LNG 码头泄漏事故影响范围模拟研究*

骆强 曲芳 柳静献

（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136）

0 引言

作为世界上最大能源消费国，我国2021年天然气消费量就占一次能源消费总量的8.9%［1］。近年来，随着LNG 的广泛使用，为节约运输成本，我国投资建设了很多LNG 码头。由于LNG 属于重大危险源，具有低温性、可燃性和爆炸性等特征，在储运过程中，一旦发生事故将造成极大的财产损失及人员伤亡。由于LNG 码头的特性，其发生事故造成的后果极为严重。2020年11月2 日，广西北海LNG 码头发生较大着火事故，造成7 人死亡、2 人重伤，事故原因是工人在施工过程中不当操作造成LNG 喷出着火［2］。由此可见，研究并评估LNG 码头事故影响范围，对提高LNG 码头作业现场的安全管理水平、事故预防水平以及降低事故发生率具有重要意义。

国内外利用PHAST 软件对LNG 码头进行泄漏事故模拟的研究较多，但对不同孔径和天气条件下，发生泄漏事故时对人、建筑以及设备造成伤害和破坏的影响范围的研究较少。BASER B 等［3］研究了燃油储罐的地震易损性和可能损坏方式，考虑到燃料泄漏可能导致地震后火灾的发生，采用PHAST对可能的情况进行数值模拟，给出了相邻燃料箱失火大约需要的时间，为应急预案的制定提供了参考。DAN S 等［4］通过定量风险分析（包括概率和后果分析）评估了LNG-FPSO 系统着火和爆炸的风险，运用PHAST 软件针对LNG 和制冷剂从阀门泄漏设定5种释放模型场景，选取最可能引起火灾和爆炸的场景，并对后果进行模拟分析。张文冬等［5］分析了大型LNG 储罐发生泄漏可能发生的事故类型，并运用PHAST 软件模拟泄漏事件，分析了火灾的热辐射影响范围和爆炸冲击波的超压影响范围，给出了相关消防措施。李云涛等［6］利用多种计算方法和软件，探究了LNG 管道发生全管径断裂事故的影响范围。

基于以上分析，本文拟采用DNV 的PHAST 软件对LNG 码头可能发生事故的后果进行定量分析，得出在不同风速或泄漏孔径下，LNG 储罐发生蒸汽云爆炸、喷射火以及闪火事故时的影响范围，以期为相关事故预防及减少灾后损失提供一定数据支持。

1 理论模型

LNG 从容器内泄漏至周围环境时，遇到外界高温空气立即气化，并与空气迅速结合生成冷凝蒸汽雾，最终形成可燃性气团。可燃气云团扩散一般分为液体泄漏后扩散、喷射扩散和绝热扩散等3 大类［6］，LNG泄漏后，若在爆炸极限范围内被点燃，将可能会发生喷射火、闪火、蒸汽云爆炸（VCE）等事故。根据发生概率和事故后果严重度，选择分析灾难性破裂事故和不同孔径泄漏事故，利用PHAST软件中的相关模型作为模拟计算模型。这些模型的主要特点是浓度、速度和温度的分布均是假定的。这些模型包含：连续泄漏模型、瞬时泄漏模型、蒸汽云爆炸模型以及喷射火模型等。

1.1 连续泄漏模型

其中：

式中，c0为中心线质量浓度，kg/m3；x、y、z 分别为下风、侧风（横向水平）和竖直方向，m（x=0 对应于释放点，y=0 对应于羽流中心线，z=0 对应于地面）；为距烟羽中心线的距离，m；分别为质量浓度标准偏差的垂直、水平弥散系数，m；n（x）、m（x）为质量浓度垂直分布和侧风向分布函数指数。

有效高度Heff（x）可用式（4）计算：

有效云半宽Weff可用式（5）计算：

对于以环境风速ua移动的地面云，有效云速ueff由式（6）给出：

式中，环境风速公式为：ua（z）=ua（zref）（z/zref）p，其中zref为参考高度，p 为风速指数幂模型公式中的指数。

在这种情况下，在每个下风向位置x处UDM 云可以用有效高度Heff（x）、有效云半宽Weff、云速ucld（UDM 模型中的云速假定为云质心高度zc处的速度，其他模型通常采用有效云速ueff）以及浓度c（x，y,）来表征。

1.2 瞬时泄漏模型

式中，zcld（t）表示t 时刻垂直羽流离地高度；xcld（t）为t时刻气云中心传播的下风向距离，m；Rx（t）、Ry（t）分别为t 时刻下风向、侧风向扩散系数。

有效高度Heff（x）和有效云半宽Weff可分别用式（9）、式（10）计算：

式中，Aeff由式（11）计算：

有效云半宽Weff可用式（12）计算：

在这种情况下，在每个t时刻，UDM瞬时云可以通过具有有效半径Weff和有效深度Heff（1+hd）的“等效”圆柱云来表征，其中，hd为云椭圆下半部分在地面以上的面积分数；为羽流中心线与水平面的夹角，函数P（a，b）部分定义为。并以云移动速度ucld和浓度（x，y，，t）来近似该等效云。

瞬时和连续释放的微分方程组基本相同，尽管它们在第一种情况下是关于时间的积分，而后一种情况是关于距离的积分。相同的微分方程适用于分散的所有阶段（例如喷射、密集、被动）。

1.3 蒸汽云爆炸模型

由于在完全理解蒸汽云爆炸机制之前，就需要量化燃料潜在的爆炸威力，因此利用TNT 等效概念进行预测估计。一般地，TNT 等效方法可以较为简单地预测爆炸。根据TNO 黄皮书，蒸汽云中的燃烧能量根据式（13）转换为TNT 当量质量：

对于在地面发生的，质量为WTNT的标准爆炸，其爆炸超压P 和爆炸半径R 由式（14）、式（15）得到：

1.4 喷射火模型

用于喷射火计算的质量释放速率m是喷射火平均时间内多个速率的平均值，如式（16）：

式中，Mi为在i段（该模型将释放速率分成若干个等质量的段i=1，…，n）内喷射火具有的质量，（其中，Mdi为第i 段的质量释放速率，为第i 段降雨质量分数，kg/kg）。

喷射火模型中的射流速度和膨胀半径的计算公式分别为式（17）、式（18）［7］：

喷射火模型中的火焰长度根据式（19）计算：

式中，LB0为静态空气中火焰长度，m；Uw为风速，m/s；为释放方向与包含释放方向、火焰轴、风矢量的平面上的风矢量夹角，°。

喷射火尖端的宽度根据式（20）计算：

式中，R为风速（Uw）和膨胀后射流速度（vi）之间的比值（即R=Uw/vi）。

喷射火的表面辐射强度（W/m2）是指热辐射通过火焰表面积产生的热流，可由式（21）［8］计算：

式中，FS为从火焰表面辐射出的热量的比率（该比率与液体膨胀后速度和分子量有关）；m为质量释放速率，kg/s；HCOMB为燃料混合物的燃烧热，J/kg；A 为火焰总表面积，m2。

2 LNG 码头事故后果模拟与分析

2.1 LNG 罐体灾难性破裂事故

假定某码头LNG 储罐A 是容积为16×104m3的常压储罐，储存温度为-162 ℃，位置如图1（a）所示，周围主要有2 个大型LNG 储罐，本文暂不考虑储罐A 对周围储罐的影响。发生灾难性破裂事故，选择室外释放模式，并设置相关参数和事故情景［3］。

图1 云团足迹的影响范围

由图1 可知，在大气稳定性为中性-D级别，风速越大，云团足迹距离泄漏点越远，影响半径也越小。这是由于风速大使得气体分散、不容易聚集，导致在距离泄漏点很远的地方才形成蒸汽云团；当风速为3.3 m/s 时，LNG 云团扩散距离约为13 km，高度为167.6 m，宽度为3.1 m；当初始浓度相同时，风速越大，云团扩散的距离和高度越大。云团的宽度则呈相反的变化。

当可燃性蒸汽云在移动的过程中遇到点火源时则会发生蒸汽云爆炸，其影响范围如图2 所示。

图2 蒸汽云爆炸影响范围

由图2 知，风速过大或过小，都会改变蒸汽云爆炸影响范围；在爆炸初期阶段，冲击波超压会随着顺风距离的增加先不断上升，达到峰值后逐渐减弱直到趋于稳定，结合表1 和表2［9］，分析得到：当爆炸超压在0.03 ～0.05 MPa 时，在离泄漏点1 200 ～1 700 m和4 300 ～4 800 m 处，管道、建筑物复合钢板等将发生破裂，人的耳膜、内脏等器官会受到轻微损伤。当爆炸超压超过0.05 MPa 时，即在离泄漏点1 700 ～4 300 m 的范围内大部分建筑物的钢板和混凝土框架将被破坏、拖车和卡车会被掀翻，人的内脏也会遭受严重挫伤，甚至引起死亡。

表1 爆炸超压对人体的伤害

表2 爆炸超压对建筑物的破坏

2.2 LNG 罐体不同孔径下的泄漏事故

依旧选择LNG 储罐A 进行罐体不同孔径泄漏事故的模拟与分析，释放模式仍为室外，并设置好相关参数和事故情景。

影响泄漏后果的主要参数有孔径、风速、大气稳定度、地面状况以及泄漏源距离地面的高度等。在泄漏计算中，泄漏孔径是十分重要的参数，因此必须指定泄漏孔径。本研究中罐体泄漏的孔径设置为50、100、150、200 mm，在大气稳定度为D 时，风速分别为3.3、5.7、9.0 m/s。

200 mm 泄漏孔径下的喷射火范围见图3，由图3 可知，风速越大，喷射火强度半径越小，但喷射火辐射水平与风速成正比。

图3 200 mm 泄漏孔径下的喷射火范围

3.3/D 天气条件下不同泄漏孔径蒸汽云爆炸范围见图4，从图4 可知，泄漏孔径也会影响蒸汽云爆炸的范围，泄漏孔径越大，蒸汽云爆炸半径越大，超压距离越远，爆炸的最大影响半径约达310 m。结合表1 和表2 可知：在分别距离泄漏点23~77 m（泄漏孔径50 mm）、70~170 m（泄漏孔径100 mm）、120~270 m（泄漏孔径150 mm）、153~350 m（泄漏孔径200 mm）时，爆炸超压将超过0.05 MPa，在该范围内管道将破裂，建筑物钢板和混凝土框架将被破坏，拖车和卡车会被掀翻，人的内脏也会受到严重挫伤伤害，甚至引起死亡。

图4 3.3/D 天气条件下不同泄漏孔径蒸汽云爆炸范围

3.3/D 天气条件下不同泄漏孔径下的喷射火范围见图5，喷射火焰辐射与距离随泄漏孔径增大而不断增大，同时喷射火焰强度半径也随泄漏孔径增大而增加。在顺风距离分别为0~38 m（泄漏孔径50 mm）、0~72 m（泄漏孔径100 mm）、0~103 m（泄漏孔径150 mm）、0~134 m（泄漏孔径200 mm）的范围内时，其辐射能量超过12.5 kW/m2，根据热通量准则［10］，在这4 个范围内应避免木材和塑料设备的使用，同时，在该范围，10 s 内可对人员造成1 度烧伤，1 min内可造成1%的人员死亡，因此在该区域的所有人员应当穿着特定的防护服，以免受到严重伤害。在顺风距离38~45 m（50 mm 泄漏孔径）、72~82 m（100 mm 泄漏孔径）、103~120 m（150 mm 泄漏孔径）、134~152 m（200 mm 泄漏孔径）的范围内时，其辐射能量超过了4.0 kW/m2，根据热通量准则，当辐射能量超过4 kW/m2时，玻璃设备将在30 min内破裂，因此在该范围内应避免使用玻璃仪器，同时，若相关人员在该范围内停留20 s以上，将产生痛感，也可能造成烧伤，故在该区域的所有人员应当穿着专业防护服进行作业，以免遭受烧伤。

图5 3.3/D 天气条件下不同泄漏孔径下的喷射火范围

2.3 相关安全性对策

综合以上的结论并结合相关规范，提出预防LNG 码头火灾爆炸事故的安全性措施与建议：

1）设立完整的安全管理机构，完善应急预案的内容，制定针对各类紧急事故状况的详细处理方案。针对LNG 码头内独有的特性，编制出书面形式的培训方案，并对人员进行有针对性的安全教育和安全培训。

2）为防止LNG储罐核心区域发生不同程度的泄漏事故，在0 ～152 m 的范围内，避免使用玻璃仪器设备；在0 ～134 m 范围内避免使用木制和塑料制品；为避免爆炸超压对人造成严重伤害，在350 m 范围内，应该严格控制人员的进出，实行非必要不进入该区域的措施，当进入该区域时，必须穿戴专业防护措施；同时，为了预防出现重大泄漏事故（储罐发生灾难性破坏），在距该区域1 700 m 范围内的人员也最好穿戴专业的安全防护装备。

3 结论

1）依据PHAST 软件的模拟结果，当LNG 储罐发生灾难性破裂时，在离泄漏点1 200 ～1 700 m 和4 300 ～4 800 m 处，管道、建筑物复合钢板等将被破坏，人的耳膜、内脏等器官会受到伤害；在离泄漏点1 700 ～4 300 m的范围，爆炸超压达到0.05 MPa时，绝大多数建筑物的钢板和混凝土框架将被破坏、拖车和卡车会被掀翻，人的内脏也会遭受严重挫伤，甚至引起人员死亡。

2）采用PHAST 软件模拟分析了当LNG 储罐发生不同孔径泄漏事故时的影响范围。在孔径相同的条件下，喷射火强度半径与风速成反比，喷射火辐射水平与风速成正比。在相同天气条件下，泄漏孔径越大，蒸汽云爆炸半径越大；在0~134 m 的范围内，应避免木材和塑料设备的使用，同时，在该区域的所有人员应当穿着特定的防护服，以免受到严重伤害，在非必要情况下，人员最好不要进入该区域。