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谢顶杉 廖勇 王非 王科 田东民
文档来源:
中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司 |
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更新时间: 2021年01月07日 |
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24
关燃号与石油
NA刑FlALGASANDOlL
2016年6月
LNG储罐火灾热辐射的安全距离
影响因素研究
谢顶杉廖勇王非王科田东民
中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司, 四川成都610041
摘要:对LNG泄漏的危害性和池火热辐射的理论模型进行了研究,通过DNVPHAsT软件计
算,分析了池火火灾热辐射的安全距离影响因素,得到了风速、大气稳定度、泄漏量及围堰尺寸对池
火热辐射的影响情况和影响程度。研究发现,风速、泄漏量和围堰尺寸对热辐射的影响范围都有不
同程度的影响,其中泄漏量影响最大,而大气稳定度对热辐射的范围影响相对较小。
关键词:储罐;池火;热辐射;评价模型;安全距离
DOI:10.3969/j.issn.1006—5539.2016.03.006
0前言
液化天然气(LNG)具有热值高、体积小、无腐蚀等
特点,是全球公认的清洁能源。随着LNG在工业和民用
领域的应用不断扩大,LNG发生火灾、爆炸事故的概率
也随之增加。因此,研究引起LNG发生火灾、爆炸等事
故的影响范围和影响因素,对指导现场事故的预防和控
制有重要的意义。
LNG常压下沸点值为一162℃,气液体积比约为
625,LNG的燃烧热值达50 MJ/l【g,火焰表面辐射力为
220 kW/m2,爆炸范围为5%一15%¨1。因此,LNG一旦
发生泄漏,会在低洼地带形成液池,液池内液体初始发
生闪蒸气化,会瞬间产生大量蒸气;当蒸气云体积比在
爆炸极限范围内并遇上火源时,便发生蒸气云爆炸事
故。若蒸气云正好处于液池上方,便会迅速向液池回火
燃烧,形成池火火灾口1;池火火焰及热辐射将对周边人
员、设备和设施产生严重危害。分析研究LNG池火火灾
热辐射等危害是LNG安全评价一个不可缺少的方面。
1 LNG泄漏的危险性分析
LNG发生泄漏不仅会产生蒸气云爆炸事故和池火
火灾,还会产生其他危害¨叫1。
甲烷是一种低毒性、窒息性的气体。大量LNG从
LNG储罐或者LNG输送管道的破损口溢出气化。即使
没有遇到火源,但是仍然会导致空气中甲烷的浓度非常
高,进而对工厂巡检人员、应急人员或者其他可能暴露
于正急剧扩散的天然气气团中的人员造成窒息伤害;而
且超低温LNG还会对泄漏区域附近的人员或设备产生
低温灼伤或者低温破坏。
一般来说,气体的燃烧和爆炸都能产生热负荷和压
力负荷。通常用火灾造成的热辐射损害的等级来区分
和建立火灾危险区。对于热负荷,美国国家防火协会推
荐用5 kW/m2的事故热通量值来确定人员的安全防火
距离∞】。热辐射在通常情况下的损害等级见表l[6】。
天然气正常燃烧时,扩展速度较低,正常条件下不
会产生大的超压情况。当被引燃的蒸气云引起蒸发的
天然气回烧到溢出源时,通常称作“燃烧火球”,如扩散
时遇到严重的湍流,或者周围有阻碍物(例如密集的
设备或者建筑物),或者遇到高压火源,就有可能出
现燃烧速度加快的现象,从而产生较高压力乃至形成
爆炸。
收稿日期:2015—10一13
基金项目:内蒙古200×104m 3/d天然气液化项目资助(z 2014—6)
作者简介:谢顶杉(1983一),男,四川成都人,工程师,硕士,主要从事天然气净化与天然气液化设计工作。
万方数据
表1 热辐射在通常情况下的损害等级表
第34卷第3期
OIL AND GAS TREATlNG AND PROCESSING
i氅热通鼍: 损害类型kW·m。)
“‘⋯、。
对下艺设备包括储罐、化工设备或者机
器有损害
无明火时,点燃木头所需的最小能量值
塑料电缆的绝缘层暴露在外会退化
有明火时点燃木头所需的最小能量值,
塑料管道融化值
。员工在穿着合适工作服的情况下能紧名
。操作持续几分钟
注:事故热通量值基于平均暴露时间10 min计算得到。
2计算模型选择
研究LNG发生池火火灾热辐射影响范围和影响因
素,须结合相关理论知识和实际工程情况,有相关数学
模型作为理论支撑。LNG池火火灾的数学模型主要分
为场模型和半经验模型两类。
场模型,即通过计算流体力学(CFD)模型,(如FDS,
FLuENT等模型),求解N.s方程,并且结合描述火灾情
况的物理、化学过程的子模型,对LNG火灾情况进行预
测,它比传统经验模型具有更高的可信度,也是未来火
灾数学模型的发展方向一棚]。但是场模型的缺点是需要
专业技术人员分析,计算工作量大,不适宜一般工程技
术人员使用⋯,因此不讨论此模型。
半经验模型,是基于过去火灾实验数据得到的经验
公式,主要采用无因次方程关系式来描述火灾特点。这
种模型具有相对简单、使用方便,预测结果比较合理等
优点,因此该类模型在工程风险评价过程中使用广泛。
因此,重点对常用的几种半经验模型进行介绍。
2.1 点源模型
点源模型¨刚的原理是根据牛顿提出的平方反比定
律,即辐射强度与到辐射源距离的平方成反比。假设池
火作为一个热辐射中心点,成半球状形式向周围空间辐
射热量,表达式如下: 口:x血丛攀(1)
4叮Tf‘
式中:q为热辐射强度,kw/m 2;x为热辐射能的比率,无
量纲;D为储罐围堰直径,m;m为质量燃烧速度,
kg/(m 2·s);日为燃烧热,kJ/kg;£为空气透射率;f为下
风向距离,m。
2.2固体火焰模型
固体火焰模型的基本原理则是将没有规则的火焰
形状假定为圆柱形,见图1。圆柱的直径为发生池火的
直径,当风速不为0 m/s时,圆柱体将发生倾斜,与竖直
方向的夹角为口。
油与加工25
风向7∥羚:一<瓣 L-="L-" 且一S="且一S" 图1="图1" 固体火焰模型图="固体火焰模型图" q="q" g="E×r" _x005F_x0033_="3" 对附近人员及设备的影响则体现在辐射的强度和辐射="对附近人员及设备的影响则体现在辐射的强度和辐射" _x005F_x0037_2f="72f" _x005F_x0033_模型在使用中存在未="3模型在使用中存在未" 万方数据="万方数据" 天熟与与石油="天熟与与石油" GAS="GAS" AND="AND" OIL="OIL" _x005F_x0032_016年6月="2016年6月" _x005F_x0033_安全距离影响因素研究="3安全距离影响因素研究" PHAST软件是挪威船级社推出的石化项目危害后="PHAST软件是挪威船级社推出的石化项目危害后" 应用DNV="应用DNV" PHAsT软件进行池火火灾热辐射的分析="PHAsT软件进行池火火灾热辐射的分析" 环境风速="环境风速" 强度的大小影响空气的热传递系数n从经验模型分析="强度的大小影响空气的热传递系数n从经验模型分析" 变口="14],图2表示了环境风速对热辐射安全距离的影响,
图3表示了当环境风速为1 m/s时,LNG储罐破裂,发
生池火时不同热辐射强度的影响范围。
400.00 J .—————+——-一———’
目350.001
逮300.001
型250.001 +5 kw/m2
辩蚓————一一茹溉
100.00J
50.00 J
O.00J...———.————,————.......,..........—,———————————、——————一1.00 2.00 5.00 7.00 lO.00
风速/(m·s“)
图2 环境风速对热辐射距离的影响
,,类别l/D 30kw/m
√类别l/D 9 kW/m2
类别l仍5 kw/m2
J
图3 LNG储罐破裂发生池火的热辐射影响范围俯视图(1 m/s)
3.2大气条件
大气稳定度是表征大气湍流程度的一种半定量方
法。大气稳定度不同,空气中物质的组成不同,空气的
密度也会变化,导致燃烧中心的吸收衰减系数||}不同。
当池火发生在白天或夜间时,其平均光线长度校正系数
有所区别。根据以上理论,表2给出了不同大气稳定度
对热辐射距离的影响。
表2 大气稳定度对热辐射距离的影响
注:热辐射影响距离为到LNG储罐中心的距离。大气稳定度等级一
般分为A~F 6类,A代表非常不稳定(白天),B代表中等不稳定(白
天),C代表轻微不稳定(白天),D代表中性(白天或夜间),E代表稳
定(夜间),F代表非常稳定(夜间)[15I。
通过模拟情况可以看出,大气稳定度对池火火灾热
辐射的范围影响较小。
3.3泄漏孔径
管道发生泄漏时孔径的大小会影响泄漏速率和泄
漏量,泄漏速率是影响稳态情况下重气扩散的安全距离
的最重要因素之一。重气扩散的情况则直接影响产生
火灾热辐射的影响范围n4’1 6|。泄漏量不同,则液池的半
径r就不同,从而影响池火的燃烧强度、燃烧的持续时
间。因此,研究了不同泄漏孔径对热辐射距离的影响,
见表3。
表3 泄漏子L径对热辐射距离的影响
1i同泄漏孔径的热辐射距离/r¨
热辐小.⋯
‘㈧.f11一)5nun 25mm 5 0fIlllll00111m 2吣mn鑫菱
注:热辐射影响距离为到LNG储罐中心的距离。
从表3可看出,泄漏孔径的大小对池火火灾热辐射
的影响非常明显。这是因为孔径的大小,直接影响泄漏
量,孔洞越大,泄漏物资越多,危险区域越大。因此,在实
际工程项目中,要密切监视储罐和管道泄漏情况。
3.4围堰尺寸
根据GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规
范》10.3.5.3中第三条的规定:储罐液位以下配有内置
关闭阀的围堰区,设计泄漏量应按照假设敞开流动及流
通面积等于液位以下接管管口面积,储罐充满时持续流
万方数据
第34卷第3期
OIL AND GAS TREATING AND PROCESSING
出时间1 h的最大量考虑。可见LNG储罐周围通常要设
计围堰,以防止储罐发生泄漏时,液体四处流淌蔓延造
成二次伤害。如发生火灾,还可以防止火焰蔓延到周边
地区⋯‘1⋯。因此,围堰的大小直接影响液池的大小,进
而影响池火的火焰高度H。因此,研究当围堰形式为正
六边形,其容积保持不变时,围堰尺寸对热辐射距离的
影响半径,见表4。
表4 围堰尺寸对热辐射距离的影响半径
注:热辐射影响距离为到LNG储罐中心的距离;n为正六边形边长
m;^为围堰高度,m。
由表4可看出,围堰尺寸对池火火灾热辐射的范围
有一定影响,并且随着围堰高度的增加,火灾热辐射的
影响范围逐渐减小。但随着围堰高度的增加,其减小的
幅度降低,这是因为池火火灾的发生点在液池内,而液
池一般在地面以下,且液池中LNG的量较少,产生的池
火火焰高度不会太高。因此,在工程实际项目中,需结
合建设成本和安全距离的要求,选择合适的围堰高度,
不一定以提高围堰的高度来保障安全距离¨⋯。
4 结论
1)风速和泄漏孑L径的大小对池火火灾热辐射的影
响较大,其中泄漏孑L径的大小影响最大。因此,在实际
工程项目中,要密切关注发生LNG泄漏量的大小。
2)大气稳定度对池火火灾热辐射的影响范围较小。
这是因为大气稳定度主要影响的是LNG泄漏扩散范围,
而池火火灾的发生在LNG泄漏扩散完成后,因此大气稳
定度的影响较小。
3)围堰尺寸对池火火灾热辐射半径有影响,但过高
的围堰尺寸会增加建设成本。因此,在工程中,需结合
工程安全距离要求和建设成本共同确定围堰的高度。
参考文献:
[1]孙标,郭开华.LNG池火热辐射模型及安全距离影响因
素研究[J].中国安全科学学报,2010,20(9):5l一55.
Sun Biao. Guo Kaihua. Research "></瓣>
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