液化天然氣（LNG）供氣站儲罐爆炸危害后果估算

丁玉峰，王 靜

（神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林 719000）

液化天然氣（LNG）供氣站儲罐爆炸危害后果估算

丁玉峰，王 靜

（神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林 719000）

油氣易燃、易爆，一旦發(fā)生爆炸，就可能造成生命財產(chǎn)的巨大損失。對油氣爆炸危害進行研究，有助于增強從業(yè)人員及民眾對油氣安全的重視，有助于實施有效的事故預(yù)防措施。采用TNT當(dāng)量法對液化天然氣（LNG）供氣站儲罐爆炸的危害后果進行了估算。

液化天然氣；爆炸；危害后果；估算

Abstract：Oil and gas flammable，explosive，in the event of an explosion，it may cause a huge loss of life and property.The study of oil and gas explosion hazards will help to enhance the importance of oil and gas safety and the effective accident prevention.In this paper，the TNT equivalent method is used to estimate the harm of the tank in the liquefied natural gas（LNG）gas supply station.

Key words：liquefied natural gas；explosion；hazard consequences；estimation

1 液化天然氣（LNG）

天然氣在常壓下，冷卻至約-162℃時，則由氣態(tài)變成液態(tài)，稱為液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）。LNG的主要成分為甲烷，還有少量的乙烷、丙烷以及氮等。液化天然氣的成分和天然氣有細微差異，天然氣在液化過程中進一步得到凈化，甲烷純度更高，幾乎不含二氧化碳和硫化物。

天然氣經(jīng)過預(yù)處理后在超低溫（-162℃）狀態(tài)下液化，體積縮小為原來的1/625，成為LNG，具有高效、經(jīng)濟和環(huán)保等特點。隨著對LNG需求量的不斷增加，其儲運過程中安全問題不可忽視，故有必要對其沸騰液體膨脹式蒸氣爆炸機理進行研究。

2 LNG供氣站簡介

LNG供氣站是對液化天然氣（LNG）進行卸車、儲存、氣化并向用戶提供清潔能源的系統(tǒng)工程，是現(xiàn)代城市燃氣輸配系統(tǒng)的重要組成部分。液化天然氣（LNG）供氣站一般采用的工藝流程：液化天然氣（LNG）由低溫槽車運至氣化站，在卸車臺利用槽車自帶的增壓器對槽車儲罐加壓，利用壓差將液化天然氣（LNG）送入LNG儲罐儲存。氣化時通過儲罐增壓器將液化天然氣（LNG）增壓，然后自流進入空浴式氣化器，經(jīng)空浴式氣化器氣化發(fā)生相變，成為氣態(tài)天然氣，夏季直接去管網(wǎng)，冬季經(jīng)水浴式加熱器（對于冬季氣侯條件能達到氣化要求的地區(qū)也可不設(shè)置水浴式加熱器）再去管網(wǎng)。除此之外，液化天然氣（LNG）供氣站一般還具有BOG 釋放接收、緊急情況安全放空、異常情況緊急切斷、LNG 泄漏溢出處理、LNG 裝車等功能或措施。

3 液化天然氣（LNG）爆炸事故原因分析

液化天然氣（LNG）儲罐由于受到機械碰撞或熱失效產(chǎn)生裂縫，內(nèi)部氣化的LNG 氣體從裂縫噴出，容器內(nèi)壓力快速下降，破壞了相平衡而使飽和液體處于過熱狀態(tài)，儲罐內(nèi)液體急劇沸騰蒸發(fā)，已氣化的氣體及被其卷攜的液體以極大的沖擊力噴向外部空間，形成沸騰液體膨脹蒸汽爆炸（BLEVE，Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion）。BLEVE 沖擊破壞作用大，且遇明火易形成二次爆炸。

液化天然氣（LNG）儲運過程中如果發(fā)生泄漏，液化天然氣（LNG）液體迅速從周圍環(huán)境吸熱并氣化，當(dāng)溫度達到-110℃時，天然氣密度低于空氣而會隨著氣流或風(fēng)向飄逸，并和空氣混合形成大范圍可燃性的云團，當(dāng)云霧濃度達到爆炸范圍時，遇到火源將發(fā)生蒸汽云爆炸（UVCE，UnconfinedVapor Cloud Explosion），產(chǎn)生沖擊波，對周圍的人員和設(shè)施造成損害或破壞。

4 液化天然氣（LNG）供氣站爆炸事故后果分析

4.1 研究技術(shù)路線

當(dāng)油氣濃度達到爆炸濃度時會發(fā)生爆炸，火災(zāi)事故也就隨之發(fā)生。在油罐滅火以及火災(zāi)輻射的安全設(shè)計中，重要的是要了解油罐火災(zāi)的輻射特性，并通過對大型火災(zāi)的輻射特性和火焰結(jié)構(gòu)進行計算分析，制定相應(yīng)的解決措施和方案，確保人身和財產(chǎn)的安全。

Roberts針對沸騰液體擴展蒸汽爆炸總結(jié)了火球半徑的計算公式，結(jié)合CCPS（美國化學(xué)工程師協(xié)會化工過程安全中心）推薦的火球持續(xù)時間計算公式，輻射通量計算公式可以對BLEVE事故的主要輻射危害進行定量估算。

4.2 液化天然氣（LNG）物料計算

以80m3液化天然氣（LNG）低溫儲罐為例，操作壓力300kPa，操作溫度-149℃。JB/T 4780—2002《液化天然氣罐式集裝箱》的第5.3.10.2條規(guī)定“LNG罐箱額定充滿率應(yīng)不大于90%”，本文充裝率取0.9。外界環(huán)境溫度為常壓，25℃。

4.3 沸騰液體擴展蒸汽爆炸（BLEVE）分析

沸騰液體膨脹式蒸氣爆炸是石油、化工行業(yè)中的重大事故，具體指充裝液化氣（例如液化石油氣、氨氣等）的壓力容器形成裂口失效，儲罐中液體因突然降壓而處于過熱態(tài)，如果過熱度很大，會造成過熱液體猛烈蒸發(fā)的物理爆炸現(xiàn)象。若遇明火，還會發(fā)生化學(xué)爆炸，產(chǎn)生容器碎片拋射、熱輻射和沖擊波等危害。Salla 等曾提出一種新的基于能量平衡計算極限過熱度的方法。Casal等根據(jù)液體過熱能量計算了BLEVE及類似爆炸過程產(chǎn)生的壓力波。Gong 等建立簡化模型預(yù)測儲罐在火災(zāi)環(huán)境下的熱響應(yīng)，分析熱分層對BLEVE 的影響，并用實驗數(shù)據(jù)進行驗證。Planas-Cuchi 等對儲罐爆炸所產(chǎn)生的壓力波進行了研究。Papazoglou等對BLEVE發(fā)生后產(chǎn)生的火球熱輻射能量進行了估算。但前人在此方面的研究多針對液化石油氣。

沸騰液體擴展蒸氣爆炸的危險性有火球熱輻射、爆炸沖擊波超壓與容器碎片。與火球熱輻射的危險性相比，爆炸沖擊波超壓與容器碎片的危險性比較小，因此BLEVE 的主要危險性是火球熱輻射。故本文采用Papazoglou等對BLEVE發(fā)生后產(chǎn)生的火球熱輻射能量的估算方法。

根據(jù)Roberts的結(jié)論，火球最大半徑應(yīng)用下式計算：

式中，R為火球最大半徑，m；m為液化石油氣質(zhì)量，kg。

CCPS（美國化學(xué)工程師協(xié)會化工過程安全中心）推薦，火球持續(xù)時間應(yīng)用下式計算：

式中，t為火球持續(xù)時間，s。本文中液化天然氣罐的充裝質(zhì)量為29 160kg，小于30 000kg，故采用公式（2）進行計算。

目標(biāo)接收到熱輻射通量計算：當(dāng)r > R時，目標(biāo)接收到的輻射通量按下式計算：

式中，q為目標(biāo)處熱輻射通量，kW/m2；q0為火球表面的輻射通量，kW/m2，對柱形罐取270 kW/m2，對球形罐取200 kW/m2；r為目標(biāo)到火球中心的水平距離，m。

應(yīng)用熱輻射的破壞準(zhǔn)則結(jié)合火球熱輻射確定LNG儲罐泄漏后發(fā)生沸騰液體擴展蒸氣爆炸事故傷害破壞范圍。

4.4 蒸汽云爆炸危害分析

4.4.1 燃燒爆炸機理

液化天然氣（LNG）儲運過程中如果發(fā)生泄漏，液化天然氣（LNG）液體迅速從周圍環(huán)境吸熱并氣化，當(dāng)溫度達到-110℃時，天然氣密度低于空氣而會隨著氣流或風(fēng)向飄逸，并和空氣混合形成大范圍可燃性的云團，當(dāng)云霧濃度達到爆炸范圍時，遇到火源將發(fā)生蒸汽云爆炸（UVCE，Unconfined Vapor Cloud Explosion），產(chǎn)生沖擊波，對周圍的人員和設(shè)施造成損害或破壞。

蒸氣云爆炸主要是爆炸沖擊波造成的傷害破壞，因此按超壓-沖量準(zhǔn)則確定人員傷亡區(qū)域和財產(chǎn)損失區(qū)域。一般采用TNT 當(dāng)量法來計算蒸汽云團爆炸的影響。

4.4.2 蒸汽云TNT當(dāng)量

式中，WTNT為蒸汽云TNT 當(dāng)量，kg；α為蒸氣云當(dāng)量系數(shù)，一般取0.04；Wf為蒸汽云中燃料的總質(zhì)量，kg；Qf為可燃氣體的燃燒熱，k/kg；QTNT為TNT 的爆炸熱，kJ/kg。對于靠近地面的爆炸，由于地面反射作用使爆炸威力增加，需乘以系數(shù)1.8。

4.4.3 給定超壓距離

式中，x為爆炸中心與給定超壓間的距離，m；△p為給定超壓，psi（1psi=6.9kPa），對應(yīng)于不同的預(yù)期損害。

5 結(jié)論

通過選取液化天然氣儲罐燃燒爆炸的兩種爆炸形式進行分析，考慮了其發(fā)生時，對周邊人員及建筑物產(chǎn)生破壞的主要的能量來源。從模擬估算結(jié)果中可以看出，液化天然氣儲罐發(fā)生燃燒爆炸事故時，對周邊人員及建筑物的危害程度和范圍是很大的。考慮到在實際的液化天然氣生產(chǎn)儲存過程中，儲罐的數(shù)量要更多，并且分布比較集中，如果發(fā)生爆炸，其破壞力和破壞范圍是十分巨大的，將會對周邊人員的生命和財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的危害。

[1] 馬曉茜，王晶晶.液化天然氣BLEVE機理研究及其事故后果評價[J].華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，35（10）：189-193.

[2] 周偉國，張中秀，阮應(yīng)君.液化天然氣供氣站爆炸事故后果分析及風(fēng)險評價[J].同濟大學(xué)機械工程學(xué)院學(xué)報，2006，9（7）：17-21.

Estimation of Consequences of Explosion Hazard in Tank of Liquefied Natural Gas（LNG）Gas Supply Station

Ding Yu-feng，Wang Jing

TE88

B

1003–6490（2017）09–0155–02

2017–06–28

丁玉峰（1989—），男，山東煙臺人，助理工程師，主要從事煤化工工作。