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LNG儲罐火災熱輻射的安全距離影響因素研究

文檔作者：謝頂杉廖勇王非王科田東民文檔來源：中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司		點擊數：	更新時間： 2021年01月07日
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24
關燃號與石油
NA刑FlALGASANDOlL
2016年6月
LNG儲罐火災熱輻射的安全距離
影響因素研究
謝頂杉廖勇王非王科田東民
中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司， 四川成都610041
摘要：對LNG泄漏的危害性和池火熱輻射的理論模型進行了研究，通過DNVPHAsT軟件計
算，分析了池火火災熱輻射的安全距離影響因素，得到了風速、大氣穩定度、泄漏量及圍堰尺寸對池
火熱輻射的影響情況和影響程度。研究發現，風速、泄漏量和圍堰尺寸對熱輻射的影響范圍都有不
同程度的影響，其中泄漏量影響最大，而大氣穩定度對熱輻射的范圍影響相對較小。
關鍵詞：儲罐；池火；熱輻射；評價模型；安全距離
DOI：10．3969／j．issn．1006—5539．2016．03．006
0前言
液化天然氣(LNG)具有熱值高、體積小、無腐蝕等
特點，是全球公認的清潔能源。隨著LNG在工業和民用
領域的應用不斷擴大，LNG發生火災、爆炸事故的概率
也隨之增加。因此，研究引起LNG發生火災、爆炸等事
故的影響范圍和影響因素，對指導現場事故的預防和控
制有重要的意義。
LNG常壓下沸點值為一162℃，氣液體積比約為
625，LNG的燃燒熱值達50 MJ／l【g，火焰表面輻射力為
220 kW／m2，爆炸范圍為5％一15％¨1。因此，LNG一旦
發生泄漏，會在低洼地帶形成液池，液池內液體初始發
生閃蒸氣化，會瞬間產生大量蒸氣；當蒸氣云體積比在
爆炸極限范圍內并遇上火源時，便發生蒸氣云爆炸事
故。若蒸氣云正好處于液池上方，便會迅速向液池回火
燃燒，形成池火火災口1；池火火焰及熱輻射將對周邊人
員、設備和設施產生嚴重危害。分析研究LNG池火火災
熱輻射等危害是LNG安全評價一個不可缺少的方面。
1 LNG泄漏的危險性分析
LNG發生泄漏不僅會產生蒸氣云爆炸事故和池火
火災，還會產生其他危害¨叫1。
甲烷是一種低毒性、窒息性的氣體。大量LNG從
LNG儲罐或者LNG輸送管道的破損口溢出氣化。即使
沒有遇到火源，但是仍然會導致空氣中甲烷的濃度非常
高，進而對工廠巡檢人員、應急人員或者其他可能暴露
于正急劇擴散的天然氣氣團中的人員造成窒息傷害；而
且超低溫LNG還會對泄漏區域附近的人員或設備產生
低溫灼傷或者低溫破壞。
一般來說，氣體的燃燒和爆炸都能產生熱負荷和壓
力負荷。通常用火災造成的熱輻射損害的等級來區分
和建立火災危險區。對于熱負荷，美國國家防火協會推
薦用5 kW／m2的事故熱通量值來確定人員的安全防火
距離∞】。熱輻射在通常情況下的損害等級見表l[6】。
天然氣正常燃燒時，擴展速度較低，正常條件下不
會產生大的超壓情況。當被引燃的蒸氣云引起蒸發的
天然氣回燒到溢出源時，通常稱作“燃燒火球”，如擴散
時遇到嚴重的湍流，或者周圍有阻礙物(例如密集的
設備或者建筑物)，或者遇到高壓火源，就有可能出
現燃燒速度加快的現象，從而產生較高壓力乃至形成
爆炸。
收稿日期：2015—10一13
基金項目：內蒙古200×104m 3／d天然氣液化項目資助(z 2014—6)
作者簡介：謝頂杉(1983一)，男，四川成都人，工程師，碩士，主要從事天然氣凈化與天然氣液化設計工作。
萬方數據
表1 熱輻射在通常情況下的損害等級表
第34卷第3期
OIL AND GAS TREATlNG AND PROCESSING
i氅熱通鼉： 損害類型kW·m。)
“‘?、。
對下藝設備包括儲罐、化工設備或者機
器有損害
無明火時，點燃木頭所需的最小能量值
塑料電纜的絕緣層暴露在外會退化
有明火時點燃木頭所需的最小能量值，
塑料管道融化值
。員工在穿著合適工作服的情況下能緊名
。操作持續幾分鐘
注：事故熱通量值基于平均暴露時間10 min計算得到。
2計算模型選擇
研究LNG發生池火火災熱輻射影響范圍和影響因
素，須結合相關理論知識和實際工程情況，有相關數學
模型作為理論支撐。LNG池火火災的數學模型主要分
為場模型和半經驗模型兩類。
場模型，即通過計算流體力學(CFD)模型，(如FDS，
FLuENT等模型)，求解N．s方程，并且結合描述火災情
況的物理、化學過程的子模型，對LNG火災情況進行預
測，它比傳統經驗模型具有更高的可信度，也是未來火
災數學模型的發展方向一棚]。但是場模型的缺點是需要
專業技術人員分析，計算工作量大，不適宜一般工程技
術人員使用?，因此不討論此模型。
半經驗模型，是基于過去火災實驗數據得到的經驗
公式，主要采用無因次方程關系式來描述火災特點。這
種模型具有相對簡單、使用方便，預測結果比較合理等
優點，因此該類模型在工程風險評價過程中使用廣泛。
因此，重點對常用的幾種半經驗模型進行介紹。
2．1 點源模型
點源模型¨剛的原理是根據牛頓提出的平方反比定
律，即輻射強度與到輻射源距離的平方成反比。假設池
火作為一個熱輻射中心點，成半球狀形式向周圍空間輻
射熱量，表達式如下： 口：x血叢攀(1)
4叮Tf‘
式中：q為熱輻射強度，kw／m 2；x為熱輻射能的比率，無
量綱；D為儲罐圍堰直徑，m；m為質量燃燒速度，
kg／(m 2·s)；日為燃燒熱，kJ／kg；￡為空氣透射率；f為下
風向距離，m。
2．2固體火焰模型
固體火焰模型的基本原理則是將沒有規則的火焰
形狀假定為圓柱形，見圖1。圓柱的直徑為發生池火的
直徑，當風速不為0 m／s時，圓柱體將發生傾斜，與豎直
方向的夾角為口。
油與加工25
風向7∥羚：一<瓣 L-="L-" 且一S="且一S" 圖1="圖1" 固體火焰模型圖="固體火焰模型圖" q="q" g="E×r" _x005F_x0033_="3" 對附近人員及設備的影響則體現在輻射的強度和輻射="對附近人員及設備的影響則體現在輻射的強度和輻射" _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" 萬方數據="萬方數據" 天熟與與石油="天熟與與石油" GAS="GAS" AND="AND" OIL="OIL" _x005F_x0032_016年6月="2016年6月" _x005F_x0033_安全距離影響因素研究="3安全距離影響因素研究" PHAST軟件是挪威船級社推出的石化項目危害后="PHAST軟件是挪威船級社推出的石化項目危害后" 應用DNV="應用DNV" PHAsT軟件進行池火火災熱輻射的分析="PHAsT軟件進行池火火災熱輻射的分析" 環境風速="環境風速" 強度的大小影響空氣的熱傳遞系數n從經驗模型分析="強度的大小影響空氣的熱傳遞系數n從經驗模型分析" 變口="14]，圖2表示了環境風速對熱輻射安全距離的影響，
圖3表示了當環境風速為1 m／s時，LNG儲罐破裂，發
生池火時不同熱輻射強度的影響范圍。
400．00 J ．—————+——-一———’
目350．001
逮300．001
型250．001 +5 kw／m2
辯蚓————一一茹溉
100．00J
50．00 J
O．00J．．．———．————，————．．．．．．．，．．．．．．．．．．—，———————————、——————一1．00 2．00 5．00 7．00 lO．00
風速／(m·s“)
圖2 環境風速對熱輻射距離的影響
，，類別l／D 30kw／m
√類別l／D 9 kW／m2
類別l仍5 kw／m2
J
圖3 LNG儲罐破裂發生池火的熱輻射影響范圍俯視圖(1 m／s)
3．2大氣條件
大氣穩定度是表征大氣湍流程度的一種半定量方
法。大氣穩定度不同，空氣中物質的組成不同，空氣的
密度也會變化，導致燃燒中心的吸收衰減系數||}不同。
當池火發生在白天或夜間時，其平均光線長度校正系數
有所區別。根據以上理論，表2給出了不同大氣穩定度
對熱輻射距離的影響。
表2 大氣穩定度對熱輻射距離的影響
注：熱輻射影響距離為到LNG儲罐中心的距離。大氣穩定度等級一
般分為A～F 6類，A代表非常不穩定(白天)，B代表中等不穩定(白
天)，C代表輕微不穩定(白天)，D代表中性(白天或夜間)，E代表穩
定(夜間)，F代表非常穩定(夜間)[15I。
通過模擬情況可以看出，大氣穩定度對池火火災熱
輻射的范圍影響較小。
3．3泄漏孔徑
管道發生泄漏時孔徑的大小會影響泄漏速率和泄
漏量，泄漏速率是影響穩態情況下重氣擴散的安全距離
的最重要因素之一。重氣擴散的情況則直接影響產生
火災熱輻射的影響范圍n4’1 6|。泄漏量不同，則液池的半
徑r就不同，從而影響池火的燃燒強度、燃燒的持續時
間。因此，研究了不同泄漏孔徑對熱輻射距離的影響，
見表3。
表3 泄漏子L徑對熱輻射距離的影響
1i同泄漏孔徑的熱輻射距離／r¨
熱輻小．?
‘㈧．f11一)5nun 25mm 5 0fIlllll00111m 2吣mn鑫菱
注：熱輻射影響距離為到LNG儲罐中心的距離。
從表3可看出，泄漏孔徑的大小對池火火災熱輻射
的影響非常明顯。這是因為孔徑的大小，直接影響泄漏
量，孔洞越大，泄漏物資越多，危險區域越大。因此，在實
際工程項目中，要密切監視儲罐和管道泄漏情況。
3．4圍堰尺寸
根據GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規
范》10．3．5．3中第三條的規定：儲罐液位以下配有內置
關閉閥的圍堰區，設計泄漏量應按照假設敞開流動及流
通面積等于液位以下接管管口面積，儲罐充滿時持續流
萬方數據
第34卷第3期
OIL AND GAS TREATING AND PROCESSING
出時間1 h的最大量考慮。可見LNG儲罐周圍通常要設
計圍堰，以防止儲罐發生泄漏時，液體四處流淌蔓延造
成二次傷害。如發生火災，還可以防止火焰蔓延到周邊
地區?‘1?。因此，圍堰的大小直接影響液池的大小，進
而影響池火的火焰高度H。因此，研究當圍堰形式為正
六邊形，其容積保持不變時，圍堰尺寸對熱輻射距離的
影響半徑，見表4。
表4 圍堰尺寸對熱輻射距離的影響半徑
注：熱輻射影響距離為到LNG儲罐中心的距離；n為正六邊形邊長
m；^為圍堰高度，m。
由表4可看出，圍堰尺寸對池火火災熱輻射的范圍
有一定影響，并且隨著圍堰高度的增加，火災熱輻射的
影響范圍逐漸減小。但隨著圍堰高度的增加，其減小的
幅度降低，這是因為池火火災的發生點在液池內，而液
池一般在地面以下，且液池中LNG的量較少，產生的池
火火焰高度不會太高。因此，在工程實際項目中，需結
合建設成本和安全距離的要求，選擇合適的圍堰高度，
不一定以提高圍堰的高度來保障安全距離¨?。
4 結論
1)風速和泄漏孑L徑的大小對池火火災熱輻射的影
響較大，其中泄漏孑L徑的大小影響最大。因此，在實際
工程項目中，要密切關注發生LNG泄漏量的大小。
2)大氣穩定度對池火火災熱輻射的影響范圍較小。
這是因為大氣穩定度主要影響的是LNG泄漏擴散范圍，
而池火火災的發生在LNG泄漏擴散完成后，因此大氣穩
定度的影響較小。
3)圍堰尺寸對池火火災熱輻射半徑有影響，但過高
的圍堰尺寸會增加建設成本。因此，在工程中，需結合
工程安全距離要求和建設成本共同確定圍堰的高度。
參考文獻：
[1]孫標，郭開華．LNG池火熱輻射模型及安全距離影響因
素研究[J]．中國安全科學學報，2010，20(9)：5l一55．
Sun Biao． Guo Kaihua． Research "></瓣>

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