基于PHAST软件的LNG储配站储罐泄漏扩散分析

周玉希 蔡治勇

(重庆科技学院安全工程学院，重庆 401331)

LNG(liquefied natural gas)是一种清洁、高效的能源，主要成分是甲烷。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1600，大大节约了储运空间，而且具有热值大、性能高等特点，使天然气的应用方式更灵活、范围更广。天然气作为清洁能源越来越受到青睐，很多国家都将LNG列为首选燃料，现正以每年约12%的速度增长，成为全球增长最迅猛的能源行业之一。随着天然气工业的大发展，LNG储配站凭借其建设周期短、储气量大以及能迅速满足用气市场需求的优势，作为城镇的备用、调峰气源或者过度气源，目前得到较为广泛的建设和应用。LNG储配站储罐贮存着大量的液化天然气，属于易燃易爆场所，一旦发生泄漏，容易发生火灾爆炸，造成人员伤亡、财产损失，对周边环境产生严重破坏。

1 某LNG储配站的危险性分析

1.1 某LNG储配站工程概况

100 m3LNG储罐一座、配套液化天然气接卸装置、城镇燃气输配装置、LNG储配站公用工程及辅助设施等。

1.2 危险性分析

LNG无色、无臭、无毒且无腐蚀性，主要成分为甲烷，是一种易燃易爆的气体。LNG的燃点和沸点都很低(见表1)，最小点火能为0.28 MJ。LNG泄漏后，会吸收周围介质的热量迅速蒸发，和空气混合后，温度只要达到550℃就能燃烧。LNG极易燃烧，表面辐射通量很高，发生火灾爆炸后很难控制，对周边环境具有极强的破坏性［3］。因此LNG泄漏时应首先考虑其可能产生火灾爆炸的区域。

表1 LNG的理化参数

2 PHAST软件模拟过程

2.1 PHAST软件介绍

PHAST(Process Hazard Analysis Software Tool)软件是由DNV(挪威船级社)公司开发的专门用于石油石化和天然气领域危险分析和安全计算的软件，已得到全世界许多国家的广泛运用和认可。PHAST软件内嵌了燃烧(包括池火、喷射火和沸腾液体扩展为蒸汽爆炸)、泄漏和扩散、爆炸和毒气扩散4种计算模型。

PHAST软件计算范围较广，能够快速地得出模拟事故的各种数据，计算结果与实验数据也较为吻合［5］。通过对发生事故时的真实场景输入，包括设备类型、物质种类、存储参数、泄漏方式、周围环境(大气温度、湿度、稳定度、风速)等设置，即可利用PHAST软件模拟石油化工装置可能发生的火灾爆炸事故的影响范围及程度［3］。其中泄漏和扩散模块采用 UDM 模型［3］。

2.2 UDM模型

UDM模型(Unified Dispersion Mode1)是PHAST软件中用于计算泄漏和扩散的模型。通过参数输入和计算能够得出发生事故之后的安全区域、易燃易爆区域、准危险区域。为安全技术人员及安全管理人员采取相应应急措施提供重要参考信息，帮助减小事故带来的影响。

UDM模型主要模拟有限时间的泄漏。它假定泄漏速度在一个有限的时间内是一个常量。UDM模型包括2个子模型:准瞬时模型(Quasi－instantaneous model)和有限时间修正模型(Finite－duration－correction model)。

准瞬时模型主要模拟一个连续释放源的初始阶段(忽略下风向的垂直和水平扩散)。当云的宽度相对于长度变成“大”的时候，蒸气云就取而代之地成为一个“等效的”圆形云团，随后的阶段继续被模拟成一个“瞬时的”圆形云团，如图1、图2所示。

图1 准瞬时泄漏模型

有限时间修正模型是基于从SLAB扩散模型派生出的HGSYSTEM公式。有限时间修正模型有一个更好的科学依据，它逐步考虑顺风扩散的影响，包括湍流的传播和垂直的风切变。该模型的局限性是它只适用于地面的无压力释放，并且没有明显的凝雨散落物。此外，它只能预测最高浓度(地面中心线)，如图3所示。

图2 准瞬时泄漏的过程

图3 有限时间修正模型

UDM模型适用范围较广，任何泄漏方式都可采用PHAST软件对气体泄漏扩散的过程以及造成的影响进行描述，其模拟结果与现实场景接近，具有很强的准确性和直观性。

2.3 参数设置

LNG成分复杂，进行危害定量分析时需要取其代表成分进行简化。LNG主要成分为甲烷，因此计算时选取甲烷作为危险物质进行后果模拟［5］。

某LNG储配站储罐的储存压力为0.2 MPa，储存温度为－162℃，储罐容积为100 m3。

由于对连续孔径尺寸进行计算是不现实的，根据API581的推荐，采用孔径尺寸为6.35、25.4、102 mm和完全破裂(＞152.4 mm)这4种情况进行后果模拟。根据LNG储配站工艺设备的实际情况，选择6.35 mm和完全破裂(＞152.4 mm)进行后果模拟分析［5］。

泄漏事故的后果模拟应考虑天气情况、风速、大气稳定度、气温和湿度等因素对气体扩散产生的燃烧爆炸区域的影响。

某LNG储配站所在地区的年平均风速为3.5 ms，年平均气温为17.1℃，年平均湿度为80%，大气稳定度为稳定。

3 PHAST软件模拟结果分析

FHAST软件模拟的喷射火影响范围如图4所示。

喷射火的危害定量分析结果如表2所示。

3.1 喷射火的危害定量分析结果

图4 喷射火影响范围

表2 喷射火的危害定量分析结果

3.2 蒸汽云爆炸的危害定量分析结果

FHAST软件模拟的可燃蒸汽云爆炸的影响范围如图5、图6所示。

蒸汽云爆炸的危害定量分析结果如表3所示。

3.3 闪火的危害定量分析结果

FHAST软件模拟的闪火的影响范围如图7所示。

图5 泄漏孔径为6.35 mm时可燃蒸汽云爆炸影响范围

图6 破裂时可燃蒸汽云爆炸影响范围

表3 蒸汽云爆炸的危害定量分析结果

闪火的危害定量分析结果如表4所示。

表4 闪火的危害定量分析结果

图7 闪火的影响范围

4 结论

(1)用PHAST软件模拟LNG储配站储罐泄漏扩散是一种行之有效的方法，能有效的对泄漏扩散影响区域范围进行定量描述，准确性高［8］。

(2)LNG储配站储罐泄漏一旦发生火灾爆炸会造成严重后果。对比文中给出的喷射火、蒸汽云爆炸及闪火对人和周边环境的影响程度可以得出，蒸汽云爆炸产生的冲击波影响范围要大于喷射火和闪火产生的辐射强度的影响范围。

(3)不同孔径尺寸的泄漏所造成的事故后果严重程度也不同。孔径越大，泄漏的危险物质越多，气体扩散的面积随之增大，热辐射强度和冲击波影响程度增大，危险区域也随之扩大。

(4)控制点火源，严格执行动火规则;做好防雷措施，严格执行消防法规;加强安全生产宣传教育，增强员工安全意识。充分考虑安全防护距离，划分危险区域，加强安全管理和日常监测，做好设备设施的维护检修。

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