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>