某液化天然氣儲罐泄漏的火災后果預測

許 淵，尹 斌，伍 蒙，李 左,陳慧芳

(1．武漢工程大學興發礦業學院 安全技術及工程，湖北 武漢 430070； 2．昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司，湖北 黃岡 438011)

1 我國液化天然氣的需求將持續增長

我國是天然氣消費大國，目前，我國的天然氣消費量穩居世界第三。僅2017年，我國就消耗天然氣2300億m3，其中，有930億m3是進口的。發改委十三五規劃中明確提出，到2020年，國內天然氣綜合保供能力達到3600億m3以上，其中自產天然氣2070億m3。剩下的部分中，預計有500億立方米通過天然氣管道進口。除此以外，大約有1000億m3天然氣的空缺，這就依賴于LNG來補充[2]。根據2013年到2017年的LNG消費趨勢預測，我國以后的LNG需求仍會持續上升。

2 LNG儲罐向著大型化發展

當前，國家對天然氣儲罐自主開發的研究力度越來越大[1]。LNG大型儲罐的建設也在逐步從沿海往內地發展，儲罐的容量也在經歷有小到大的發展，逐步跟上世界的發展潮流。綜合來看，現在全世界的LNG儲罐都在朝著大型化這一方向發展，全世界LNG儲罐類型及罐容發展情況見圖1[5]。

圖1 全世界LNG儲罐罐容發展情況

3 液化天然氣儲罐泄漏造成的危害

3.1 低溫危害

LNG在儲罐中是低溫液體，一般是零下162℃，因此，儲罐泄漏事故發生后，首先低溫的LNG會凍傷附近的工人。此時如果觸碰低溫容器的外壁或管道，工人表皮會粘附在表面上，造成傷害。此外，泄漏后的天然氣會與周圍大氣進行熱交換，LNG由液態轉向氣態，這是一個吸熱反應，會在泄漏源附近形成一個低溫環境，對其范圍內的人員和設備造成不同程度的損傷。

3.2 窒息危害

在發生泄漏一段時間后，天然氣逐漸由液態向氣態轉變，會在泄露源附近形成一團天然氣與空氣的混合云團。雖然天然氣本身無毒，但是當空氣中充滿了氣態天然氣后，會使得氧氣含量下降，在低氧環境下，人會出現缺氧，甚至窒息[3]。窒息共分為一下四類情況，各種情況對應的癥狀詳見表1。

表1 窒息各情況對應癥狀

3.3 火災爆炸危害

LNG儲罐發生泄漏后，如果泄漏點附近有一個地勢較低的凹槽，則會形成液池，隨后發生閃蒸氣化，在較短時間內產生大量蒸氣[3]，當蒸氣云在其爆炸極限內遇火源，則會發生蒸氣云爆炸事故，假如發生爆炸事故的蒸氣云位于還未揮發完全的液池上方，則會導致池火災事故。

4 LNG儲罐泄漏后果預測

4.1 LNG儲罐信息

該工廠位于火車站和火車站附近，廠區內共有兩個100m3的臥式儲罐。罐區圍堤面積為999m2。儲罐詳細信息見下表2。

表2 儲罐詳細信息

4.2 LNG儲罐泄漏池火災預測

4.2.1 LNG儲罐泄漏量預測

該LNG工廠設兩個100m3的臥式儲罐，事故預測時假定其中一個儲罐發生泄漏，泄漏LNG重量為標準儲存量的10%，即5.36噸。

4.2.2 LNG泄漏燃燒熱輻射通量

泄漏的LNG液體在罐區地面形成液池,遇點火源發生燃燒時,火焰產生的總熱通量輻射通量Q采用下式計算：

Q=ηHcW/T

LNG泄漏燃燒持續時間T采用下式計算:

T=W/(S×mf)

式中:Q——LNG泄漏燃燒總熱輻射通量，kW；

W——LNG泄漏量，kg；

Hc——LNG燃燒熱，kJ/kg；

T——LNG泄漏后持續燃燒時間，s；

η——LNG燃燒效率因子；

mf——LNG燃燒速度，kg/·s

S——液池面積。

根據儲罐實際情況，LNG泄漏量為5.36噸，即W為5360kg；LNG主要成分為甲烷，故Hc(燃燒熱)取值為甲烷燃燒熱，55594kJ/kg；η(燃燒效率因子)根據LNG特性，取值為0.35；LNG燃燒速度取0.05 kg/·s。

根據罐區實際情況，LNG罐區圍堤面積：27×37=999，減去其中三個罐體占地面積，分別為75和兩個86，泄漏出來的液體充滿，則液池面積約為838。

計算結果見下表3。

表3 計算結果

4.2.3 火災熱輻射傷害半徑

火災通過輻射熱的方式影響周圍環境,不同入射熱輻射通量造成人員傷害或財產損失的情況見表4[4]。

表4 熱輻射的不同入射通量造成的傷害及損失

設泄漏液體燃燒全部輻射熱量由液池中心小球面發出，則距液池火焰中心某一距離(x)處的入射的熱輻射強度I(W/)為：

I=Qtc/4πx2

式中：Q——總熱輻射通量，kW；

tc——熱傳導系數；

x——目標點到液池中心距離及火災傷害半徑，m。

各傷害等級距離池火災中心的距離計算結果見表5。

表5 LNG儲罐泄露池火災熱輻射傷害距離

4.2.4 LNG儲罐火災事故后果分析

LNG儲罐泄漏火災事故后果預測表明，若發生事故，熱輻射能量kW，火災熱輻射可造成的傷害距離分別為：距池火中心39.5m為死亡半徑，相應的重度燒傷半徑為48.4m，輕度燒傷半徑為68.4m，無影響半徑120m。

4.3 LNG蒸氣云爆炸事故預測

4.3.1 蒸氣云爆炸事故情景

假設罐區一個 LNG 罐破裂發生泄漏，泄漏量假定為 10 t，泄 漏的低溫 LNG 溫度迅速上升至環境溫度、快速汽化形成蒸氣云，與 空氣混合形成爆炸性混合氣體，遇點火源發生蒸氣云爆炸。

4.3.2 LNG蒸發形成的氣體量

LNG 在沸點下儲存(溫度-162℃)，儲罐泄漏后液化氣無閃蒸 過程，LNG 溫度隨環境溫度迅速上升汽化形成蒸氣云，形成的可燃 蒸氣量 V 按下式計算：

V=WRTb/PM

式中：W——LNG 泄漏質量 kg；

Tb——環境溫度K；

P——環境大氣壓 kP；

M——LNG摩爾質量 g/mol；

R——氣體常數，kJ/gmol·K。

根據罐區實際情況，泄漏質量W為10000Kg；該工廠位于湖北省黃岡市境內，設定其溫度為30攝氏度，即Tb取值為303K；同理，環境大氣壓為普通氣壓，設為101.3 kP；LNG摩爾質量，查閱資料可得，為16.73g/mol；氣體常數取值為8.314kJ/gmol·K。

根據計算，10 噸LNG全部汽化形成的蒸汽量：V=14864N m3。

4.3.3 爆炸性氣體危險范圍預測

根據天然氣爆炸極限,預測 LNG 蒸發后的天然氣與空氣混合形 成的爆炸性氣體擴散范圍，預測時假定蒸發的天然氣呈半球狀擴散， 擴散區域半徑按下式計算：

r=(V/2.0944C)1/3

式中：V——LNG蒸發氣體體積m3；

C——天然氣爆炸極限濃度。

表6 天然氣爆炸危險區域范圍

根據前面計算得出LNG全部氣化量為14864N m3，故在標準情況下，LNG蒸發氣體體積為14864m3，天然氣爆炸極限濃度，取值5%～15%LNG 蒸發形成的爆炸危險區域范圍預測結果見表6。

4.3.4 蒸氣云爆炸總能量

LNG 蒸氣云爆炸的能量按下式計算：

E=1.8 aWfQf

WTNT=E/QTNT

式中：a——可燃氣體爆炸當量系數；

Wf——LNG蒸發形成的蒸氣體量，kg；

Qf——天然氣燃燒熱，kJ/kg；

QTNT——TNT爆炸熱，取QTNT=4520 kJ/kg。

其中，1.8為地面爆炸系數，天然氣相對密度 0.7，不取值；a為可燃氣體爆炸當量系數，根據經驗取0.04；LNG蒸發形成的蒸氣體量，10噸，故為10000kg，天然氣燃燒熱，查閱資料可得，為55564 ；QTNT ，TNT爆炸熱，查閱資料可得取4520kJ/kg。

經計算E= 40006080kJ、WTNT=8850 kg

4.3.5 爆炸沖擊波超壓傷害范圍

(1)死亡區范圍預測

死亡區范圍按TNT沖擊波超壓-沖量準則公式計算：

R=13.6(WTNT/1000)0.37=31m

(2)重傷和輕傷區范圍

重傷和輕傷區范圍按蒸氣云爆炸沖擊波超壓公式計算：

Ln(△PS/P0)=-0.9126-1.5058 LnZ+0.167 Ln2Z-0.032 Ln3Z

式中：Z=R(P0/E)1/3，

R——目標到蒸氣云中心距離，m；

P0——大氣壓Pa；

E——蒸氣云爆炸總能量 J。

蒸氣云爆炸沖擊波重傷超壓按 44kPa 計，輕傷超壓按 17kPa 計，根據蒸氣云爆炸沖擊波超壓計算公式得出： 重傷半徑：R1=70m；輕傷半徑：R2=131 m。

建筑物破壞半徑用下式計算：

KⅡ——建筑物破壞等級，二級為 4.6。

R財=78m。

LNG 蒸氣云爆炸破壞范圍計算見表7。

表7 LNG 蒸氣云的爆炸危害范圍

由預測結果可見，當LNG儲罐破裂發生泄漏，泄漏的LNG全部蒸發與空氣混合成爆炸性氣體擴散區域半徑36～52m；LNG蒸氣爆炸的能量為相當于TNT當量8850kg，爆炸沖擊波可造成人員的死亡半徑31m，重傷半徑70m，輕傷半徑131m、造成建筑物損壞半徑78m的危險危害區域。

5 結語

液化天然氣儲罐發生泄漏事故后，主要會造成三方面的危害，分別是低溫危害、窒息危害和火災爆炸危害。而這其中有數火災爆炸的傷亡最大。因此，針對LNG(液化天然氣)儲罐泄漏后的不同類型的火災爆炸事故進行了計算，預測出其不同的傷亡半徑。為涉及LNG(液化天然氣)儲罐的企業應急救援預案的編制和同類企業發生事故后的應急救援提供理論依據和指導，減少人員的傷亡和財產的損失。