基于火灾热辐射分析的LNG加注趸船布置设计

2022-08-06周成金全洲田宇忠甘少炜

中国水运 2022年7期

周成，金全洲，田宇忠，甘少炜

（1.湖南省水上交通安全指挥监控中心，湖南长沙 410000；2.中国船级社武汉规范研究所，湖北武汉 430000；3.中国船级社，北京 100007）

类似于油趸船，LNG 加注趸船为无动力装置的矩形平底非自航船，设有LNG 储罐并固定在岸边为LNG燃料动力船舶实施燃料加注。LNG 加注趸船平面布置涉及LNG 储罐和设备的安全保护、LNG 泄漏的防护、防止LNG 或其他可燃液体的燃烧爆炸、人员的安全脱险等方面。其面临的风险主要来自LNG 泄漏产生的低温伤害和可燃气体混合气被明火引燃而产生的火灾或爆炸风险。LNG 加注趸船的甲板布置应确保甲板上具有良好的通风条件，便于可燃气体扩散。同时，应将潜在泄漏限制在一定范围内且远离甲板室，以减少火灾热辐射危害。本文结合湖南首艘油气合一200mLNG 加注趸船“湘能源一号”设计方案，研究基于LNG 火灾热辐射分析的布置设计。

1 LNG 加注趸船的潜在危害

LNG 是一种无色液体，属于天然气经过脱水、脱硫、脱杂质等净化处理后的液态形式，主要组份是甲烷（CH4），具有易燃易爆的危险性，泄漏后果受泄漏特征、泄漏量、环境条件等影响。相比LNG 散装运输，LNG加注趸船是一种新生事物，能够直接借鉴的应用经验较少，只能借助LNG 运输船和岸上加注站经验及国外研究成果来分析。

对于加注趸船，LNG 泄漏后可能出现的危害及火灾情形包括低温影响、闪火、池火、蒸气云爆炸、喷射火。低温影响主要源自泄漏时深冷的LNG（-162℃）在未被引燃时可能对人员产生低温冻伤以及对金属的冷脆伤害。泄漏后延迟点燃的情况下，蒸气云不会一次性全部燃烧，试验表明该情况下产生的闪火以10-20m/s 的较低速度传播，传至泄漏源形成池火或喷射火。喷射火的泄露源主要为带压管路或容器的破孔；池火对应的泄漏源为大量泄漏后自然形成的液池或泄漏至围堰、集液盘等设施内形成的液池。蒸气云在围蔽或受限空间被引燃，则会产生有害超压，造成蒸气云爆炸危害。

上述各种危害中，通过配备防护服、安全培训以及布置构造设计，可有效控制低温影响。闪火到达附近物体的总辐射量通常低于来自相同距离持续时间较长的池火或喷射火。由于设置紧急切断阀的原因，在较短时间内遇到明火产生喷射火概率低。加注趸船的LNG 补给、供应管路及储罐都设置在开敞甲板，可燃气体蒸气压扩散受限并遇明火发生蒸气云爆炸的概率低。比较而言，池火是最可能发生、危害后果最严重的一种危害形势。

2 LNG 池火热辐射模型

用来模拟LNG池火热辐射的常用模型有点源模型、Shokri-Beyler 模型及Mudan 模型。点源模型是一种不考虑火焰几何参数的简化模型，此模型假定火的辐射能由一点向外辐射，而不是由代表火焰的理想形状（如锥形或圆柱形）向外辐射，其所考虑的外界影响因素较少，适用于理论化的趋势比较，对具体场景的计算结果可参考性不高。Shokri-Beyler 模型相对点源模型做了一定的优化，其基于辐射体和目标之间的角系数来处理辐射热流问题。模型假设池火焰为具有均匀辐射能力的圆柱形实体辐射源，圆柱形辐射源的直径等于液池的直径，高度为池火焰长度，但相关假设对实际场景仍然简化较大。

Mudan 模型把池火焰看作是一个垂直（无风条件下）或者倾斜（有风条件下）的圆柱形辐射源。在Mudan模型中，除了考虑池火焰表面的有效热辐射通量和被辐射目标物与池火焰间的视角关系，还考虑了大气透射系数的影响。对于含有大量黑烟的碳氢化合物池火焰，其表面的热辐射通量计算还考虑了黑体辐射强度、消光系数及烟尘辐射强度。相对来说Mudan 模型更为准确，并作为中国船级社发布的《油气定量风险评估指南》[中的推荐模型。该指南中，采用Mudan 模型计算热辐射强度，采用Thomas 模型计算池火火焰高度，采用Bagster 模型计算大气热传递系数，采用Babrauskas 计算质量燃烧效率。相关计算模型如下：

式中：Qm——Mudan 模型模型目标所在位置的热辐射强度，W/m；

F——视角系数，具体计算可参见TNO 黄皮书相关章节，保守值可取1；

SEP——火焰表面热辐射能，W/m；

SEP——火焰最大表面热辐射能，W/m；

SEP——烟粒表面辐射能，W/m，对于烃类如天然气和苯等经验值为20×10；

f——热辐射系数，经验值为0.1～0.4；

H——火焰高度，m；

H——燃烧热，J/kg；

D——液池直径，m；

m——质量燃烧速率，kg/(m·s)；

k——火焰的吸收衰减系数，m-1；

x——目标至火焰中心水平距离，m；

p——环境温度下空气中的水蒸气压力，N/m；

p——环境温度下的饱和水蒸汽压力，N/m；

R——相对湿度；

θ——火焰倾角，°。

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3 LNG 池火热辐射衡准

目前国际上有两种指标来评价LNG火灾的热辐射。一种是热辐射通量kW/m，另一种是包括了热辐射通量和暴露时间的mtdu。mtdu=It，I 的单位为kW/m，t 的单位为s。

国际上对LNG 火灾下人员以及钢结构可接受热辐射通量值的规定不尽相同。对于钢结构建筑物和设备，可由目标所在位置的热辐射通量值进行衡准。对于人员来说，评判准则的热辐射通量是指自火源到目标所在位置的值，而不是人皮肤实际感受的热辐射通量。热辐射会导致皮肤升温，当人的皮肤达到41～60℃之间，持续一定时间便会发生低温灼伤。我国为完善定量风险评价体系，全国安全生产标准化技术委员会立项制定，并由国家安全生产监督管理总局发布了《石油化工企业定量风险评估导则》。中国船级社综合考虑国内外相关标准的相关规定，结合自身项目经验编写了《油气定量风险评估指南》，表1列出了上述指南对可接受热辐射值的规定。

表1 热辐射衡准

上述导则及指南在编制过程中考虑了国外其他国家或机构对定量风险评价技术的规定和国内化工企业及水上LNG 应用过程中的现实性，综合适应性更强。相对于设备，人员对热辐射的耐受性低很多，从避免人员热辐射死亡的角度基于热辐射定量计算进行趸船人员起居和工作舱室布置，可以更加充分的保证LNG 趸船应用过程中的人命安全。按《石油化工企业定量风险评估导则》，避免人员死亡的热辐射值为4.7-6.3kW/m。按《油气定量风险评估指南》，避免人员死亡的热辐射限制为5kW/m。中国船级社编制的指南不但适用于陆上油气站场，还适用于水上船舶、海上油气生产设施的后果定量计算。综上，本文采用5kW/m作为可接受热辐射强度进行火灾危害距离分析。

4 趸船火灾危险距离分析及甲板布置

200mLNG 加注趸船“湘能源一号”的结构布置为单底双舷、单甲板全钢质焊接结构，船底、甲板、舷侧结构形式为纵骨架式。船体材料用CCSA 级钢。该船主甲板以下设6 道水密横舱壁，3 道纵舱壁。主甲板临岸面设置钢引桥连接装置，临江面设置活动登船梯，临江面设置带缆桩，前后设置锚泊系固，用于趸船连接固定，并在甲板上设相应的标准排放接头。主甲板FR.12-FR.54 为气罐区，其上设两个真空绝热C 型独立储罐，每个储罐容积为100m；FR.54-FR.92 为货油及隔离区；FR.92-FR.117 为甲板室，包括货控室、人员休息室、配电间、值班室及其他相关功能性起居处所。

就LNG 系统而言，趸船LNG 储罐可由岸上LNG槽车补给，也可由水上移动LNG 加注船进行补给。LNG 加注系统的输送泵、阀件、传感器、仪表等均布置在液货舱接头处所内，液货舱接头处所布置在前述气罐区域内，由不锈钢材料制造。在临江面设置一台软管吊，用于吊装LNG 加注软管和接头。FR.23 以及FR.47 临江侧分别设置补给管路接口和加注管路接口，用以为该船货罐补给LNG 以及由该船为燃料动力船舶加注LNG。

该船按中国船级社《液化天然气燃料加注趸船入级与建造规范》的要求设计建造。如前所述，LNG 系统相关仪表、阀件均设置在液货舱接头处所内。按规范要求，液货舱接头处所为气密性结构，由耐低温材料制造，能安全容纳相关仪表、阀件泄漏的LNG。液货舱接头处所设有满足规范要求的通风、监测、报警系统，可不考虑该处所内的火灾场景。由上，加注及补给接口为该船的主要泄漏源，故在补给管路接口和加注管路接口下分别设置尺寸为950×1250mm 和800×700mm 的集液盘，以承接补给、加注过程中可能泄露的LNG。

如前所述，加注过程中泄露的LNG 承接在集液盘中，一旦被引燃，则形成液池大小为集液盘尺寸的池火。本文偏保守的采用集液盘对角线长度作为液池等效直径进行计算，即补给接口处液池直径取1570mm，加注接口处液池直径取1060mm。该船布置在长沙地区，根据文献中的气象数据，下文计算过程中实体火焰模型采用的风速为2.5m/s。

按本文所述实体火焰模型进行计算，计算结果见表2。

表2 火灾热辐射计算结果

实体火焰模型考虑的风速为2.5m/s，大气温度取15℃，大气湿度0.7，环境空气密度1.224kg/m。由此，对于补给口处池火，计算得到的火焰长度为5.29m，火焰水平方向投影长度为4.26m；对于加注口处池火，计算得到的火焰长度为3.92m，火焰水平方向投影长度为3.21m。本文偏保守的假定甲板室位于液池下风向。

由前所述，该船为油气合一LNG 加注趸船，为减少火灾热辐射伤害对人员的潜在伤害，在LNG 储罐区域与甲板室间设置隔离舱及货油舱，使得补给口集液盘与甲板室端壁间的距离为34.5m，加注口集液盘与甲板室端壁间的距离为22.5m，确保甲板室区域远离火灾热辐射伤害范围。