LNG槽船裝卸臨時性重大危險源事故風險評價

摘 要

摘要：基于LNG槽船運輸過程中的安全現狀分析和事故統計，結合高斯氣羽模型模擬計算了某港口LNG槽船靠泊發生泄漏時，LNG的泄漏速率、泄漏量和蒸發速率、擴散濃度分布。對發生泄漏
摘要：基于LNG槽船運輸過程中的安全現狀分析和事故統計，結合高斯氣羽模型模擬計算了某港口LNG槽船靠泊發生泄漏時，LNG的泄漏速率、泄漏量和蒸發速率、擴散濃度分布。對發生泄漏后的蒸氣云爆炸進行風險評價，得到了LNG蒸氣云爆炸事故危害程度和范圍。提出應將LNG的運輸納入臨時性重大危險源。
關鍵詞：LNG槽船運輸；泄漏；臨時性重大危險源
Risk Assessment for Temporary Major Hazard Source Incidents during Loading and Unloading LNG Tank Ship
TAN Si-hong，LIU Qing-hui
Abstract：Combined with Gaussian plume model，the leakage rate，leakage，evaporation rate and diffusion concentration distribution of LNG are simulated and calculated when the LNG tank ship leakage occurs during docking at a port based on the analysis of safety status and the statistics of incidents during LNG tank ship transportation. The risk assessment for vapor cloud explosion after leakage is performed，and the degree and scope of harms from LNG vapor cloud explosion accident are obtained. It is pointed out that LNG transportation should be included in temporary major hazard sources.
Key words：LNG tank ship transportation；leakage；temporary major hazard source
    近年來，我國的燃氣事業發展迅速[1]。在進口液化天然氣方面，預計到2020年，中國需要進口2500×104t/a，是目前廣東LNG接收站總量的7倍。LNG進口運輸的主要方式是槽船運輸，大型LNG船在靠泊碼頭時是一個巨大的危險源。但現行國家重大危險源辨識標準：《危險化學品重大危險源辨識》GB 18218—2009中并沒有包括LNG的運輸。由于LNG危險性比較高，泄漏時容易發生火災、爆炸等重大安全事故[2]，應將LNG運輸作為臨時性重大危險源考慮，加強其安全管理顯得非常重要。本文采用高斯氣羽模型(GPM)和中國安全科學研究院編制的重大危險源區域定量分析評價軟件(CASST-QRA)對LNG泄漏進行定量計算，希望能為LNG運輸的安全管理和事故應急救援提供幫助。該軟件獲得勞動部、北京市、國家安全生產監督管理總局安全生產科技成果獎一等獎。本文以某LNG運輸碼頭為例，結合項目運行的情況和2006年交通部的事故數據統計分析，得出其發生重大事故的可能形式為LNG泄漏事故和LNG蒸氣云爆炸事故。
1 LNG泄漏擴散風險評價
1.1 LNG泄漏擴散事故情景模擬
    假設LNG管道在裝卸船過程中出現連續性液態泄漏，由于在實際生產過程中均采取了壓力、流量檢測與控制等措施，所以持續泄漏的時間一般較短，現假設泄漏時間為3min。根據《工業污染事故評價技術手冊》的要求以及液體化工品、LNG事故案例分析[3、4]，假設泄漏事故規模見表1。
表1 LNG泄漏事故規模
泄漏貨種
泄漏源
泄漏規模(即管道泄漏孔徑)/mm
泄漏時間
/min
中孔泄漏
大孔泄漏
LNG
碼頭管道
50
100
3
1.2 環境條件
   LNG蒸氣的擴散與環境條件密切相關，假設地形和氣象條件見表2。
表2 LNG擴散的環境條件
環境條件
模型指標
地形情況
開闊平地
地面類型
混凝土
潮濕情況
比較潮濕
平均風速/(m·s-1)
2.5
年平均氣溫/℃
21.4
云層狀況
云層覆蓋大部分天空
1.3 LNG泄漏速率及蒸發速率計算
   ① 泄漏速率模擬計算
   碼頭管道系統LNG的泄漏速率主要取決于管道內的壓力與大氣壓之差，其計算基于Bernoulli方程[5]，表達式為：
    vL=f(Cd，AL，ρ，pL，pa)    (1)
式中vL——LNG的泄漏速率，kg/s
    Cd——泄漏系數
    AL——泄漏口的面積，m2
    ρ——LNG的密度，kg/m3
    pL——管道內LNG的壓力，Pa
    pa——大氣壓力，Pa
   ② 蒸發速率模擬計算
   LNG泄漏后，液體沿地面向四周流動并形成一定面積的液池，液池內的LNG在蒸發作用下向大氣擴散，直接危害現場作業人員的身體健康并且有爆炸的危險。模擬中孔泄漏液池面積為400m2，經計算蒸發速率為4.4kg/s。
1.4 計算結果
   參照《安全評價》(第3版)的相關公式[5]，泄漏量的計算結果見表3。
   從表3可以看出，在中孔泄漏、泄漏3min情況下，管道系統將有約2000kg的LNG泄漏，經濟損失嚴重；大孔泄漏事故的泄漏量約有10080kg。如此多的泄漏物料沿地面流淌形成液池，并不斷蒸發形成易燃、易爆的蒸氣云團，危險性極大。
表3 典型貨種泄漏速率、泄漏量及液池蒸發速率計算結果
泄漏貨種
事故規模
泄漏速率/(kg·s-1)
泄漏量/kg
LNG
中孔泄漏
11.1
2000
大孔泄漏
56.0
10080
    ① LNG擴散濃度計算及風險評價
    a. LNG擴散模式
本評價選取的擴散模式為高斯氣羽模型。該模型是計算釋放到大氣中的污染物沿下風向濃度分布的應用模型，該模型適用于蒸氣擴散及液體轉變為蒸氣的擴散。該模型假定氣羽在水平方向和垂直方向上的污染物濃度符合高斯分布，基本方程為[5]：
 
式中ρ(x，y，z)——下風向空間任意一點的質量濃度，mg/m3
    Q——擴散源強(單位時間擴散量)，kg/s
    ua——風速，m/s
    Fy——橫向擴散函數，m-1
    x——下風向縱向距離，m
    y——橫向距離，m
    Fz——垂直擴散函數，m-1
    z——距地面高度，m
    由表3可知，LNG液池蒸發速率為4.4kg/s，作為LNG蒸氣的擴散源強。
    b. 危險區域的濃度閾值選取
    LNG蒸發達到一定濃度時，可能危及人的生命安全，遇到明火，甚至會產生爆炸。本評價根據LNG蒸氣擴散到不同濃度時造成危害程度的大小，將LNG擴散的危險區域劃分為3個區。爆炸危險區(A區)：LNG蒸氣濃度高于爆炸下限，遇明火產生爆炸；嚴重損害區(B區)：LNG蒸氣濃度較高，可能造成人員急性中毒甚至死亡；輕度損害區(C區)：LNG蒸氣濃度可引起人員不良反應，造成輕度中毒或吸入反應。3個區域的關系見圖1。
② 各危險區域濃度閾值的確定
LNG擴散危險區域的濃度閾值選取見表4。
表4 LNG蒸氣危害閾值表
貨種
危害程度
區域
質量濃度/(mg·m-3)
LNG
爆炸危險區
A
41344
嚴重損害區
B
17990
輕度損害區
C
8586
③ 擴散危害距離計算
經計算，LNG蒸氣的擴散危害最大距離見表5。
表5 LNG蒸氣擴散危害最大距離
泄漏物料
A區最大距離/m
B區最大距離/m
C區最大距離/m
LNG
58
97
151
2 LNG蒸氣云爆炸事故風險評價
按上述LNG泄漏事故構成典型事故情景，情景構成及風險評價所需各種輸入參數見表6。
表6 LNG泄漏事故風險評價的典型事故情景構成及輸入參數[5]
泄漏事故類型
泄漏形態
泄漏方式
泄漏速率/(kg·s-1)
蒸氣云質量/kg
管道中孔泄漏
50mm中孔泄漏，液態
連續泄漏
11.1
12186
    LNG泄漏以后，經過蒸發、擴散和與空氣混合，在一定范圍內形成爆炸性蒸氣云，一旦遇到明火，就會發生爆炸。蒸氣云爆炸不僅對處于爆源(即蒸氣云)中的人員、建筑物及設備等造成嚴重損壞，爆炸所產生的爆炸波也將對爆源周圍的人員、建筑物及設備等造成危害。針對碼頭區域LNG蒸氣云爆炸事故對周圍人員與建筑物的危害進行模擬評價，事故后果見圖2。
 
該碼頭LNG蒸氣云爆炸事故計算后果見表7。當該碼頭發生管道中孔泄漏、蒸氣云爆炸事故時，人員死亡、重傷半徑、輕傷半徑分別為40m、69m、117m?？梢姡魵庠票ㄊ鹿蕦θ藛T的傷害是較為嚴重的。
表7 某碼頭LNG蒸氣云爆炸事故后果
泄漏模式
災害模式
死亡半徑/m
重傷半徑/m
輕傷半徑/m
管道中孔泄漏
蒸氣云爆炸
40
69
117
3 結論
   通過定量計算對某碼頭模擬發生LNG泄漏擴散風險評價以及蒸氣云爆炸，得到主要結論如下。
   ① 發生泄漏擴散后，如果A區域(蒸氣沿下風向距泄漏點58m范圍內)有明火，將引發爆炸、燒事故；B區域(蒸氣沿下風向距泄漏點97m范圍內)的暴露人員將可能發生急性中毒或窒息死亡；C區域(蒸氣沿下風向距泄漏點151m范圍內)的暴露人員將會發生輕度中毒影響身體健康。因此，在防止泄漏事故的同時，應嚴格控制火源，加強個人防護意識，避免人員傷亡和財產損失。
   ② 從發生蒸氣云爆炸后果看，人員死亡、重傷半徑、輕傷半徑分別為40m、69m、117m；暴露在戶外的碼頭作業人員及船員將遭受重傷以上的傷害，停泊在碼頭的船舶及LNG管道、裝卸臂等設備設施將遭受嚴重破壞。
   ③ 雖然LNG的運輸不包括在目前的危險化學品重大危險源辨識范圍內，但是槽船運輸LNG的量大、危險性也較高，因此建議將其按照臨時|生重大危險源來管理。制定相應的應急處理方案，在發生事故時及時控制泄漏，并在必要時組織危險區域內的人員安全疏散。
參考文獻：
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[5] 國家安全生產監督管理總局.安全評價(第3版)[M].北京：煤炭工業出版社，2005.
 
(本文作者：譚四紅1 劉慶輝2 1.深圳市燃氣集團股份有限公司 廣東深圳 518040；2.廣東省安全科學技術研究所 廣東廣州 510620)