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LPG球罐泄漏后果定量分析

文檔作者：唐勝楠馮磊文檔來源： 1．深圳市燃?xì)夤こ淘O(shè)計有限公司 2．湖南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月06日
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第37卷第9期
2017年9月
煤氣與熱力
GAS ＆ HEAT
V01．37 No．9
Sep．2017
LPG球罐泄漏后果定量分析
唐勝楠 ， 馮磊
(1．深圳市燃?xì)夤こ淘O(shè)計有限公司，廣東深圳518000；2．湖南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳，
湖南長沙410116)
摘要： 應(yīng)用定量風(fēng)險評價軟件PHAST對某5 000 m LPG儲罐泄漏后果(各種火災(zāi)、爆炸)
進(jìn)行模擬，根據(jù)事故后果傷害準(zhǔn)則確定事故后果影響范圍，分析泄漏場景、泄漏時間對事故后果的
影響。
關(guān)鍵詞： LPG儲罐； 泄漏后果； 定量分析； 風(fēng)險評價； 火災(zāi)； 爆炸
中圖分類號：TU996．9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1000—4416(2017)09—0B34—05
1 概述
LPG作為一種燃料和化工基本原料，其資源豐
富、污染小、價格低 J，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)
用非常廣泛，在化工原料需求的推動下，LPG市場日
益繁榮，2014年進(jìn)口量刷新歷史最高紀(jì)錄 J。目前
市場上的LPG多為常溫、一定壓力狀態(tài)下的全壓力
式儲罐儲存。LPG極易燃燒，與空氣混合能形成爆
炸性混合物，遇明火易燃燒和爆炸，燃燒溫度能達(dá)到
1 800℃。在運(yùn)輸、儲存和利用的各環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生
事故，都會嚴(yán)重威脅人民的生命和財產(chǎn)安全。近年
來，國內(nèi)發(fā)生了多起LPG燃燒爆炸事故，因此，有必
要對LPG儲罐爆炸火災(zāi)后果進(jìn)行分析，為事故處理
提供理論依據(jù) j。
2 LPG儲罐事件樹
一旦LPG泄漏到大氣中，將發(fā)生閃蒸進(jìn)而產(chǎn)生
兩相釋放。LPG儲罐泄漏場景根據(jù)儲罐損傷的程度
分為完全破裂和孔泄漏兩類?？仔孤┖蠊治鍪录?
樹見圖1，完全破裂后果分析事件樹見圖2，主要為
超壓和熱輻射的影響，具體有以下幾種情況。
① 安全擴(kuò)散。
② 噴射火：LPG發(fā)生泄漏時形成射流，若在泄
漏口處被點(diǎn)燃，則形成噴射火。
③ 蒸氣云爆炸：儲罐泄漏后形成蒸氣云，蒸氣
云的來源為LPG的氣相或兩相物質(zhì)的噴射釋放，或
者來自于未燃燒液體形成的液池表面的蒸發(fā)。延時
點(diǎn)火導(dǎo)致蒸氣云爆炸，蒸氣云爆炸會產(chǎn)生顯著超壓，
僅在火焰以極高的速度傳播時才會發(fā)生。火焰?zhèn)鞑?
速度受分子和湍流傳輸過程的影響，只有在蒸氣云
內(nèi)形成湍流狀態(tài)下的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔抛銐蛞鹫魵?
云爆炸，在層流或接近層流的狀態(tài)下只會形成閃火。
通常認(rèn)為點(diǎn)火延時1—5 min最有可能產(chǎn)生蒸氣云
爆炸 。
④ 閃火：閃火也是由蒸氣云的延時點(diǎn)火引起
的，是一種爆燃現(xiàn)象，在蒸氣云內(nèi)形成層流或接近層
流的狀態(tài)下才會形成閃火。與蒸氣云爆炸相比，閃
火更為常見，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，能量較低，也不會
形成超壓。
⑤ 火球：火球是由于LPG的過熱液體或蒸氣
瞬間點(diǎn)燃形成的，火球總是與物理爆炸或沸騰液體
擴(kuò)展為蒸氣云爆炸同時發(fā)生。只有瞬間大量泄漏或
完全破裂才需要計算火球的影響，持續(xù)泄漏不會形
成火球。
⑥ 池火：LPG泄漏后會形成液池。隨著液池
的形成，部分液體會蒸發(fā)，如果此時氣化的易燃物遇
作者簡介：唐勝楠，女，助理工程師，碩士，主要從事燃?xì)夤こ淘O(shè)計工作。
收稿日期：2016—08—24； 修回日期：2017—07—12
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唐勝楠，等：LPG球罐泄漏后果定量分析 第37卷第9期
到點(diǎn)火源，同時達(dá)到了它的可燃下限，池火就會發(fā)
生。燃燒比較穩(wěn)定，持續(xù)時間較長。
⑦ 沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣云爆炸(BLEVE)：
BLEVE發(fā)生在儲罐破裂時，大量過熱的LPG釋放到
大氣中迅速膨脹產(chǎn)生超壓沖擊波。通常，BLEVE后
面會緊隨火球。
蒸氣云爆炸
無點(diǎn)火源 安全擴(kuò)散
圖1 孔泄漏后果分析事件樹
蒸氣云爆炸
—
池火
火焰鋒面移動快
火焰鋒面移動慢池火
持續(xù)泄漏 火球
瞬間泄漏
沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣云爆炸
無點(diǎn)火源
圖2 完全破裂后果分析事件樹
3 某EPG球罐泄漏后果定量分析
3．1 基礎(chǔ)參數(shù)
① 儲罐參數(shù)
公稱直徑為21．2 m，公稱容積為5 000 m ，充裝
系數(shù)為0．85，工作溫度為22．4℃ ，罐底距地面高度
1．8 m，儲罐中心高度為12．4 m。
② 氣象參數(shù)
年平均溫度為25℃ ，年平均相對濕度為80％。
大氣穩(wěn)定度通常采用Pasquil1分類方法確定，分為
A、B、C、D、E、F共6類。根據(jù)儲罐所在城市的氣象
參數(shù)，設(shè)定風(fēng)速及對應(yīng)的大氣穩(wěn)定度分別為1．5 m／
s、F，5 m／s、C，10 m／s、D，依次簡寫為1．5／F，5／C，
10／D。
③ 物料參數(shù)
此LPG中丙烷的體積分?jǐn)?shù)為30％ ，丁烷的體積
分?jǐn)?shù)為70％ ，質(zhì)量為2．35×10。kg，爆炸極限(體積
分?jǐn)?shù))為1．62％ ～9．14％ 。
3．2 事故后果傷害準(zhǔn)則
3．2．1 沖擊波超壓準(zhǔn)則
計算沖擊波造成傷害一般由超壓值和其對人造
成的傷害、對建筑造成的破壞程度來描述。3種典
型的超壓級別分別為 J：
① 超壓0．002 068 MPa：超壓低于該值時，不
造成嚴(yán)重?fù)p壞的概率為0．95；屋頂出現(xiàn)某種破壞；
10％的窗戶玻璃被打碎。對房屋有輕度破壞，人可
能會輕度受傷。
② 超壓0．013 79 MPa：房屋的墻和屋頂局部
坍塌，即對房屋有重度破壞，不能居住，人員會有重
傷危險。
③ 超壓0．020 685 MPa：工廠建筑物內(nèi)的重型
機(jī)械(質(zhì)量1 362 kg)輕微損壞；鋼結(jié)構(gòu)建筑變形，并
離開基礎(chǔ)?？纱輾Х课?，人員有死亡危險。
3．2．2 熱輻射傷害準(zhǔn)則
熱輻射對人體傷害，主要是通過不同熱輻射量
對人體造成的不同傷害程度來表示，傷害半徑有一
度燒傷(輕傷)半徑、二度燒傷(重傷)半徑、死亡半
徑3種，使用Pietersen提出的熱輻射影響模型進(jìn)行
計算。根據(jù)AQ／T 3046-2013《化工企業(yè)定量風(fēng)險
評價導(dǎo)則》表H．2，得到不同輻射照度對周圍設(shè)施
和人體的破壞或傷害程度，見表1。
表1 不同輻射照度對周圍設(shè)施和人體的
破壞或傷害程度
輻射照度 對周圍設(shè)施 對人體的傷害
／(kW·m ) 的破壞
37 1％死亡(暴露 10 s)；lOO％
．50 操作設(shè)備損壞 死亡(暴露1
min)
在無火焰、長 重大燒傷(暴露10 S)；
25．o0 時間輻射下能 100％死亡(暴露1 min)
導(dǎo)致木材燃燒
有火焰時，木
12．50 材會燃燒，塑 一度燒傷(暴露10 s)；1％
料會熔化 死亡(暴露 1 min)
在8 S內(nèi)裸露皮膚有痛感，
6 無熱輻射屏蔽設(shè)施時，操作
． 30 人員穿上防護(hù)服可停留1
min
暴露16 S，裸露皮膚時有痛
4 感；無熱輻射屏蔽設(shè)施 時，
． 70 操作人員穿上防護(hù)服可停
留幾分鐘
4 暴露 20 s以上感覺疼痛 ，
．0o 未必起泡
1．58 長期接觸不會有不適感
· B 35 ·
第37卷第9期 煤氣與熱力
3．3 后果分析
在定量風(fēng)險評價軟件PHAST中輸入第3．1節(jié)
中的儲罐、氣象、物料參數(shù)進(jìn)行建模并計算，可以模
擬各種火災(zāi)及爆炸后果，對生成的報告和圖表進(jìn)行
整理分析。在下文各類后果影響范圍數(shù)值中，數(shù)值
為正表示沿下風(fēng)向與泄漏點(diǎn)的距離，數(shù)值為負(fù)表示
沿上風(fēng)向與泄漏點(diǎn)的距離；瞬間發(fā)生的反應(yīng)，如
BLEVE、閃火，其影響范圍始終以泄漏點(diǎn)為中心；有
一定持續(xù)時間的反應(yīng)，如噴射火、池火等，其影響范
圍受風(fēng)力和風(fēng)向的影響，會產(chǎn)生偏移。
3．3．1 完全破裂
釋放位置選取球罐中心高度12．4 m處。完全
破裂的后果主要有蒸氣云爆炸、BLEVE和閃火。
① 蒸氣云爆炸
蒸氣云爆炸的主要后果為沖擊波的傷害。瞬時
爆炸：儲罐發(fā)生瞬間或短時間泄漏時，在蒸氣云開始
擴(kuò)散前，全部可燃物都參與爆炸(參與爆炸的可燃
物量為2．35 X 10。kg)，爆炸中心為泄漏點(diǎn)，瞬時爆
炸影響半徑見表2。延時爆炸：發(fā)生在蒸氣云擴(kuò)散
后，參與爆炸的可燃物量由點(diǎn)火時蒸氣云的濃度和
爆炸極限決定。延時爆炸的影響區(qū)域取決于點(diǎn)火時
間和點(diǎn)火位置，點(diǎn)火時間(即泄漏的時間)與點(diǎn)火位
置(距離泄漏點(diǎn)的位置)見表3，延時爆炸影響范圍
見表4。超壓值隨著與爆炸中心距離的增大而遞
減，表2、4中超壓值影響范圍是指從爆炸中心開始
壓力遞減到該值時沖擊波到達(dá)的最大范圍，如果影
響范圍是圓形則影響范圍對應(yīng)的半徑為影響半徑。
表2 蒸氣云瞬時爆炸影響范圍
超壓值／MPa 0．002 068 0．0l3 790 0．020 685
1．5／F條件下的影響 5 194
． 90 1 009．66 757．01
半徑／m
5／C條件下的影響半 5 194
． 90 1 o09．66 757．O1
徑／m
10／D條件下的影響半 5 194
． 90 1 009．66 757．01
徑／m
表3 蒸氣云延時爆炸點(diǎn)火時間與點(diǎn)火位置
氣象條件 點(diǎn)火時間／s 點(diǎn)火位置／m
1．5／F 39．89 310
5／C 55．19 540
10／D 60．58 680
表4 蒸氣云延時爆炸影響范圍
超壓值／MPa O．oo2 068 O．013 790 0．020 685
1．5／F條件下 —．4 780— 1 850— 1 978—
的影響距離／m 5 440 2 430 2 362
5／C條件下的 ——4 762～ 1 834～ 2 031～
影響距離／m 5 662 2 666 2 569
10／D條件下的 ．．4 535— 2 334～ 2 494～
影響距離／m 5 895 3 006 2 926
② BLEVE
BLEVE產(chǎn)生的事故后果為火球熱輻射和超壓，
BLEVE的燃?xì)庑孤r間達(dá)到軟件計算泄漏時間上
限3 600 S，在此期間軟件按照一定時間間隔進(jìn)行計
算，得到多種產(chǎn)生BLEVE后果的情況，給出了影響
最大的結(jié)果。火球熱輻射和超壓影響半徑分別見表
5、6
表5 BLEVE火球熱輻射影響半徑
輻射照度／ 4
． 0 12．5 37．5
(kW ·m )
1．5／F條件下 1 770
． 85 928．7O 201．38
的影響半徑／m
5／C條件下的 1 770
． 85 928．70 201．38
影響半徑／m
IO／D條件下的 1 770
． 85 928．70 201．38
影響半徑／m
表6 BLEVE的超壓影響半徑
超壓值／MPa 0．002 068 0．013 790 0．020 685
1．5／F條件下的 609
． 92 156．99 123．20
影響半徑／m
5／C條件下的 609
． 92 156．99 123．20
影響半徑／m
IO／D條件下的 609
． 92 156．99 123．20
影響半徑／m
③ 閃火
閃火的主要危害為熱輻射和火焰直接灼燒，閃
火比蒸氣云爆炸更易發(fā)生，一般持續(xù)時間不超過0．1
S
8]
。泄漏燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸下限(燃?xì)怏w積
分?jǐn)?shù)為1．6％)時對應(yīng)的邊界稱為下限邊界，達(dá)到爆
炸上限(燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)為9．1％)時對應(yīng)的邊界稱為
上限邊界，上限邊界與下限邊界之間的范圍稱為閃
火火焰區(qū)域。閃火火焰區(qū)域內(nèi)，人員的死亡概率為
100％ 。閃火的燃?xì)庑孤r間達(dá)到軟件計算泄漏時
間上限3 600 s，在此期間軟件按照一定時間間隔進(jìn)
行計算，得到多種產(chǎn)生閃火后果的情況，給出了影響
最大的結(jié)果。閃火上、下限邊界半徑見表7。
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唐勝楠，等：LPG球罐泄漏后果定量分析 第37卷第9期
表7 閃火上、下限邊界半徑
氣象條件 上限邊界半徑／m 下限邊界半徑／m
1．5／F 162．79 1 394．98
5／C 251．21 1 700．80
10／D 449．38 2 119．12
3．3．2 大孔泄漏
大孔泄漏會導(dǎo)致閃火、噴射火、池火、蒸氣云爆
炸等后果。根據(jù)AQ／T 3046-2013《化工企業(yè)定量
風(fēng)險評價導(dǎo)則》的相關(guān)規(guī)定，大孔泄漏的孔徑代表
值為100 mm。泄漏位置假設(shè)在罐底，標(biāo)高為1．8
m。噴射火和池火的泄漏時間均為20 s。閃火的燃
氣泄漏時間達(dá)到軟件計算泄漏時間上限3 600 S，在
此期間軟件按照一定時間間隔進(jìn)行計算，得到多種
產(chǎn)生閃火后果的情況，給出影響最大的結(jié)果。大孔
泄漏閃火上、下限邊界影響半徑見表8，噴射火影響
范圍見表9。池火根據(jù)點(diǎn)火的時間不同分為瞬時池
火和延時池火。瞬時池火：點(diǎn)火發(fā)生在液池還未形
成完全時；延時池火：點(diǎn)火被延緩，火焰直徑等于最
大液池直徑。瞬時池火影響范圍見表10，延時池火
影響范圍見表11，蒸氣云延時爆炸點(diǎn)火時間與點(diǎn)火
位置見表l2，蒸氣云延時爆炸點(diǎn)火時間與點(diǎn)火位置
為軟件選取所有計算后果中影響最大的情況對應(yīng)的
數(shù)據(jù)。蒸氣云延時爆炸影響范圍見表13。表11中
36．68 m數(shù)據(jù)不符合常理，但是差別不大，筆者認(rèn)為
可能是存在軟件模擬取值誤差。
表8 大孔泄漏閃火上、下限邊界半徑
氣象條件 上限邊界半徑／m 下限邊界半徑／m
1．5／F 36．06 271．45
5／C 34．41 258．54
10／D 30．52 195．65
表9 大子L泄漏噴射火影響范圍
輻射照度／
4．0 12．5 37．5
(kW ·m )
1．5／F條件下的 一31．00～ —5．00～ —1．00～
影響距離／m 220．60 168．O0 136．81
5／C條件下的 一48．00～ —8．00— 一3．00～
影響距離／m 210．60 156．3O l24．40
IO／D條件下的 一6O．00～ —11．00～ —4．00～
影響距離／m 205．00 149．50 l16．90
表10 大孑L泄漏瞬時池火影響范圍
輻射照度
4．0 12．5 37．5
／(kW ·m )
1．5／F條件下的 3
1．16～55．80 35．65—49．48 36．13～42．34
影響距離／m
5／C條件下的
35．00—51．26 36．94～47．21 36．94 41．24
影響距離／m
IO／D條件下的
36．00～49．61 36．13—42．34 37．23～40．89
影響距離／m
表1 1 大孔泄漏延時池火影響范圍
輻射照度
4．0 12．5 37．5
／(kW ·m )
1．5／F條件下的
16．92～73．51 28．39～60．39 32．82—47．72
影響距離／m
5／C條件下的 28
． 54 ～61．59 34．33～53．77 35．25—44．69
影響距離／m
IO／D條件下的 36
． 68 ～56．64 36．11—51．36 36．11—43．55
影響距離／m
表12 蒸氣云延時爆炸點(diǎn)火時間與點(diǎn)火位置
氣象條件 點(diǎn)火時間／s 點(diǎn)火位置／m
1．5／F 115．49 440
5／C 61．94 36O
10／D 25．36 270
表13 大孑L泄漏蒸氣云延時爆炸影響范圍
超壓值 0
． 0o2 068 0．013 790 0．020 685
／MPa
1．5／F條件下的 一32．79～ 364．22— 388．19～
影響距離／m 952．21 555．66 531．73
5／C條件下的 一102．68～ 286．19～ 309．66—
影響距離／m 861．84 473．65 450．21
10／D條件下的 一1l2．95～ 203．65— 222．75—
影響距離／m 672．51 356．29 337．20
3．3．3 中孔泄漏
中孔泄漏會導(dǎo)致閃火、噴射火、蒸氣云爆炸等后
果。選取的孔徑代表值為25 mm，其他發(fā)生閃火、噴
射火、蒸氣云爆炸的條件同大孔泄漏。中孔泄漏閃
火上、下限邊界半徑見表l4，噴射火影響范圍見表
15，蒸氣云延時爆炸影響范圍見表16。
表14 中孑L泄漏閃火上、下限邊界半徑
氣象條件 下限邊界半徑／nl 上限邊界半徑／m
1．5／F 8．61 45．21
5／C 8．17 39．50
10／D 7．32 26．44
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第37卷第9期 煤氣與熱力
表15 中孔泄漏噴射火影響范圍
輻射照度／ 4
(kW ． 0 12．5 37．5
·m )
1．5／F條件下的 一6．84～ 一1．48— O．96～
影響距離／m 66．6l 51．28 42．14
5／C條件下的 —l0．46～ —2，67～ O．28～
影響距離／m 63．30 47．46 38．09
10／D條件下的 一14．17～ —3．64— 一O．56
影響距離／m 61．46 45．23 35．67
表16 中孔泄漏蒸氣云延時爆炸影響范圍
超壓值 0
． ／MP 002 068 O．013 790 0．020 685
a
1．5／F條件下的 3．27～ 89．25～ 94．45～
影響距離／m 216．73 130．74 125．55
5／C條件下的 一15．21～ 61．50～ 66．13
影響距離／m 175．21 98．50 93．87
IO／D條件下的 一12．45一 45．92～ 49．44—
影響距離／m l32．45 74．O8 70．56
3．3．4 小孔泄漏
小孔泄漏會導(dǎo)致閃火、噴射火。選取的孔徑代
表值為5 mm，其他發(fā)生閃火、噴射火的條件同大孔
泄漏。小孔泄漏閃火上、下限邊界半徑見表17，噴
射火影響范圍見表18。
表17 小子L泄漏閃火上、下限邊界半徑
氣象條件 下限邊界半徑／m 上限邊界半徑／m
1．5／F 1．82 6．68
5／C 1．78 5．99
10／D 1．69 5．03
表18 小孔泄漏噴射火影響范圍
輻射照度／
(kW ·m ) 4．0 12．5 37．5
1．5／F條件下的 一1．98～ 0．43— 2．75～
影響距離／m 15．01 11．35 8．71
5／C條件下的 一2．70～ —0．02～ 1．89～
影響距離／m 14．17 10．42 7．75
10／D條件下的 一3．20～ —0．40— 1．40～
影響距離／m 13．70 9．87 7．17
4 結(jié)論
① 運(yùn)用定量風(fēng)險評價軟件對LPG儲罐發(fā)生
事故的后果進(jìn)行模擬，得出儲罐一旦發(fā)生泄漏，周邊
受影響范圍及受影響程度。
② 由模擬結(jié)果可知，LPG儲罐一旦發(fā)生泄漏
爆炸，泄漏孔徑越大，事故破壞力越強(qiáng)，波及范圍越
大；還與環(huán)境因素尤其是風(fēng)速相關(guān)，風(fēng)速越大，泄漏
擴(kuò)散范圍越大，遇到點(diǎn)火源后，火災(zāi)爆炸影響范圍越
大。
③ 由LPG儲罐泄漏發(fā)生爆炸事故后果嚴(yán)重
情況可知，維護(hù)廠站日常生產(chǎn)安全的重要性。因此
企業(yè)要加強(qiáng)廠站工作人員的安全培訓(xùn)，廠區(qū)內(nèi)設(shè)置
可燃?xì)怏w泄漏報警器，從源頭上杜絕一切點(diǎn)火源，防
微杜漸，嚴(yán)抓生產(chǎn)安全。
④ 模擬結(jié)果可以為企業(yè)制定安全生產(chǎn)措施及
應(yīng)急預(yù)案提供參考，一旦發(fā)生事故，要迅速撤離受影
響區(qū)域范圍內(nèi)的人員，事故現(xiàn)場分級劃分危險區(qū)域，
減少周邊人員的傷亡和財產(chǎn)損失。
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析中的應(yīng)用[J]．石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2013，29
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健康協(xié)會2011年學(xué)術(shù)年會論文集．北京：煤炭工業(yè)出
版社，2011：368—372．
Quantitative Analysis of Leakage
Consequences of LPG Spherical Tanks
TANG Shengnan．FENG Lei
Abstract： The leakage consequences(all kinds
of fire and explosion1 of a 5 000 m LPG tank is simu—
lated using the quantitative risk assessment software
PHAST．The effect scope of accident consequences is
determined according to the accident consequence
damage criterion． rhe influence of leakage scene and
leakage time on accident consequences is analyzed．
Key words： LPG tank；leakage consequences；
quantitative analysis；risk assessment；fire；explosion
· B 38 ·

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