LNG储罐爆炸和火灾危险性定量分析
摘要：分析了液化天然气的爆炸和火灾危险性，通过DNV软件计算了不同爆炸危险源的超压冲击波、储罐泄漏概率和扩散结果，对液化天然气储罐的爆炸和火灾危险性进行了定量危险分析，结果表明储罐罐底结构的设计和平面布置是安全的。
关键词：液化天然气、定量危险性分析、爆炸危险源辨识、超压冲击波、火灾危险。
天然气经过低温液化后即得到液化天然气(LNG),随着国民经济的快速发展，能源需求量高速增长，石油等常规能源的供给压力已经越来越大。同时，由于对环境保护重视的不断提高，以及天然气的液化加工成本不断下降，LNG作为“环境友好”的能源，地位日益上升，市场前景十分广阔。
一、液化天然气火灾、爆炸危险性
液化天然气（LNG)的组成绝大部分是甲烷，其储存温度为-162℃，具有低温、易挥发和易燃易爆的特性。人体接触低温的液化天然气将引起冻伤。泄漏的液化天然气很容易挥发，天然气与空气的混合物具有爆炸性。
LNG为甲B类火灾危险品，具燃爆性，引燃温度482~632℃，遇明火高热易引起燃烧爆炸，与氟、氯等能发生剧烈的化学反应。天然气在爆炸范围内与空气混合，遇到火花可能发生爆炸事故，同时，高浓度的天然气对人体有一定的危害作用。LNG在静电火花、明火火源、雷击、电气火花、机械火花以及爆炸事故等诱发下，均有发生火灾的可能，火灾危险性的大小与危险物质的多少及生产性质、操作管理水平、环境状况等有直接关系。
根据《石油和天然气工程设计防火规范》(GB50183—2004)的有关规定，LNG接收站可能出现的危险环境为爆炸性气体环境，火灾爆炸危险性为：
1)线路截断阀室.甲类生产类别，2区危险区域。
2)输气站场工艺装置区：甲类生产类别；2区危险区域。
根据工艺及站场要求，末站建筑物均为单层。建筑耐火等级为二级。防火和安全疏散均满足《建筑设计防火规范》（GB50016—2006)的要求。沿线阀室属于有爆炸、火灾危险的厂房，其设计除满足各专业的工艺要求外，还需考虑防爆和泄爆的问题。
天然气是一种无色无味的气体，比空气轻；天然气易燃易爆，在空气中的爆炸极限为5%~15.8%(V%)。天然气为窒息性气体，空气中天然气浓度过高时，人可因缺氧而头疼、呼吸困难，甚至昏迷、窒息而死。由于天然气易燃、易爆目.为窒息性气体，当其与空气的混合物达到一定浓度并遇到火源后，就有燃烧爆炸危险；而当其泄漏到操作环境中时，会造成窒息危害。液化天然气储存、输送及气化过程的火灾危险性为甲类。
根据事故调查结果，液化天然气在装卸、储存、气化及输送过程中存在的主要泄漏事故包括：
1)LNG船上储罐管道及阀门发生泄漏；
2)LNG卸船作业过程中发生的泄漏；
3)LNG储罐罐顶管道及阀门发生的泄漏；
4)低压/高压泵和高压外输设备发生的泄漏；
5)接收站及码头上LNG或天然气输送管线发生的泄漏。
液化天然气一旦从管道及阀门泄漏，一小部分立即急剧气化成蒸汽，剩下的泄漏到地面，沸腾气化后与周围的空气混合成冷蒸汽雾，在空气中冷凝形成白烟，再稀释受热后与空气形成爆炸性混合物。形成的爆炸性混合物若遇到点火源，可能引发火灾及爆炸。
泄漏孔径的大小、泄漏方向、点火延迟时间等因素导致天然气管道泄漏引起的火灾爆炸形式不同，有可能会引起垂直喷射火、水平喷射火、闪火等。当系统、压力容器或承压设备处在火灾发生的现场时，系统、压力容器或承压设备内的介质就会受热，体积膨胀，出现超压现象，这些设备受火灾影响越长，所产生的压力就越高，其危险性就越大。
液化天然气泄漏后形成的冷气体在初期比周围空气比重大，易形成云层或层流。泄漏的液化天然气的气化量取决于土壤、大气的热量供给。刚泄漏时气化率很高，一段时间以后趋近于一个常数，这时泄漏的液化天然气就会在地面上形成一种液流。若无围护设施，则泄漏的液化天然气就会沿地面扩散，遇到点火源可引发火灾。
事故状态时设备的安全释放设施排放的液化天然气遇到点火源，也可能引发火灾。
根据事故调查结果，液化天然气卸船、储存、输送及气化过程中产生的火灾爆炸事故主要包括：
1)LNG大量泄漏到地面或水面上形成液池后，被点燃产生的池火灾；
2)LNG输送设施、管线内LNG泄漏时被点燃产生的喷射火灾；
3)LNG泄漏后形成的LNG蒸汽云被点燃产生的闪火；
4)障碍/密闭空间内（如外输装置区）LNG蒸汽云被点燃产生的蒸汽云爆炸事故。
5)输气管线工艺操作压力最高达8.0MPa,且变化较大，因此存在由于过压、疲劳等引起的与压力容器有关的事故。
另外C2及C3+生产、装车过程及储罐储存过程中如泄漏时遇到点火源将会引起火灾、爆炸。
输气站场工艺装置区及线路截断阀室均为甲类火灾危险区域，分属爆炸危险2区，管道输送介质天然气为易燃易爆性气体。
输气管道一旦发生火灾爆炸事故，后果往往较为严重，不仅造成人民生命财产的损失，同时还会带来很严重的社会影响。因此，火灾爆炸事故危险是LNG工程最为突出的危险因素。
近年来，安全生产的设计理念不断提升，除设计中采取的防爆措施之外，还应备有以防万一的手段，尽量贯彻本质安全的理念。LNG存储和输送过程中，爆炸的破坏力主要体现在超压冲击波、高温辐射热、以及高速冲出的容器碎片[1]，其中以超压冲击波的破坏后果最为严重。为了尽量减少超压冲击波造成的安全和经济损失，应在条件许可的条件下，尽量增大设备之间、单元之间的间距。
LNG接收站设计中的总图布置应考虑以下安全原则：
1)满足装置安全施工、操作及维修；
2)提供足够的LNG泄漏收集空间；
3)主要工艺设施间考虑足够的安全间距以免一个区域发生事故时影响其它区域，并考虑消防设施运用的可能性；
4)满足厂区内人员及围墙附近的动物在灾难性或重大事故时安全疏散的要求；
5)考虑LNG池火灾或烃类火灾的热辐射计算结果，降低易燃物料泄漏范围，并考虑蒸汽云爆炸或引燃易燃物气云的事故后果；
6)考虑火源与可能的易燃物释放源的安全距离；将任何灾难性的事故仅限制在一个生产单元内并消除并发事故；
7)保证设备的安全距离，以使当一个设备处于危险状况时另一个设备仍可以正常运转；
8)危险物品应分类存放以防止事故扩大；
9)火灾或爆炸事故时能保护重要设施，如消防水系统、主控室、事故电源、消防站以及有人停留的建筑；
10)火灾时能保证消防人员的紧急撤离及保护紧急停车设施；
11)保证厂区内外人员及设备的安全。
二、定量危险性分析
目前在安全设计中，需通过定量危险分析来确定建筑物受到的爆炸力，以便采取相应的爆炸结构或者加大爆炸源与建筑物之间的距离。
一般来说，定量危险分析的步骤如下：
1)数据收集；
2)潜在的重大爆炸危险源辨识；
3)释放计算；
4)扩散模拟；
5)火灾爆炸模拟；
6)影响评价；
7)提出可行的爆炸防护措施的建议；
8)研究结论和编写报告。
三、工程实例
下面给出两个LNG接收站项目中的爆炸和火灾危险模拟和分析的实际例子。
以LNG接收站1为例，介绍定量危险分析在爆炸事故模拟分析中的应用；以LNG接收站1和LNG接收站2为例，介绍定量危险分析在火灾分析中的应用。具体模拟及分析内容如下：
LNG接收站1：
1)对储罐的罐底结构在有附近可燃气体发生爆炸下进行安全性分析，以确认目前设计压力的可靠性；
2)考察泄漏在罐底引起爆炸的可能性；
3)考察潜在爆炸危险源的喷火、闪火等对安全间距的影响情况。
LNG接收站2:考察潜在爆炸危险源的闪火对安全间距的影响情况。
3.1爆炸事故模拟及分析
LNG接收站接卸由LNG远洋输送船运来的LNG，在LNG储罐内储存，气化后的天然气通过输气管线送至用户。
接收站工程包括LNG卸船、LNG储存系统、BOG处理系统、LNG输送及气化系统、天然气输送系统、LNG汽车装车、火炬放空系统、公用工程系统(a、海水系统；b、仪表风系统；c、氮气系统；d、燃料气系统〉及辅助生产系统。
LNG接收站的主要工艺流程是接收、储存和气化LNG，调压后向干线管道供气，接收站工艺流程框图见图1：
3.1.1爆炸危险源辨识
根据每个工艺设备的下述操作参数进行爆炸危险源辨识：
1)物质的特性（依其可燃性）；
2)容量；
3)操作压力和操作温度。
对LNG接收站1的储罐可能产生影响的爆炸危险源主要有三个：C2+回收罐；工艺处理区；BOG压缩区，而其中以C2+回收罐区发生爆炸的可能性最大。当物料由于阀门及焊口泄漏在空气中扩散，遇点火源时可能发生爆炸，爆炸产生的超压冲击波对储罐产生影响。
3.1.2模拟结果及分析
根据储运工艺提供的热平衡数据、物料平衡数据，利用国际通用的DNV软件中的PHAST模块，并结合以往LNG输送系统发生过的事故教训，对LNG接收站1各种可能的爆炸事故后果进行了定量计算和分析。
1)爆炸超压冲击波的影响
LNG接收站1中潜在爆炸危险源爆炸超压波示意图见图2。
图2的计算结果表明：LNG接收站1中的LNG罐处在140-50mbar的超压冲击波区域间。
在PHAST软件中，假设气云含有足够的能量并且被点燃。由于可燃气云燃烧，能量迅速释放，产生足够的压力，能够造成建筑物结构的破坏。在爆炸分析中，爆炸负荷和冲击波的持续时间用于确定建筑物的设计能否承受特定的超压爆炸水平，爆炸超压冲击波对建筑的影响见表1：
由表1可知，由于LNG接收站1中的LNG罐处在14050mbar的超压冲击波区域间，罐底结构可以承受爆炸冲击的影响，结构安全。
存文献指出，甲烷与空气混合物的爆炸压力峰值为0.66MPa;乙烷与空气混合物的爆炸压力峰值为0.68MPa；丙烷与空气混合物的爆炸压力峰值为0.67MPa;丁烷与空气混合物的爆炸压力峰值为0.69MPa。
文献数据表明，LNG接收站1中的LNG罐处于的超压冲击波区域，罐底结构可以承受爆炸冲击的影响，结构安全。
2)储罐泄漏事故概率及扩散分析
a)储罐泄漏事故的概率分析储罐发生事故的概率如表2所示：
由于安全破裂概率较低不再考虑其可能性。所以取概率最大的25mm泄漏对LNG接收站1中的储罐进行分析。
b)扩散分析
采用PHAST计算：结果见表3:
表3中计算结果表明，乙烷罐及丙烷罐的泄漏扩散不可能在LNG罐底形成爆炸环境。
同时，根据爆炸理论，罐底没有点火源，目前没有发生过，是零概率事件，如果万一有乙烷泄漏到罐底，也不会发生爆炸（不可信事件）。
3.2火灾事故模拟及分析
3.2.1储罐LNG泄漏扩散模拟
采用PHAST计算LNG接收站1和LMG接收站2的罐内LNG泄漏扩散，计算条件见表4:
泄漏扩散计算结果见表5:
表5的计算结果表明，储罐内LNG泄漏扩散，可形成喷火。
3.2.2喷火影响模拟
a)计算输人数据见表6:
b)计算结果见表7:
表7中的计算结果表明，根据两个接收站的实际参数，高压泵及气化器入口间距保证90m之外，平面对LNG储罐是安全的。
四、结语
1)实际生产过程中，产生爆炸事故的原因多样而复杂，爆炸模型和火灾模型难以完全准确描述实际生产过程，爆炸力定量计算以及火灾模拟计算的结果在实际生产中仅供参考。
2)LNG接收站1的LNG储罐附近区域如果发生爆炸，则由于储罐位于140-50mbar的超压冲击波区域间，罐底结构可以承受，结构安全；乙烷罐及丙烷罐的泄漏扩散不可能在接收站1的LNG储罐罐底形成爆炸环境。
3)LNG接收站1和LNG接收站2的罐内LNG泄漏扩散可形成喷火，喷火计算结果表明，两个接收站的平面布置是安全的。
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本文主要内容来自于：张继国、余齐杰(中国石化工程建设有限公司，北京100101)
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