LNG 液舱翻滚事故时透气桅泄放后果定量分析

刘洪亮，虞 玮，范红建，乐小龙，蔡 常

（1. 上海船舶研究设计院，上海 201203；2. 南通中集太平洋海洋工程有限公司，江苏南通 226251）

0 引言

天然气作为一种清洁、经济、高效能源，已在经济的快速发展和不断增长的能源需求下，被作为一种安全性高、低排放的绿色清洁能源广泛推广。

目前，液化天然气的长距离贸易和运输主要依靠与液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）运输船。LNG运输船被公认为“高技术、高难度、高附加值”的“三高”产品，被称为皇冠上的明珠，LNG运输船在航运过程中发生事故极有可能引发连锁反应，造成不可估量的人员伤亡和财产损失。

LNG液货舱作为LNG接收站与LNG船装卸操作的重要核心设备，其平稳、高效、安全运行是整个LNG双燃料动力船保持正常运转的关键。

目前根据国际液化天然气进口国集团（GIIGNL）2018年底的统计数据，LNG液货舱中薄膜型液货舱（Membrane）占70%，Moss型独立球形液货舱占23%，其他如C型压力罐和及自立方型货舱SPB占7%[3]。在工艺系统设计中薄膜舱的承压能力较低，当在装卸货物、加注和正常航行中，受波浪载荷、环境因素、温度变化等，易引起薄膜型液货舱发生晃荡、产生分层和翻滚现象，引起LNG液货舱压力升高。且，若遇电站故障、LNG液货舱主屏蔽损坏、气体燃烧装置（Gas Combustion Unit，GCU）和再液化同时故障无法使用等非正常工况时，产生过多蒸发气（Boil off Gas，BOG）无法及时处理，也将引成LNG液货舱内压力迅速升高，导致设备超压，使液货舱受到损害。为防止LNG液货舱超压损坏，过多的BOG将通过透气桅直接放空至大气中，而LNG具有超低温（-162 ℃）和易燃易爆双重危险特性，一旦泄放至环境中，将造成可燃气云扩散或遇点火源发生火灾爆炸，可能造成极为严重的后果。

因此，透气桅泄放作为LNG液货罐超压保护措施，其泄放口径、泄放方向、安装高度、火灾热辐射计算等是否合理将直接关系到LNG液货舱的本质安全，也将影响到主甲板和上部模块设备设施、人员安全的重要因素。

本文将以在建20 000 m3LNG运输加注船为研究对象，采用火灾爆炸分析（Fire and Explosion Analysis，FEA）方法基于DNG-GL PHAST软件对大空间尺度的实际LNG双燃料动力船中透气桅事故泄放事件进行火灾热辐射模拟研究，为优化透气桅选型、工艺系统设计、安装高度及布置、透气桅设定压力等提供意见，指导工程设计。

20 000 m3LNG运输加注船由上海船舶研究设计院（简称“SDARI”）为STOLT-NIELSEN GAS B.V.研发设计，由南通中集太平洋海洋工程有限公司建造，本船布置3个C型双胞胎储藏罐，最大装载量为20 000 m3，本船在传种布置4个透气桅支管，透气桅支管高度13 m，出口管径DN350，出口温度-136 ℃。

1 FEA 方法介绍

火灾爆炸分析（FEA）是基于事件树原理，辨识危险源，对危险源的事故发生概率和事故后果的严重程度进行量化分析，并根据风险矩阵得到风险值大小，从而提出风险减缓措施，必要时给出风险减缓措施使风险降低到可接受水平。其方法框图见图1。

图1 FEA 方法流程

1）系统定义，即确定分析范围，明确系统潜在的风险场所、装置或作业行为，确定分析边界、装置种类和位置、作业行为的类别等[5]。

2）数据资料收集，包括站址信息、总体布置、设计基础、设备清单、工艺流程图；收集分析区域的气相数据、自然条件、人口分布状况；确定评价区域和周边明显或潜在点火源。

3）危险源辨识，辨识潜在危险源、危险源可能对人员安全、财产及环境带来影响。

4）频率分析，对辨识出来的危险源进行频率分析，确定初始泄漏频率和危险事件的频率。

5）后果分析，通过事件数确定各种事故造成的后果伤害模型，模拟计算得到火灾热辐射、可燃气云扩散、爆炸超压或毒物浓度扩散等。

6）基于计算结果，提出减缓措施，使得风险降低到可接受水平。

2 输入条件

2.1 数学模型和基本方程

当液货舱发生翻滚时，其泄放量常采用CFD方法计算LNG气体扩散火灾等过程。本次评估将采用CFD的方法，求解一组描述流体特性的质量、动量、能量以及组分守恒方程[4]。

式中：φ为通用求解变量；ρ为气体密度；xj为j方向上积分；μi为i方向上的速度矢量；τφ为扩散系数；Sφ为源项。

采用有限体积法，对湍流、化学湍流和化学反应影响利用SIMPLE算法，计算在相关方程中。并配合边界条件来求解计算区域中燃烧产物、火焰速度及燃料消耗量等变量的值[5]。

文中LNG液货舱透气桅泄放热辐射采用离散传递模型（Discrete Transfer Model，DTM）[7]进行计算。气体泄漏的排放系数取0.85；液体和两相流泄漏排放系数取0.61。可燃气云扩散平均时间采用PAHST默认值，即18.75 s，以表征10 min时间内风流扰动对某特定位置气云浓度的影响[6]。

2.2 输入条件

本船LNG液货舱为C型货罐，设计压力为0.54 MPa，顶部设有4个透气桅支管。透气桅支管出口管径为DN350，出口泄放压力0.54 MPa，出口泄放温度-136 ℃，竖直泄放，高度13 m（主甲板以上），单个透气桅支管泄放时质量流速为57 721.39 kg/h，4个同时泄放时，泄放质量流速为2 330 885.56 kg/h。本文将选取最坏场景即4个透气桅同时泄放开展可燃气云扩散及火灾模拟，见图2。

图2 C 型LNG 液货舱

基于LNG双燃料动力船运行海域所在区域的风玫瑰（见图3）、NFPA 59A规定的天气条件和Pas-Quill-Gifford大气稳定度，本次采用的气相条件见表1。风向考虑最坏风向，即风吹向船首方向；火灾持续时间为3 600 s。

图3 LNG 接收站风玫瑰

表1 选取的气相条件

3 透气桅泄放火灾模拟

3.1 阈限值

LNG具有超低温（-162 ℃）和易燃易爆双重危险特性，当透气桅泄放时，将造成可燃气云扩散，若在扩散过程中遇到点火源则将发生喷射火火灾，可能造成极为严重的后果。此时，喷射火产生的高温热辐射可能对主甲板设备设施、平台结构造成损害。

基于ISO 13702—2015、API RP 2FB—2006、Purple Book给出的最大热辐射推荐值，室外人员暴露于热辐射的致死率的原则如下：

热辐射的Probit方程为

式中：t为暴露时间，s；Q为热辐射强度，W/m2。

人员暴露最大允许的可接受热辐射值见表2。

表2 人员暴露最大允许热辐射值

若已发生喷射火，则参考API Std 521∶2007的规定评估热辐射对人员应急疏散的影响，以及透气桅泄放被点燃对地面人员的影响，如表3中的数值。

表3 对人员应急疏散影响的推荐热辐射强度

表3 对人员应急疏散影响的推荐热辐射强度（续）

3.2 透气桅泄放时可燃气云扩散分析

4个透气桅支管同时泄放时在下风向上最大气云扩散的范围见表4。

表4 4 个透气桅泄放气体扩散危害影响距离

根据上表4个透气桅同时泄放时可燃气体扩散影响距离可知：在同一大气稳定度下，随着风速的增大，50%可燃下限浓度水平扩散范围逐渐变大。这是由于风速越大，可燃气云很快被稀释，吹至更远的地方；在同一风速下，大气越不稳定，竖直方向运动越剧烈，50%可燃下限浓度竖直扩散距离越高。当气相为2B时，50%可燃气云在竖直方向的影响范围最大，扩散最大高度可达66.63 m；在10.8D气相条件下，50%可燃气云在水平方向上的影响范围最大，扩散最远距离可达18.27 m。该事件气云扩散影响距离见图4和图5。

图4 4 个透气桅在2B 气相下可燃气体扩散侧视图

图5 4 个透气桅在10.8D 气相下可燃气体扩散侧视图

以上结果可以看出，在2.0B气相条件下，4个透气桅支管同时泄放产生的LNG 50%可燃下限浓度距离在竖直方向的影响范围最大，可达66.63 m；在10.8D气相条件下，在水平方向上的影响范围最大，可达18.27 m。

建议在主甲板及上部模块区域布置合理的可燃气体探测设施。一旦透气桅出现事故泄放，人员可尽快撤离。

3.3 透气桅泄放时火灾热辐射分析

当透气桅在13 m高度发生竖直排放时，发生喷射火在泄放口处的热辐射影响范围见表5和表6。

根据表5和表6中4个透气桅支管同时泄放时发生火灾热辐射影响距离可知：随着风速的增大，透气桅泄放造成的喷射火热辐射影响距离越大。这是由于风速越大，喷射火火焰被吹至更远的地方；同一风速不同大气稳定度下透气桅泄放产生的喷射火热辐射影响距离一样；当风速为10.8 m/s时其热辐射影响范围最大。该事件热辐射影响距离见图6和图7，在10.8 m/s顺风向下热辐射影响距离见图8和图9。

图6 4 个透气桅同时泄放喷射火热辐射影响

图7 4 个透气桅同时泄放喷射火热辐射影响正视图

图8 4 个透气桅同时泄放喷射火热辐射影响

图9 4 个透气桅同时泄放喷射火热辐射影响正视图

表5 4 个透气桅同时泄放喷射火热辐射影响范围

表6 4 个透气桅同时泄放喷射火热辐射影响范围

从以上模拟结果可知，当发生LNG液货舱超压导致4个透气桅支管同时泄放时：

1）主甲板以上且透气桅泄放口93 m以内的区域可能遭受5 kW/m2的热辐射；若有人员暴露，皮肤的疼痛阈值约15 s，暴露2 min后2度烧伤。

2）主甲板以上且透气桅泄放口64 m以内的区域可能遭受12.5 kW/m2的热辐射；若有人员暴露，皮肤的疼痛阈值约4 s，暴露40 s后2度烧伤，1度烧伤10 s，1 min内1%死亡。

3）主甲板9.5 m以上且透气桅泄放口44 m以内的区域可能遭受37.5 kW/m2的热辐射；若有人员暴露，皮肤的疼痛阈值几乎是瞬间，暴露2 s后2度烧伤，10 s内1%死亡，1 min内100%死亡。

4）主甲板以上且透气桅泄放口150 m以内的区域可能遭受1.58 kW/m2的热辐射；开展应急救援时，有合适服装的人员可以在这些地点内连续暴露的最大热辐射强度。

5）主甲板以上且透气桅泄放口95 m以内的区域可能遭受4.73 kW/m2的热辐射；开展应急救援时，该区域内没有热辐射屏蔽但有合适服装的人员最多在2 min～3 min内采取应急措施。

6）主甲板以上且透气桅泄放口83 m以内的区域可能遭受6.31 kW/m2的热辐射；开展应急救援时，该区域内没有热辐射屏蔽但有合适服装的人员最多在30秒内采取应急措施。

7）主甲板以上且透气桅泄放口70 m以内的区域可能遭受9.46 kW/m2的热辐射；开展应急救援时，进入或者工作在该区域的人员需配备热辐射屏蔽措施或者特殊的防护服装（比如隔热服）。

8）Dry Powder、吊机和逃生安全通道等，可能会受到12.5 kW/m2～37.5 kW/m2的热辐射影响，不能有人员暴露。

9）Dry Powder STR、LNG加注站、LNG Machinery room等区域，可能会受到5 kW/m2～12.5 kW/m2的热辐射影响，人员暴露2 min后至少会造成2度烧伤。建议上述区域尽可能减少人员暴露时间，且进入该区域时应穿戴硬质帽子、袖口有扣子的长袖衬衫、工作手套、长裤和工鞋等合适服饰。

考虑到4个透气桅同时泄放对主甲板及上部模块的热辐射影响，建议根据LNG双燃料动力船的总图布置、风向及气候条件适当增加透气桅出口支管高度，增加透气桅出口的动背压，降低阀门的流通能力。同时，LNG双燃料动力船发生非常规及应急操作时，应考虑热辐射1.58 kW/m2、4.73 kW/m2、6.31 kW/m2、9.46 kW/m2对人员应急疏散的影响范围，在合适地点穿戴合适服饰开展应急疏散。

根据NFPA 59A—2013，泄压装置在最大泄放速率下发生泄放的概率极低（2×10-5/年），故由此导致的火灾事件概率更低。但根据行业记录，曾发生过类似事件，建议根据透气桅泄放造成的可燃气云扩散范围，严格控制点火源存在的可能性并在泄放口设置合适灭火装置。同时对主甲板及上部模块相关设备设施设置一定的热辐射防护措施，喷涂防火涂层和消防喷淋装置。

4 结论

本文针对LNG双燃料动力船在遇到电站故障、LNG液货舱主屏蔽损坏、GCU和再液化同时故障无法使用等工况，造成LNG液货舱内压力升高、透气桅泄放事件，采用火灾爆炸分析（FEA）方法，基于DNG-GL PHAST软件对不同风速、风向、大气稳定度下透气桅泄放事件开展可燃气云扩散、火灾热辐射模拟研究，结论如下：

1）在同一大气稳定度下，当风速增大时，50%可燃下限浓度水平扩散范围逐渐变大；在同一风速下，大气越不稳定，50%可燃下限浓度竖直扩散距离越高。

2）在2.0B气相条件下，4个透气桅支管同时泄放产生的LNG 50%可燃下限浓度距离在竖直方向的影响范围最大，可达66.63 m；在10.8D气相条件下，在水平方向上的影响范围最大，可达18.27 m。

3）建议在主甲板及上部模块区域布置合理的可燃气体探测设施。一旦透气桅出现事故泄放，人员可尽快撤离。

4）在同一大气稳定度下，随着风速的增大，透气桅泄放造成的喷射火热辐射影响距离越大；同一风速不同大气稳定度下透气桅泄放产生的喷射火热辐射影响距离一样；当风速为10.8 m/s时其热辐射影响范围最大。

5）Dry Powder、吊机和逃生安全通道，可能会受到12.5 kW/m2～37.5 kW/m2的热辐射影响，不能有人员暴露。

6）Dry Powder STR、LNG加注站、LNG Machinery room等区域，可能会受到5 kW/m2～12.5 kW/m2的热辐射影响，人员暴露2 min后至少会造成2度烧伤。建议上述区域尽可能减少人员暴露时间，且进入该区域时应穿戴硬质帽子、袖口有扣子的长袖衬衫、工作手套、长裤和工鞋等合适服饰。

7）建议根据LNG双燃料动力船的总图布置、风向及气候条件适当增加透气桅出口支管高度，增加透气桅出口的动背压，降低阀门的流通能力。

8）LNG双燃料动力船发生非常规及应急操作时，应考虑热辐射1.58 kW/m2、4.73 kW/m2、6.31 kW/m2、9.46 kW/m2对人员应急疏散的影响范围，在合适地点穿戴合适服饰开展应急疏散。

9）建议根据透气桅泄放造成的可燃气云扩散范围，严格控制点火源存在的可能性并在泄放口设置合适灭火装置。同时对主甲板及上部模块相关设备设施设置一定的热辐射防护措施，喷涂防火涂层和消防喷淋装置。