液化天然氣儲罐泄漏擴散模擬研究

楊磊，鄒冀翼，寇麗穎，蔡亮，代學金

(1. 上海河圖工程股份有限公司，上海 201203；2. 中國航空油料有限責任公司 溫州分公司，浙江 溫州 325000；3. 華北石油管理局有限公司 河北儲氣庫分公司，河北 廊坊 065000；4. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；5. 中國石油集團公司青海油田分公司 采油五廠，青海 茫崖 816400)

隨著西氣東輸、中亞天然氣管道、中緬天然氣管道和川氣東送等工程的實施，中國天然氣在石化能源中的消費比例不斷增加。液化天然氣(LNG)儲氣站作為管道沿線的重要組成，在儲運調峰、燃氣發電、空氣分離、冷能利用、海水淡化等方面均有應用，是目前最為重要的清潔能源之一。LNG儲罐是儲氣站的主要儲存容器，LNG的儲存方式為低壓、低溫儲存，在LNG液化生產的過程中不可避免地混入H2O，H2S，HCl等氣體，在露點溫度下腐蝕性氣體溶于水形成酸性腐蝕環境，對罐體產生腐蝕作用。一旦發生泄漏，根據泄漏形式的不同，會形成蒸氣云爆炸、池火災、噴射火、閃火等爆炸燃燒形式，容易引發大面積火災，導致人員低溫凍傷或窒息死亡。目前，國外對LNG，液化石油氣(LPG)，壓縮天然氣(CNG)儲罐的泄漏擴散后果研究較多，數據庫也較為健全；國內針對LNG的研究起步較晚，LNG泄漏的研究成果較少。

GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規范》[1]中指出： LNG應根據熱輻射和蒸氣云擴散情況選擇安全距離，屬于推薦性指標，并沒有給出具體可參考的數據。在此，以某LNG儲罐為例，采用DNV Phast軟件模擬了泄漏擴散情況，分析了不同工況條件下LNG的氣體擴散、閃燃范圍、爆炸超壓等，為LNG儲氣站的選址、站內布局和儲罐泄漏應急處置提供理論依據和支撐。

1 基礎參數

以某燃氣集團公司下屬某儲氣站的LNG儲罐為例，LNG主要成分為甲烷，質量分數98%，設計壓力為1.25 MPa，儲存溫度為-162 ℃，儲罐容積1 000 m3，充裝系數0.85。采用DNV Phast軟件中的UDM模型模擬氣體擴散情況，UDM模型由Woodward等開發，建立在BM，高斯，P-G等模型的基礎上，可以模擬不同工況下LNG的泄漏擴散后果。

根據APIRP 581—2008《基于風險的檢驗》[2]中關于儲罐通用失效概率的劃分，選取50 mm，100 mm和150 mm三種泄漏孔徑，泄漏系數0.6，泄漏點離地高度為1 m，釋放方向為水平。假定泄漏發生后站內操作和消防人員在10 min之內趕到事故現場來處理，泄漏持續時間定為10 min。LNG的爆炸上限UEL為15%，下限LEL為5%，50%的LEL為2.5%，根據APIRP581中關于事故評定的要求，在有通風條件的建筑內，氣體擴散的濃度不得超過LEL的50%。

此外，氣體擴散的程度與大氣穩定度、風速、相對濕度、大氣溫度等關系較大，根據Pasquill-Gifford擴散模型對大氣穩定度的劃分，結合當地氣象局提供的全年氣象資料，將泄漏工況定為夏季和冬季兩種，夏季風速為2.5 m/s，大氣穩定度D；冬季風速為4 m/s，大氣穩定度為C。

2 LNG泄漏結果與分析

2.1 氣體擴散分析

LNG發生泄漏時，由于釋放出的液體溫度遠低于LNG在常溫常壓下的沸點，其中甲烷的沸點最低，最先氣化，隨后乙烷和丙烷等重質組分也氣化，氣體與空氣混合迅速形成蒸氣云擴散。模擬泄漏孔徑d為50 mm，100 mm和150 mm時不同的影響范圍，得到蒸氣云擴散的最遠順風距離L分別為7.8 m，18.8 m，79.6 m，說明d越大，氣體擴散體積分數φ及影響范圍也越大，不同泄漏孔徑下φ和L的關系如圖1所示。對照不同d值下的側視圖，d越大，氣體擴散形成的云團近似直徑r和L也越大，這是由于LNG泄漏屬于噴射泄漏，具有較大的初速度，d越大，單位時間內泄漏的氣體總量越多，向兩側擴散的趨勢越大。不同泄漏孔徑下r和L的關系如圖2所示。

圖1 不同泄漏孔徑下φ和L的關系示意(夏季)

圖2 不同泄漏孔徑下r和L的關系示意(夏季)

以100 mm泄漏孔徑為例，考察夏季和冬季兩種氣候條件下r和L的關系如圖3所示。

圖3 夏季和冬季r和L的關系示意

夏季擴散的r為1.8 m，L為18.8 m；冬季擴散的r為1.4 m，L為13.7 m，冬季的氣體擴散范圍遠小于夏季，這是由于風對氣云有一定的剪切和卷吸作用，氣云內部產生湍流，風速越大，大氣的輸送強度和湍流效應越強，稀釋作用也越強，因為風向對蒸氣云團的擴散有直接影響，所以儲罐選址的過程中，應優先選擇通風良好的開闊地帶，可在儲罐上風側設置防爆風機等機械通風以加強空氣流通。

2.2 閃燃范圍分析

LNG泄漏后，受周圍環境溫度的影響，液態的蒸發速率很快，當可燃氣體與空氣混合后被點燃形成燃燒而非爆炸狀態，稱為閃燃。閃燃發生在LEL與50%LEL之間，以上述三種泄漏孔徑為例，模擬得到50%LEL時夏季最遠順風距離分別為8.5 m，21.2 m，88.6 m，即閃燃影響范圍分別為8.5 m，21.2 m，88.6 m，不同泄漏孔徑下的閃燃距離值見表1所列。

表1 不同泄漏孔徑下的閃燃距離值

2.3 噴射火危害分析

LNG從泄漏處呈噴射狀噴出，如被點燃將形成噴射火危害，噴射火危害的主要形式為熱輻射強度M和超壓。以三種泄漏孔徑在夏季的工況為例，M呈拋物線趨勢： 當泄漏孔徑為50 mm時，在距離泄漏點7.4 m處，M最大為56.2 kW/m2，輻射最遠距離15.1 m；當泄漏孔徑為100 mm時，在距離泄漏點13.7 m處，M最大為65.2 kW/m2，輻射最遠距離28.1 m；當泄漏孔徑為150 mm時，在距離泄漏點36.1 m處，M最大為85.1 kW/m2，輻射最遠距離73.8 m。不同泄漏孔徑下M和L的關系如圖4所示。

針對熱輻射對人員和設備造成的傷害，提出以下標準和防護措施： 當允許熱輻射強度M1為1.58 kW/m2時，操作人員可以長期停留在任何區域，長時間輻射無不適感；當M1為4.73 kW/m2時，操作人員需要穿著合適的防護服，在發生泄漏時可以停留1～10 min，但輻射20 s以上會感到疼痛；當M1為6.31 kW/m2時，操作人員需要穿著合適的防護服，在發生泄漏時可以停留不超過1 min，輻射10 s以上會造成1度燒傷，輻射1 min會造成全身1%燒傷；當M1為9.46 kW/m2時，操作人員需要穿著合適的防護服，暴露時間不超過幾秒鐘，必須在短時間內立即撤離。

圖4 不同泄漏孔徑下M和L的關系示意

當泄漏氣體接觸到火源后發生爆炸，爆炸超壓對人和設備均會造成重大損失，在該模擬泄漏孔徑為150 mm時，夏季和冬季的爆炸超壓情況，超壓值p和L的關系如圖5所示。當p為0.02～0.03 MPa時，超壓會造成人體輕微挫傷；當p為0.03～0.05 MPa時，超壓會造成人體中等損傷，如聽覺損傷、內臟輕度出血或骨折等；當p為0.05～0.1 MPa時，超壓會造成人體嚴重損傷，主要為內臟重度出血，并一定程度可能引發死亡；當p大于0.1 MPa時，超壓對人體造成的損傷為不可逆，可能會引發大概率死亡。

圖5 150 mm泄漏孔徑下p和L的對應關系示意

3 結束語

LNG是目前最為重要的清潔能源之一，儲罐作為管道沿線的重要組成，需考慮以下幾點：

1)當LNG發生泄漏時，泄漏孔徑越大，氣體擴散的影響范圍也越大，形成的云團寬度和順風距離也越大，所以在儲罐選址的過程中，應優先選擇通風良好的開闊地帶。

2)冬季的氣體擴散范圍遠小于夏季，大風天氣有利于蒸氣云團的擴散，可在儲罐上風側設置防爆風機等機械通風以加強空氣流通。

3)在此僅針對一個儲罐的泄漏擴散后果進行了模擬，實際中往往為多個儲罐組成的儲罐群，不同儲罐之間的泄漏會造成一定協同或拮抗影響，今后應將Fluent，Phast等軟件連用，解決儲罐群泄漏評估問題。