有較低的環(huán)境污染和較高效率。天然氣在常溫下為氣體，不便于貯存和遠(yuǎn)距離運輸，開采出來后通常經(jīng)過三脫（脫水、脫硫和脫酸性氣體）凈化處理后，采取先進(jìn)的膨脹制冷工藝或外部冷源，使甲烷變?yōu)?162℃的低溫液體，即液化天然氣（LNG）。LNG的體積約為其氣態(tài)體積的1/600，大大提高了天然氣的運輸和存儲效率，同時減少了燃燒排放的煙氣對大氣環(huán)境的污染。本次主要討論液化天然氣在鐵路運輸過程中所產(chǎn)生的泄露事故，并對事故原因及后果進(jìn)行分析，為鐵路運輸過程中的應(yīng)急預(yù)案編制、事故防范等提供依據(jù)。

2 LNG的鐵路運輸

LNG的鐵路運輸在日本等國已經(jīng)有了較長的運用歷史，而在我國鐵路運輸中僅剛起步，正在進(jìn)行探索式的發(fā)展。新疆廣匯鄯善LNG鐵路專用線是我國第一條LNG鐵路運輸?shù)膶Ｓ镁€路，已經(jīng)成功開通運行。目前，鐵路部門也在積極的開展青藏鐵路運輸LNG項目的可行性研究及調(diào)研工作。

鐵路運輸具有運輸規(guī)模調(diào)節(jié)范圍大、輸送距離遠(yuǎn)、地域輻射面廣等多種優(yōu)勢?？梢灶A(yù)見，鐵路運輸LNG將會成為我國今后LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展中一個重要環(huán)節(jié)，一種重要的戰(zhàn)略運輸方式。

據(jù)目前鐵路運輸實驗來看，我國鐵路運輸LNG主要采用40英尺罐式集裝箱裝運。

3 LNG泄漏造成的危害

根據(jù)液化天然氣的物理性質(zhì)，認(rèn)為液化天然氣泄漏到空氣中后主要會發(fā)生燃燒爆炸、低溫液體、鋼結(jié)構(gòu)變脆和斷裂、快速相變等幾種危害現(xiàn)象。其危害主要有低溫危害和窒息危害[3]。

4 LNG泄漏事故后果模擬[4]

文章以單個40英尺罐式集裝箱為例，該類型罐式集裝箱最大充裝質(zhì)量16500kg，罐內(nèi)液體溫度-162℃。液化天然氣屬于低溫液體，泄漏后在無明火的環(huán)境中會形成液池，迅速吸收環(huán)境熱量汽化蒸發(fā)，泄漏速度和泄漏時間決定泄漏后果的嚴(yán)重程度。此時直接蒸發(fā)的液體分?jǐn)?shù)為：

式中：CP-定壓比熱，J/（kg·K）；T-泄漏前的溫度，K；TC-常壓下液體沸點，K；H-汽化熱，J/kg。

在液體泄漏后出現(xiàn)兩相流動現(xiàn)象，但F值過小，此時泄漏可近似看做液體泄漏，因此，泄漏速率可按以下公式計算：

式中：QO-液體的泄漏速度，kg/s；Cd-液體的泄漏系數(shù)；A-裂口的面積，m2；ρ-泄漏液體的密度，kg/m3；P-容器內(nèi)介質(zhì)的壓力，MPa；PO-環(huán)境壓力，MPa；G-重力加速度，取9.8m/s2；h-裂口之上的液位高度，m。

根據(jù)儲罐的數(shù)據(jù)和液化天然氣的相關(guān)性質(zhì)及查閱液體泄漏系數(shù)表，并假設(shè)泄漏裂口為不規(guī)則形狀可知：燃燒熱為5.6×107J/kg；Cd=0.65；A=0.2m2；ρ=400kg/m3；P=0.7MPa，PO=0.1MPa，h=1.25m。代入公式（2）可得：

假設(shè)罐內(nèi)介質(zhì)完全泄漏，泄漏量為16500kg，泄漏半徑r=1000m，則泄漏時間t可根據(jù)以下公式計算：

式中：r-液池半徑，m；m-泄漏的液體量，16500kg；G-重力加速度，9.8m/s2；P-設(shè)備中液體壓力，MPa；t-泄漏時間，s。

則所需時間

5 池火事故模擬

LNG泄漏后會形成液池，如在泄漏后遇見明火等引燃因素，就會形成池火。此時燃燒速度可表示為：

式中：dm/dt-單位表面積燃燒速度，kg/（m2·s）；Hc-液體燃燒熱，J/kg；H-液體的汽化熱，J/kg。

其中液化天然氣的汽化熱為122×103J/kg，代入公式（4） 可算出：

假定液池為半徑100m的圓池子，其火焰高度的計算方法為：

式中：h-火焰高度，m；r-液池半徑，m；ρo-周圍空氣密度，kg/m3；g-重力加速度，9.8m/s2；dm/dt-單位表面積燃燒速度，kg/（m2·s）。

空氣密度按0.1MPa，25℃下的數(shù)值1.169kg/m3計算，則：

則該液池燃燒所釋放出的總輻射量為：

式中：Q-總熱輻射通量，W；dm/dt-單位表面積燃燒速度，kg/（m2·s）；r-液池半徑，m；h-火焰高度，m；Hc-液體燃燒熱，J/kg；η-效率因子，可取 0.13～0.35。

取最小效率因子計算可得：

Q=249×108（W）

6 結(jié)束語

液化天然氣在發(fā)生泄漏時主要會造成低溫傷害、窒息等危險。文章以鐵路運輸液化天然氣采用的罐式集裝箱為例，通過模擬計算了在運輸過程中如發(fā)生泄漏事故對周圍環(huán)境造成的影響。并假設(shè)發(fā)生火災(zāi)，計算了火焰高度及對環(huán)境釋放的總能量，為鐵路運輸液化天然氣的應(yīng)急預(yù)案編制、事故防范提供理論依據(jù)。

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[4]王強，楊眉.LNG儲罐泄漏事故后果分析[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，15（2）：72-75.

作者簡介：伍浩珉（1986-），男，四川省西昌市人，助理工程師 工學(xué)碩士。