液化石油气储罐事故后果分析

许贵贤

(福建船政交通职业学院，福建福州 350007)

液化石油气储罐事故后果分析

许贵贤

(福建船政交通职业学院，福建福州 350007)

液化石油气是我国城镇燃气的主要气源之一，具有易燃易爆性，如果泄漏至空气中，可能产生火灾爆炸等事故。文章以液化石油气储配站的液化气储罐为例，对其发生喷射火、蒸汽云爆炸、沸腾液体扩展蒸汽云爆炸三种事故进行后果模拟分析，计算发生三种事故造成人员伤亡和设备损坏的危害区域，并提出建议和对策。研究结果可为同类液化石油气气源厂和液化石油气储罐使用企业进行安全管理提供科学依据和参考，有利于帮助企业制定防范措施以及事故应急救援预案，从而减少人员伤亡及财产损失。

液化石油气储罐;火灾;爆炸;事故后果分析

长期以来，液化石油气都是我国城镇燃气的主要气源之一［1］，它是由多种烃类气体组成的混合物，主要成分是含有3个碳原子和4个碳原子的碳氢化合物，根据《石油化工企业设计防火规范》的规定，属于甲A类易燃易爆物质。液化石油气在常温常压下呈气态，但在加压和冷却时很容易变为液态，其体积仅为原来的1/200～1/300，一旦泄漏，将迅速降压气化，气态的液化石油气比空气重，泄漏出来后在低洼处聚集，与空气形成爆炸性混合物。液化石油气爆炸极限范围广，爆炸下限低，极易形成爆炸条件，且所需爆炸能量小，极微小的火种都足以引起其燃烧或爆炸。液化石油气的储运设备为压力容器，有很大的火灾爆炸危险性，如果在工业生产或存储中因为管理不当或设备故障可能造成火灾爆炸事故，将对人民群众生命财产和社会公共安全构成极大的威胁，其安全可靠运行与否，已成为众所关注的问题，是燃气企业安全生产的重点控制对象，也是燃气行业监管部门的主要监控对象。

事故后果分析是一种对危险源预测和控制的有效方法，它通过估计重大事故发生后会有哪些不良的影响，以及这些不良影响所造成的伤亡、损害的严重性，来为人们提出防范措施提供依据。在事故后果分析模型中，火灾爆炸事故模型主要包括池火灾、喷射火灾、沸腾液体扩展蒸汽爆炸和未封闭蒸汽云爆炸四种［2］。池火灾是一种从容器或其他设备泄漏出去的易(可)燃物，在地面上或水面上形成液池，液池遇火源或高温而被引燃的火灾。液化石油气的主要成分为丙烷、丁烷，丙烷和丁烷的沸点分别为－42.7℃和－0.5℃［1］，常温下，一旦泄漏，迅速在空气中汽化，不能形成液池，发生液池火灾的可能性极小。因此，本文主要分析喷射火灾、沸腾液体扩展蒸汽爆炸和未封闭蒸汽云爆炸三种危害，以某液化石油气储配站储罐组为例，对液化石油气储罐发生火灾或爆炸事故所造成的事故后果进行模拟分析，预测液化石油气储罐可能发生的事故造成的后果和影响区域。

1 液化石油气储罐可能发生的事故后果分析模型

1.1 喷射火灾模型

从破裂的开口(如法兰)或管路喷射出易燃性液体或气体而被引燃的火灾，即喷射火灾。本文所用的喷射火辐射热计算方法是一种包括气流在内的喷射扩散模型的扩展。把整个喷射火看成是由沿喷射中心线上的全部点热源组成，每个点热源的热辐射通量相等。从理论上讲，喷射火的火焰长度等于从泄漏口到可燃混合气燃烧下限(LFL)的射流轴线长度［3］。点热源数的划分可以是随意的，对危险评价分析一般选取的点热源数为五个。为了简化计算，假设所有的辐射是由一个点源释放的，点源位于地面上，这样得出的结果偏保守。

水平方向距离为x的地方接受到的总热辐射量计算公式［4］为:

式中，η为效率因子，可取0.35;Q0为泄漏速度，kg/s;Hc为燃烧热，J/kg，R为辐射率，可取0.2;x为点热源到目标点的距离，m。

液体泄漏速度可用下式计算:

式中，Cd为泄漏系数，无单位，其取值见表1;A为泄漏口面积，m2;ρ为液体密度，kg/m3;P为液体储存压力，Pa;P0为外界环境压力，Pa;g为重力加速度，9.8m/s2;h为泄漏口上方液体的高度;m。

表1 液体泄漏系数Cd的取值

目标入射热辐射强度反映了入射热辐射通量与受害目标到火源中心距离之间的关系，当入射热辐射通量一定的情况下，可以计算出目标受害距离。不同入射热辐射通量造成伤害或损失对应情况如表2所示。

表2 热辐射的不同入射通量所造成的损失

1.2 蒸汽云爆炸模型［4］［5］

未封闭蒸汽云爆炸是指泄漏出来的介质与空气所形成的混合气体中可燃物质的浓度在爆炸极限范围内，并遇到延迟点火的情况下所导致蒸汽云爆炸。对蒸汽云爆炸进行定量评价的方法主要有两种:TNT当量法和TNO模型法，本文采用TNT当量法计算蒸汽云爆炸产生的危害程度。

(1)计算TNT当量

式中，α为蒸汽云的TNT当量系数，取0.04;Wf为蒸汽云中燃料的总质量，kg;Qf为燃料的燃烧热，kJ/kg;QTNT为TNT的爆炸热，QTNT=4.12～4.69 MJ/kg，一般取4520 kJ/kg。

(2)确定伤害半径

蒸汽云爆炸主要因冲击波造成伤害，因而按超压准则确定人员伤亡区域及财产损失区域［6］。

①死亡半径R1

②重伤半径R2和轻伤半径R3

重伤半径指人员因在冲击波作用下耳膜破裂的概率为0.5的半径，它要求的冲击波峰值超压为44000 Pa;轻伤半径指人员在冲击波作用下耳膜破裂的概率为0.01的半径，它要求的冲击波峰值超压为17000 Pa。应用超压准则，冲击波超压Δp可按以下公式计算:

式中，R为目标到爆炸中心点的水平距离，m，重伤半径和轻伤半径分别用R2和R3表示;ΔPS为引起人员伤害的冲击波峰值超压，Pa，重伤时取44000Pa，轻伤时取17000 Pa;P0为环境压力，取1.013×105Pa;E为爆炸总能量，J。

根据上式，利用计算机采用迭代法可分别算出重伤半径R2和轻伤半径R3。

③财产损失半径R4

财产损失半径R4指在冲击波作用下建筑物二级破坏半径，按下式计算:

式中，KΙΙ为建筑物二级破坏系数，取5.6。

1.3 沸腾液体扩展蒸汽爆炸模型［5］［7］

沸腾液体扩展蒸汽爆炸事故是当储罐在外部火焰的烘烤下突然破裂，使储罐内物质的压力平衡被破坏，造成介质急剧汽化，并随即被火焰点燃时发生剧烈的燃烧，产生巨大的火球，形成强烈的热辐射，造成人员伤亡和财产损失。沸腾液体扩展蒸汽爆炸可以产生三种危害后果:冲击波超压、火球热辐射和抛射碎片，有时候也可能伴随延迟发生的蒸汽云爆炸或闪火等事故灾害，其中，爆炸火球的热辐射是最主要的伤害因素。本文采用国际劳工组织建议的BLEVE模型。

(1)计算火球半径

式中，W为火球中消耗的可燃物质量，kg，对单罐存储，W取罐容量的50%，对双罐存储，W取罐容量的70%，对多罐存储，W取罐容量的90%。

(2)计算火球持续时间

(3)计算目标接受到的热辐射通量

当r＞R时，目标接受到的热辐射通量按下式计算:

式中，q0为火球表面的热辐射通量，对于柱形罐取270 Kw/m2，对于球形罐取200 Kw/m2。

(4)计算对人员及周围建筑物产生不同影响的热辐射通量

死亡时热辐射通量q1:

二度烧伤时热辐射通量q2:

一度烧伤时热辐射通量q3:

财产损失时热辐射通量q4:

(5)将上述所求得的热辐射通量q1、q2、q3、q4，分别代入q(r)，便可以计算出死亡半径r1、二度烧伤半径 r2、一度烧伤半径 r3、财产损失半径r4。

2 工程实例

2.1 工程简介

某液化石油气储配站有一个LPG储罐组，罐组内布置有四个1000 m3地上式球罐，按储存系数80%计算，，最大储存容积为3200 m3，液化石油气(液态)比重为0.5，单个储罐最大液化石油气存量为400 t，储罐组实际最大液化石油气储存量可达1600 t。储罐内液面安全高度约为8600 mm，液化石油气燃烧热为4.65×104KJ/kg。

2.2 喷射火灾事故后果计算

2.2.1 初始条件

根据同类液化石油气储罐发生过的类似事故，假设储罐底部与出液管道相连接处焊缝开裂，发生液化石油气泄漏，遇到火源发生喷射火灾事故，泄漏口长100 mm，面积10 cm2。

2.2.2 泄露速度及伤害半径的计算

将初始数据代入公式(1)(2)，计算结果如表3所示。

表3 喷射火灾事故后果计算结果一览表

2.3 蒸汽云爆炸事故后果计算

罐区内储罐同时发生蒸汽云爆炸事故的概率很小，单个储罐发生事故可能性最大，因此，选择单个储罐作为研究对象，假设储罐内400 t液化石油气全部泄漏，即泄漏量以400 t计。

将初始数据代入公式(3)～(6)，计算结果如表4所示。

表4 蒸汽云爆炸事故后果计算结果一览表

2.4 沸腾液体扩展蒸汽爆炸事故后果计算

罐组内布置有4个1000 m3地上式球罐，属于多罐储存，所以，火球中消耗的可燃物质量取罐容量的90%，即:W=1600×1000×90%=1.44× 106kg。

将初始数据代入公式(7)～(13)，计算结果如表5所示。

表5 沸腾液体扩展蒸汽爆炸事故后果计算结果一览表

2.5 计算结果汇总与分析

将三个事故后果分析模型计算出的伤亡和财产损失范围进行汇总，如表6所示。

表6 伤亡和财产损失范围汇总表

通过对某液化石油气储配站的液化石油气储罐事故后果模拟分析可知:

(1)根据液化石油气的理化特性，液化石油气储罐可能发生的火灾爆炸事故类型主要有喷射火灾、沸腾液体扩展蒸汽爆炸和未封闭蒸汽云爆炸三种。

(2)通过对喷射火灾事故后果的分析计算可知:液化石油气储罐区内一个液化石油气储罐底部与出液管道相连接处发生喷射火灾(开口面积10 cm2)所造成的伤亡和财产损失分析如下，以裂口处为中心，半径为6.08 m的圆形范围内为死亡区;半径为6.08 m～15.21 m的圆环区域为重大伤亡区;半径为15.21 m～24.05 m的圆环区域为轻伤区;半径为8.60 m圆形范围内的设备设施将遭到破坏。

(3)通过对蒸汽云爆炸事故后果的分析计算可知:液化石油气储罐区内一个液化石油气储罐发生蒸汽云爆炸事故所造成的伤亡和财产损失分析如下，距爆炸中心点，半径为89.87 m圆形范围内为死亡区;半径为89.87 m～211.88 m的圆环区域为重大伤亡区;半径为211.88 m～380.75 m的圆环区域为轻伤区;半径为306.88 m的圆形区域内建筑物将受到二级及以上破坏。

(4)通过对沸腾液体扩展蒸汽爆炸事故后果的分析计算可知:液化石油气储罐区内四个液化石油气储罐发生沸腾液体扩展蒸汽爆炸所造成的伤亡和财产损失分析如下。距爆炸中心点半径为936.58m的圆形区域为死亡区;半径为936.58m～1174.80 m的圆环区域为重大伤亡区;半径为1174.80 m～1787.75 m的圆环区域为轻伤区;半径为594.20 m的圆形区域为财产损失区。

(2)对比三个模型的分析结果可看出，液化石油气储罐发生喷射火灾、蒸汽云爆炸和沸腾液体扩展蒸汽爆炸等事故的后果是严重的，可以在相当大的范围内造成人员伤害和财产损失。比较这三种事故造成的后果可知，蒸汽云爆炸和沸腾液体扩展蒸汽爆炸的后果是比较严重的，蒸汽云爆炸可以使周围380.75 m范围内的人员受到伤害，沸腾液体扩展蒸汽爆炸可使1787.75 m范围内的人员受到伤害。因此，要特别防范液化石油气储罐发生蒸汽云爆炸和沸腾液体扩展蒸汽爆炸事故，尤其是沸腾液体扩展蒸汽爆炸事故。

3 结论及建议

(1)文章结合液化石油气的理化特性分析出液化石油气储罐可能发生的火灾爆炸事故类型主要有喷射火灾、沸腾液体扩展蒸汽爆炸和未封闭蒸汽云爆炸，并以某液化石油气储配站的LPG储罐组为例，对其进行事故后果分析。结果表明液化石油气储罐发生喷射火灾、蒸汽云爆炸和沸腾液体扩展蒸汽爆炸等事故的后果是严重的，可以在相当大的范围内造成人员伤害和财产损失，尤其是沸腾液体扩展蒸汽爆炸事故。由于液化石油气泄漏事故的复杂性、随机性和不确定性，都可能导致事故后果分析中采用的数学模型以及模拟计算的结果与实际情况存在着一定的偏差，参数的选择也会影响到计算结果的准确性，在实际中，还应当结合当时具体的环境、条件和要求进行分析［8］。

(2)企业应对液化石油气储罐事故后果的严重性要有充分的重视，尤其应注意其事故可能对周边人员和财产安全造成的影响，根据事故后果模拟分析的结果，合理进行液化石油气储配站总平面布置，加强设备管理，增强危险单元的本质安全，提高燃气存储单元的的自动化程度，建立健全安全制度，编制事故应急救援预案，配备应急救援器材，注重人员安全教育培训，做好安全生产管理，保证安全生产。

(3)燃气行业监管和特种设备监管部门应进一步建立和完善相关企业安全管理的相关法律法规标准，加强对液化石油气运营企业的监督和管理。

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Consequence analysis of LPG tank accidents

XU Gui－xian

(Fujian Chuanzheng Communications College，Fuzhou，350007，China)

Liquefied Petroleum Gas，one of the major gas source that been used in China town，is so flammable that it may cause fire or explode accidents if leaked to air.The article takes LPG tanks in LPG storage and distribution station for example，Some mathematical models were used to analyze jet fire，vapor cloud explosion and boiling liquid expanding vapor cloud explosion to calculate the district where persons and equipment would be harmed.The research result could be used as scientific foundation and reference for the safety management of similar LPG storeroom，to prevent and reduce death and loss of property by helping enterprises establish countermeasures and first－aid schemes.

LPG tank;Fire;Explode;Accident Consequence analysis

X937

A

1672－7169(2016)06－0101－05

2016－11－09

许贵贤(1980－)，女，福建诏安人，大学毕业，福建船政交通职业学院讲师，研究方向:安全管理、安全评价。E－mail: 32139562@qq.com