基于火災(zāi)熱輻射分析的LNG加注躉船布置設(shè)計(jì)

周成，金全洲，田宇忠，甘少煒

（1.湖南省水上交通安全指揮監(jiān)控中心，湖南 長沙 410000；2.中國船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，湖北 武漢 430000；3.中國船級(jí)社，北京 100007）

類似于油躉船，LNG 加注躉船為無動(dòng)力裝置的矩形平底非自航船，設(shè)有LNG 儲(chǔ)罐并固定在岸邊為LNG燃料動(dòng)力船舶實(shí)施燃料加注。LNG 加注躉船平面布置涉及LNG 儲(chǔ)罐和設(shè)備的安全保護(hù)、LNG 泄漏的防護(hù)、防止LNG 或其他可燃液體的燃燒爆炸、人員的安全脫險(xiǎn)等方面。其面臨的風(fēng)險(xiǎn)主要來自LNG 泄漏產(chǎn)生的低溫傷害和可燃?xì)怏w混合氣被明火引燃而產(chǎn)生的火災(zāi)或爆炸風(fēng)險(xiǎn)。LNG 加注躉船的甲板布置應(yīng)確保甲板上具有良好的通風(fēng)條件，便于可燃?xì)怏w擴(kuò)散。同時(shí)，應(yīng)將潛在泄漏限制在一定范圍內(nèi)且遠(yuǎn)離甲板室，以減少火災(zāi)熱輻射危害。本文結(jié)合湖南首艘油氣合一200mLNG 加注躉船“湘能源一號(hào)”設(shè)計(jì)方案，研究基于LNG 火災(zāi)熱輻射分析的布置設(shè)計(jì)。

1 LNG 加注躉船的潛在危害

LNG 是一種無色液體，屬于天然氣經(jīng)過脫水、脫硫、脫雜質(zhì)等凈化處理后的液態(tài)形式，主要組份是甲烷（CH4），具有易燃易爆的危險(xiǎn)性，泄漏后果受泄漏特征、泄漏量、環(huán)境條件等影響。相比LNG 散裝運(yùn)輸，LNG加注躉船是一種新生事物，能夠直接借鑒的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少，只能借助LNG 運(yùn)輸船和岸上加注站經(jīng)驗(yàn)及國外研究成果來分析。

對于加注躉船，LNG 泄漏后可能出現(xiàn)的危害及火災(zāi)情形包括低溫影響、閃火、池火、蒸氣云爆炸、噴射火。低溫影響主要源自泄漏時(shí)深冷的LNG（-162℃）在未被引燃時(shí)可能對人員產(chǎn)生低溫凍傷以及對金屬的冷脆傷害。泄漏后延遲點(diǎn)燃的情況下，蒸氣云不會(huì)一次性全部燃燒，試驗(yàn)表明該情況下產(chǎn)生的閃火以10-20m/s 的較低速度傳播，傳至泄漏源形成池火或噴射火。噴射火的泄露源主要為帶壓管路或容器的破孔；池火對應(yīng)的泄漏源為大量泄漏后自然形成的液池或泄漏至圍堰、集液盤等設(shè)施內(nèi)形成的液池。蒸氣云在圍蔽或受限空間被引燃，則會(huì)產(chǎn)生有害超壓，造成蒸氣云爆炸危害。

上述各種危害中，通過配備防護(hù)服、安全培訓(xùn)以及布置構(gòu)造設(shè)計(jì)，可有效控制低溫影響。閃火到達(dá)附近物體的總輻射量通常低于來自相同距離持續(xù)時(shí)間較長的池火或噴射火。由于設(shè)置緊急切斷閥的原因，在較短時(shí)間內(nèi)遇到明火產(chǎn)生噴射火概率低。加注躉船的LNG 補(bǔ)給、供應(yīng)管路及儲(chǔ)罐都設(shè)置在開敞甲板，可燃?xì)怏w蒸氣壓擴(kuò)散受限并遇明火發(fā)生蒸氣云爆炸的概率低。比較而言，池火是最可能發(fā)生、危害后果最嚴(yán)重的一種危害形勢。

2 LNG 池火熱輻射模型

用來模擬LNG池火熱輻射的常用模型有點(diǎn)源模型、Shokri-Beyler 模型及Mudan 模型。點(diǎn)源模型是一種不考慮火焰幾何參數(shù)的簡化模型，此模型假定火的輻射能由一點(diǎn)向外輻射，而不是由代表火焰的理想形狀（如錐形或圓柱形）向外輻射，其所考慮的外界影響因素較少，適用于理論化的趨勢比較，對具體場景的計(jì)算結(jié)果可參考性不高。Shokri-Beyler 模型相對點(diǎn)源模型做了一定的優(yōu)化，其基于輻射體和目標(biāo)之間的角系數(shù)來處理輻射熱流問題。模型假設(shè)池火焰為具有均勻輻射能力的圓柱形實(shí)體輻射源，圓柱形輻射源的直徑等于液池的直徑，高度為池火焰長度，但相關(guān)假設(shè)對實(shí)際場景仍然簡化較大。

Mudan 模型把池火焰看作是一個(gè)垂直（無風(fēng)條件下）或者傾斜（有風(fēng)條件下）的圓柱形輻射源。在Mudan模型中，除了考慮池火焰表面的有效熱輻射通量和被輻射目標(biāo)物與池火焰間的視角關(guān)系，還考慮了大氣透射系數(shù)的影響。對于含有大量黑煙的碳?xì)浠衔锍鼗鹧?，其表面的熱輻射通量?jì)算還考慮了黑體輻射強(qiáng)度、消光系數(shù)及煙塵輻射強(qiáng)度。相對來說Mudan 模型更為準(zhǔn)確，并作為中國船級(jí)社發(fā)布的《油氣定量風(fēng)險(xiǎn)評估指南》[中的推薦模型。該指南中，采用Mudan 模型計(jì)算熱輻射強(qiáng)度，采用Thomas 模型計(jì)算池火火焰高度，采用Bagster 模型計(jì)算大氣熱傳遞系數(shù)，采用Babrauskas 計(jì)算質(zhì)量燃燒效率。相關(guān)計(jì)算模型如下：

式中：Qm——Mudan 模型模型目標(biāo)所在位置的熱輻射強(qiáng)度，W/m；

F——視角系數(shù)，具體計(jì)算可參見TNO 黃皮書相關(guān)章節(jié)，保守值可取1；

SEP——火焰表面熱輻射能，W/m；

SEP——火焰最大表面熱輻射能，W/m；

SEP——煙粒表面輻射能，W/m，對于烴類如天然氣和苯等經(jīng)驗(yàn)值為20×10；

f——熱輻射系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值為0.1～0.4；

H——火焰高度，m；

H——燃燒熱，J/kg；

D——液池直徑，m；

m——質(zhì)量燃燒速率，kg/(m·s)；

k——火焰的吸收衰減系數(shù)，m-1；

x——目標(biāo)至火焰中心水平距離，m；

p——環(huán)境溫度下空氣中的水蒸氣壓力，N/m；

p——環(huán)境溫度下的飽和水蒸汽壓力，N/m；

R——相對濕度；

θ——火焰傾角，°。

有目共睹的是，“薩德”全面爆發(fā)后，訪韓游客急劇下滑，韓妝在華遇冷。但事實(shí)上，韓妝的弊病在“薩德”之前就已顯現(xiàn)，從另一個(gè)角度看，“薩德”也提前催化了韓妝的調(diào)整與變革。

3 LNG 池火熱輻射衡準(zhǔn)

目前國際上有兩種指標(biāo)來評價(jià)LNG火災(zāi)的熱輻射。一種是熱輻射通量kW/m，另一種是包括了熱輻射通量和暴露時(shí)間的mtdu。mtdu=It，I 的單位為kW/m，t 的單位為s。

國際上對LNG 火災(zāi)下人員以及鋼結(jié)構(gòu)可接受熱輻射通量值的規(guī)定不盡相同。對于鋼結(jié)構(gòu)建筑物和設(shè)備，可由目標(biāo)所在位置的熱輻射通量值進(jìn)行衡準(zhǔn)。對于人員來說，評判準(zhǔn)則的熱輻射通量是指自火源到目標(biāo)所在位置的值，而不是人皮膚實(shí)際感受的熱輻射通量。熱輻射會(huì)導(dǎo)致皮膚升溫，當(dāng)人的皮膚達(dá)到41～60℃之間，持續(xù)一定時(shí)間便會(huì)發(fā)生低溫灼傷。我國為完善定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系，全國安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)立項(xiàng)制定，并由國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布了《石油化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評估導(dǎo)則》。中國船級(jí)社綜合考慮國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合自身項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)編寫了《油氣定量風(fēng)險(xiǎn)評估指南》，表1列出了上述指南對可接受熱輻射值的規(guī)定。

表1 熱輻射衡準(zhǔn)

上述導(dǎo)則及指南在編制過程中考慮了國外其他國家或機(jī)構(gòu)對定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)的規(guī)定和國內(nèi)化工企業(yè)及水上LNG 應(yīng)用過程中的現(xiàn)實(shí)性，綜合適應(yīng)性更強(qiáng)。相對于設(shè)備，人員對熱輻射的耐受性低很多，從避免人員熱輻射死亡的角度基于熱輻射定量計(jì)算進(jìn)行躉船人員起居和工作艙室布置，可以更加充分的保證LNG 躉船應(yīng)用過程中的人命安全。按《石油化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評估導(dǎo)則》，避免人員死亡的熱輻射值為4.7-6.3kW/m。按《油氣定量風(fēng)險(xiǎn)評估指南》，避免人員死亡的熱輻射限制為5kW/m。中國船級(jí)社編制的指南不但適用于陸上油氣站場，還適用于水上船舶、海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的后果定量計(jì)算。綜上，本文采用5kW/m作為可接受熱輻射強(qiáng)度進(jìn)行火災(zāi)危害距離分析。

4 躉船火災(zāi)危險(xiǎn)距離分析及甲板布置

200mLNG 加注躉船“湘能源一號(hào)”的結(jié)構(gòu)布置為單底雙舷、單甲板全鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)，船底、甲板、舷側(cè)結(jié)構(gòu)形式為縱骨架式。船體材料用CCSA 級(jí)鋼。該船主甲板以下設(shè)6 道水密橫艙壁，3 道縱艙壁。主甲板臨岸面設(shè)置鋼引橋連接裝置，臨江面設(shè)置活動(dòng)登船梯，臨江面設(shè)置帶纜樁，前后設(shè)置錨泊系固，用于躉船連接固定，并在甲板上設(shè)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)排放接頭。主甲板FR.12-FR.54 為氣罐區(qū)，其上設(shè)兩個(gè)真空絕熱C 型獨(dú)立儲(chǔ)罐，每個(gè)儲(chǔ)罐容積為100m；FR.54-FR.92 為貨油及隔離區(qū)；FR.92-FR.117 為甲板室，包括貨控室、人員休息室、配電間、值班室及其他相關(guān)功能性起居處所。

就LNG 系統(tǒng)而言，躉船LNG 儲(chǔ)罐可由岸上LNG槽車補(bǔ)給，也可由水上移動(dòng)LNG 加注船進(jìn)行補(bǔ)給。LNG 加注系統(tǒng)的輸送泵、閥件、傳感器、儀表等均布置在液貨艙接頭處所內(nèi)，液貨艙接頭處所布置在前述氣罐區(qū)域內(nèi)，由不銹鋼材料制造。在臨江面設(shè)置一臺(tái)軟管吊，用于吊裝LNG 加注軟管和接頭。FR.23 以及FR.47 臨江側(cè)分別設(shè)置補(bǔ)給管路接口和加注管路接口，用以為該船貨罐補(bǔ)給LNG 以及由該船為燃料動(dòng)力船舶加注LNG。

該船按中國船級(jí)社《液化天然氣燃料加注躉船入級(jí)與建造規(guī)范》的要求設(shè)計(jì)建造。如前所述，LNG 系統(tǒng)相關(guān)儀表、閥件均設(shè)置在液貨艙接頭處所內(nèi)。按規(guī)范要求，液貨艙接頭處所為氣密性結(jié)構(gòu)，由耐低溫材料制造，能安全容納相關(guān)儀表、閥件泄漏的LNG。液貨艙接頭處所設(shè)有滿足規(guī)范要求的通風(fēng)、監(jiān)測、報(bào)警系統(tǒng)，可不考慮該處所內(nèi)的火災(zāi)場景。由上，加注及補(bǔ)給接口為該船的主要泄漏源，故在補(bǔ)給管路接口和加注管路接口下分別設(shè)置尺寸為950×1250mm 和800×700mm 的集液盤，以承接補(bǔ)給、加注過程中可能泄露的LNG。

如前所述，加注過程中泄露的LNG 承接在集液盤中，一旦被引燃，則形成液池大小為集液盤尺寸的池火。本文偏保守的采用集液盤對角線長度作為液池等效直徑進(jìn)行計(jì)算，即補(bǔ)給接口處液池直徑取1570mm，加注接口處液池直徑取1060mm。該船布置在長沙地區(qū)，根據(jù)文獻(xiàn)中的氣象數(shù)據(jù)，下文計(jì)算過程中實(shí)體火焰模型采用的風(fēng)速為2.5m/s。

按本文所述實(shí)體火焰模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 火災(zāi)熱輻射計(jì)算結(jié)果

實(shí)體火焰模型考慮的風(fēng)速為2.5m/s，大氣溫度取15℃，大氣濕度0.7，環(huán)境空氣密度1.224kg/m。由此，對于補(bǔ)給口處池火，計(jì)算得到的火焰長度為5.29m，火焰水平方向投影長度為4.26m；對于加注口處池火，計(jì)算得到的火焰長度為3.92m，火焰水平方向投影長度為3.21m。本文偏保守的假定甲板室位于液池下風(fēng)向。

由前所述，該船為油氣合一LNG 加注躉船，為減少火災(zāi)熱輻射傷害對人員的潛在傷害，在LNG 儲(chǔ)罐區(qū)域與甲板室間設(shè)置隔離艙及貨油艙，使得補(bǔ)給口集液盤與甲板室端壁間的距離為34.5m，加注口集液盤與甲板室端壁間的距離為22.5m，確保甲板室區(qū)域遠(yuǎn)離火災(zāi)熱輻射傷害范圍。

5 結(jié)論

（1）水上LNG 加注躉船甲板布置過程中，甲板室應(yīng)遠(yuǎn)離潛在泄露源。使用5kW/m作為熱輻射可接受衡準(zhǔn)可有效保證人命安全。

（2）Mudan 實(shí)體火焰模型除了考慮池火焰表面的有效熱輻射通量和被輻射目標(biāo)物與池火焰間的視角關(guān)系，還考慮了大氣透射系數(shù)的影響。對于含有大量黑煙的碳?xì)浠衔锍鼗鹧?，其表面的熱輻射通量?jì)算還考慮了黑體輻射強(qiáng)度、消光系數(shù)及煙塵輻射強(qiáng)度。建議使用該模型進(jìn)行火災(zāi)熱輻射分析計(jì)算。

（3）火災(zāi)模型計(jì)算過程中應(yīng)盡可能考慮評估對象所在位置的環(huán)境條件，通過偏保守的計(jì)算分析火災(zāi)熱輻射傷害范圍。

（4）實(shí)體火災(zāi)模型無法考慮障礙物如水幕、隔熱擋板等對熱輻射的影響。如要精確分析不同隔熱措施對火災(zāi)熱輻射的影響，建議使用基于計(jì)算流體力學(xué)的火災(zāi)后果分析方法進(jìn)行計(jì)算。