基于ALOHA 软件探索LNG 接收站仿真实验室的优化设计

王海清，徐慧敏，田英帅，黄 清

（1. 中国石油大学（华东） 机电工程学院，山东 青岛 266580；2. 深圳市燃气集团股份有限公司 安全设备管理部，广东 深圳 518040）

优质完善的实验室资源是培养创新型人才的有力支撑。近几年来，实验室的硬件设备得到改善，同时对实验室的管理也在加强，实验室的探索与设计也受到重视[1]。

2018 年，国务院下发了《国务院关于促进天然气协调稳定发展的若干意见》，国家大力推进天然气的发展。近两年，我国大规模投产建设LNG（液化天然气）接收站，截至2019 年5 月，我国已投产的LNG 接收站共有21 座，正在建设的LNG 接收站有13 座[2]。

LNG 具有可燃的特性并且易于扩散，一旦发生泄漏，遇到火源会发生火灾或爆炸，造成严重的危害。因此，消防系统在LNG 接收站中至关重要。但大部分的LNG 接收站消防系统是以石油化工为基础进行设计的，缺少针对性。为使安全专业本科生更深入地了解LNG 接收站，中国石油大学（华东）安全科学与工程系结合国内外高校的实验教学模式，将现代过程安全管理技术（仪表化安防技术）与化工工艺单元结合，设计了数字化LNG 接收站综合教学实验平台，模拟了各种不同工艺单元的泄漏场景[3]，为建设LNG接收站实验室的消防系统并增强针对性，本文利用ALOHA 软件对天然气泄漏的危害范围进行模拟，得出天然气泄漏的各种事故后果的影响范围，根据事故后果的影响范围，设置一系列消防措施，从而进一步完善实验室建设。

1 数字化LNG 接收站综合实验平台

实验室主要由卸船、储存、气化、外输、蒸汽处理、火炬放空等多个系统模块组成，可以实现不同操作工况下LNG 接收站工艺流程、各类工艺偏差危害和操作失误等模拟，并对站内储罐、阀门和仪表等设备的状态进行实时监控，具备报警优化与响应、火灾与气体泄漏探测、事故紧急关断控制等功能模块，为安全专业课程提供实践认识和掌握安全技术措施的工程背景与操作平台。

1.1 LNG 接收站实验室模拟流程

LNG 接收终端实验室见图1。从安全和经济角度出发，实验室用压缩气体代替天然气进行模拟，压缩气体先从LNG 船卸料臂进行卸料，经过白色的进料管线进入LNG 储罐。因为LNG 储存温度极低，在储存过程中会产生BOG，使得LNG 储罐内压力升高。

图1 LNG 接收终端实验室

BOG 处理：（1）经安全阀去平衡船舱压力。随着LNG 的输出，船内气相压力会逐渐下降，储罐内产生的蒸发气经蒸发气回流管线及蒸发气回流臂送至船内，补充船内气压。（2）经安全阀进入（蒸发气处理系统）分液罐、压缩机、再冷凝器液化成LNG。（3）经安全阀进入火炬系统，进行放空。

从储罐出来的LNG 分成两路，可以中压输送或者高压输送。

中压输送：一路经压力控制阀进入中压离心泵，另一路经流量调节阀流向再冷凝器，然后再流入到中压离心泵中。从中压离心泵输出的LNG 经汽化器输送给中压用户。

高压输送：一路经压力控制阀进入高压离心泵。另一路经流量调节阀流向再冷凝器，然后再流入到高压离心泵中。从高压离心泵输出的LNG 经汽化器输送给高压用户。

1.2 LNG 接收站实验室中控室操作

实验室同时向本科生、研究生和博士生开放，学生可以通过中控室的电脑进行模拟操作。图2 为LNG接收站实验室的流程。

目前实验室一期建设已实现模拟气体泄漏事故场景，触发压力低报警并确认读取报警信息。参加实验的学生可以通过中控室的电脑更改各个工艺单元中阀门、储罐、压力表的参数，模拟事故场景，根据报警类型，确定事故发生的原因。

1.3 LNG 接收站消防系统的设计

消防系统是LNG 接收站减少和消除安全事故影响的重要依靠，泄漏报警系统、灭火设备、自动喷淋系统等是LNG 接收站消防系统的常备设施。在实验室的一期建设中已实现泄漏报警系统，因此在实验室的二期建设规划中，将设置更加丰富的减缓型安全屏障，主要包括：灭火设备、自动喷淋系统以及中控室的防火墙设置等；因此为了在实验平台建设中更准确地实现等比例模拟设置，需要对各种典型灾害场景进行定量分析。

2 利用ALOHA 软件对LNG 管道泄漏进行模拟

2.1 ALOHA 软件

有害大气空中定位软件ALOHA（areal locations of hazardous atmospheres）是由美国国家海洋、大气管理局（NOAA）和美国环境保护局（EPA）的应急管理办公室合作开发并得到应急响应部门（ERD）的支持。其主要用途是为应急响应人员提供与化学品泄漏相关的一些常见危害的空间范围估计[4-5]。ALOHA软件可以根据化学物质的类型、事故发生的地理位置、大气条件和泄漏源情况等信息模拟危险化学品泄漏，可以快速预测危险化学品泄漏后对人体产生影响的毒气浓度以及超压和热辐射的范围[6]。目前ALOHA 软件已经成为危险化学品事故应急救援、规划，及学术研究的重要工具[7]。

图2 LNG 接收站流程图

2.2 案情假设

利用ALOHA 软件对实验室进行模拟时（设置工艺介质为天然气），判定大致的事故影响范围。事故发生的场景假设：取全年主导风向、年平均温度、年平均湿度等，假设最坏的情景，泄漏孔径等于管道直径。软件模拟中需要的主要参数见表1。

2.3 喷射燃烧影响分析

LNG 接收站的回气管道发生破裂，若在破裂处直接接触到火源会发生喷射燃烧事故，并产生热辐射，热辐射会对周围人员和建筑物造成损害。在ALOHA软件中输入表1 所示的参数，模拟产生喷射燃烧的情形，得到的影响区域范围见图3，从图3 中可以看出ALOHA对于此场景的评估，显示了三个热辐射危险区域。

由图3 可知，当风速为5 m/s 时，在60 s 内，预测情景中死亡区即红色区域距离泄漏口10 m 内，个体所承受的热辐射会造成致命的伤害；在距离泄漏口10～13 m 的范围内即橙色区域会对人体造成二度烧伤伤害；在距离泄漏点13～20 m 的范围内即黄色区域人体所承受的热辐射会使其产生疼痛感，如表2 所示。

图3 风速为5 m/s 时喷射燃烧影响区域范围

表2 喷射燃烧事故的影响区域

2.4 蒸气云燃烧影响分析

如果天然气泄漏出来没有被立即点燃，将会向外扩散，与空气充分混合形成爆炸性混合气体，在遇到点火源后，很有可能引发蒸气云燃烧或爆炸，蒸气云燃烧将会产生大量的热辐射，对周边人员及环境造成严重的危害[8]。

ALOHA 软件在计算过程中，根据大气中甲烷的浓度划分可燃性区域，取 60% LEL（体积分数1.26×10-2）和10% LEL（体积分数0.21×10-2）进行区域分析，其中60% LEL 可造成人员死亡，10% LEL可造成人员烧伤[9]。

选择默认LOCs 可以看到ALOHA 软件估计的本场景的危险区域，蒸气云燃烧影响区域范围见图4，显示有两个可燃危险区域。

图4 蒸气云燃烧影响区域范围

从ALOHA 软件分析结果得到，在顺风方向距离泄漏口29 m 的范围内会造成人员死亡，距离泄漏口71 m 的区域范围内会造成人员烧伤，蒸气云燃烧影响区域如表3 所示。由于风向的原因，天然气主要向顺风方向扩散，因此人员应该向垂直于顺风方向撤离，以尽可能减小人员伤亡。

表3 蒸气云燃烧影响区域

2.5 蒸气云爆炸影响分析

蒸气云爆炸主要产生热辐射、冲击波、抛射碎片等危害，其中冲击波是主要危害[10]。运用ALOHA 软件模拟甲烷气体泄漏后爆炸的情形，当蒸气云不密集的时候不会造成危害。当蒸气云处于密集状态时，模拟得到的爆炸影响范围见图5。

图5 蒸气云（密集）爆炸影响区域范围

由图5 可知，当蒸气云处于密集状态时会产生蒸气云爆炸，但不会造成建筑物破坏和人员严重伤害，冲击波超压≥1 psi 时，与泄漏点距离25 m，为玻璃破损区域。蒸气云爆炸影响区域如表4 所示。

表4 蒸气云爆炸影响区域

2.6 模拟结果分析

从ALOHA 软件对上述天然气泄漏后可能造成的事故后果进行模拟，得到了各种事故场景所产生的危害范围，如表5 所示。

表5 各种场景危害范围比较

由表5 可知，这3 类事故中蒸气云燃烧的危害范围最大，蒸气云爆炸（密集）次之，最后是喷射燃烧。

3 LNG 接收站实验室的优化设计

数字化LNG 接收站实验室专业性强，涉及面广，实验室中包括DCS、SIS 和FGS 等多个系统，为进一步优化实验室的仿真效果，应提高安全意识，确保实验室教学和科研工作更好地有序开展[11]。

根据ALOHA 软件模拟产生的事故场景的危害类型及危害范围的划分，对实验室进行预防性的安全屏障设置规划，上述仿真计算为本实验室第二期建设的科学规划提供了量化的技术支撑。

实验室第二期建设将根据ALOHA 软件模拟得到燃烧的影响范围设置消防系统，可以等比例在各个不同危险区域内设置模拟的灭火系统，如高倍数泡沫灭火系统；ALOHA 软件模拟得到的喷射燃烧和蒸气云燃烧事故产生的主要危害是热辐射，因此需要设置自动喷淋系统，阻止热辐射。将分别在喷射燃烧和蒸气云燃烧事故的不同危险区域内设置自动喷淋系统；此外，为使学生始终保持忧患意识和增加学生的安全意识，在实验室中标明喷射燃烧、蒸气云燃烧、蒸气云爆炸的红色危险区域、橘色危险区域和黄色危险区域，并注明各个危险区域会对环境和人员造成的危害。

设置灭火系统、自动喷淋系统在中控室的计算机上显示，可对实验室中整个消防系统有直观、系统的了解，学生可以通过中控室的电脑对其进行操作。

中控室应位于安全区域内，符合防火、防爆的要求。由表5 可知，天然气泄漏产生的危害范围最远达到71 m，如能将中控室设置于远离LNG 接收站，是解决安全隐患的根本措施，是属于本质安全的范畴，但实验室的面积有限，无法使中控室与LNG 接收站达到安全距离。因此，需要在中控室和LNG 接收站中间建立防火墙。防火墙主要有A 级和H 级。H60 防火墙的耐火强度大约是A60 防火墙的6 倍，根据现有的标准和目前绝大多数平台的使用情况，选择A60 防火墙进行中控室和LNG 接收站的区域分隔[12]。

4 结语

目前LNG 接收站实验室虽已建成，并已投入使用，但实验室中的消防系统尚未设置。本文利用ALOHA 软件对LNG 接收站实验平台进行天然气泄漏模拟，得到喷射燃烧、蒸气云燃烧和蒸气云爆炸三种事故后果，确定了事故可能的影响范围并对其进行了危害区域划分。通过ALOHA 软件得到的影响范围及不同的危害区域，对实验室二期消防系统建设方案进行优化完善，从而进一步还原真实的LNG 接收站，使学生们增加安全意识，为国内类似的半实物模拟实验研究平台的科学规划与建设，提供了有益探索与参考案例。此外，还可以为实验教学应急预案的制定提供依据，并且通过实验室这个平台，可以对应急措施进行定期的演练，使工作人员增强现场救援能力和自救能力。