LNG储罐火灾热辐射的安全距离影响因素研究.docx

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LNG储罐火灾热辐射的安全距离影响因素研究

　　24

　　关燃号与石油

　　NA刑FlALGASANDOlL

　　2021年6月

　　LNG储罐火灾热辐射的平安距离

　　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泄漏的危害性和池炽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平安距离影响因素，得到了风速、大气稳定度、泄漏量及围堰尺寸对池

　　炽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；平安距离

　　DOI：

10．3969／j．issn．1006—5539．2021．03．006

　　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50MJ／l【g，火焰外表辐射力为

　　220kW／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。

假设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平安评价一个不可缺少的方面。

　　1LNG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5kW／m2的事故热通量值来确定人员的平安防火

　　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：

2021—10一13

　　基金工程：

内蒙古200×104m3／d天然气液化工程资助（z2021—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

　　OILANDGASTREATlNGANDPROCESSING

　　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

　　。

员工在穿着适宜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10min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

　　灾数学模型的开展方向一棚]。

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，预测结果比拟合理等

　　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／m2；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／（m2·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

　　固体火焰模型的根本原理那么是将没有规那么的火焰

　　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0m／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那么表达在辐射的强度和辐射="对附近人员及设备的影响那么表达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="2021年6月"_x005F_x0033_平安距离影响因素研究="3平安距离影响因素研究"PHAST软件是挪威船级社推出的石化工程危害后="PHAST软件是挪威船级社推出的石化工程危害后"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平安距离的影响，

　　图3表示了当环境风速为1m／s时，LNG储罐破裂，发

　　生池火时不同热辐射强度的影响范围。

　　400．00J．—————+——-一———’

　　目350．001

　　逮300．001

　　型250．001+5kw／m2

　　辩蚓————一一茹溉

　　100．00J

　　50．00J

　　O．00J．．．———．————，————．．．．．．．，．．．．．．．．．．—，———————————、——————一1．002．005．007．00lO．00

　　风速／（m·s“）

　　图2环境风速对热辐射距离的影响

　　，，类别l／D30kw／m

　　√类别l／D9kW／m2

　　类别l仍5kw／m2

　　J

　　图3LNG储罐破裂发生池火的热辐射影响范围俯视图（1m／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～F6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平安距离

　　的最重要因素之一。

重气扩散的情况那么直接影响产生

　　火灾热辐射的影响范围n4’16|。

泄漏量不同，那么液池的半

　　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）5nun25mm50fIlllll00111m2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

　　际工程工程中，要密切监视储罐和管道泄漏情况。

　　3．4围堰尺寸

　　根据GB50183—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

　　OILANDGASTREATINGANDPROCESSING

　　出时间1h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，在工程实际工程中，需结

　　合建设本钱和平安距离的要求，选择适宜的围堰高度，

　　不一定以提高围堰的高度来保障平安距离¨。

　　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

　　工程工程中，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本钱。

因此，在工程中，需结合

　　工程平安距离要求和建设本钱共同确定围堰的高度。

　　参考文献：

　　[1]孙标，郭开华．LNG池炽热辐射模型及平安距离影响因

　　素研究[J]．中国平安科学学报，2021，20（9）：

5l一55．

　　SunBiao．GuoKaihua．Research">