液化天然气接收站集液池池火灾模拟分析与研究.pdf

2023 年第 39 卷第 2 期石油化工安全环保技术PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY45液化天然气因具有清洁、无毒、无腐蚀等特点，相对于传统能源来说，具有更大的优势。随着国内对天然气的需求越来越大，液化天然气接收站的数量也日益增多。液化天然气主要成分为甲烷，它是将天然气在大气压下冷却形成的液态介质，当液化天然气泄漏后，将迅速气化，极易扩散与挥发，遇到点火源后可能发生火灾或爆炸等事故。接收站在发生泄漏扩散后，若处理不当，可能会引起较为严重的后果，尤其是针对储罐的泄漏工况及其可能引起的安全事故，应当根据相关规定进行更全面的分析并采取相应措施。主要针对火灾事故工况展开分析与研究。在不同类型的火灾中（蒸气云火灾、喷射火灾、火球等），池火最为常见，发生的概率约为 44%1。当可燃性液体发生泄漏流淌至地面，形成液池，或流淌至水面，此时如遇点火源，在液体表面产生的燃烧形式被称为池火。可燃液体燃烧时将产生大量热，其高温火焰所产生的热辐射可能对周围设备设施造成不同程度的破坏，若池火所发生地点距人员密集场所较近时，在缺乏防护措施的情况下，可能会引起人员伤亡等事故。为了避免因池火灾引起的损害与损失，以下以集液池池火灾为例，展开讨论。常见的液化天然气储罐包括单容罐、双容罐、全容罐、薄膜储罐。全容储罐具有较高的安收稿日期：2022-08-18作者简介：刘溢，女，2011 年毕业于华东理工大学化学工程与工艺专业，长期从事石油化工安全设计工作，已发表论文 2 篇，高级工程师。电话：[phone]，E-mail:液化天然气接收站集液池池火灾模拟分析与研究刘溢（中国石化工程建设有限公司，北京 100101）摘要：液化天然气泄漏易导致甲烷扩散、火灾、爆炸事故。重点对池火灾工况展开讨论，介绍目前液化天然气接收站池火灾研究现状及成果，利用 PHAST 软件对液化天然气全容储罐设置的集液池池火灾进行模拟分析与研究。探讨不同风速、大气稳定度、环境气温、相对湿度、集液池尺寸、当量直径选取原则对热辐射核算结果的影响。对池火灾热辐射进行模拟计算，得出不同工况下的热辐射值及变化曲线。根据热辐射破坏准则提出热辐射影响防护距离判别方法。为液化天然气接收站集液池池火灾热辐射影响研究提供参考依据。关键词：液化天然气集液池池火灾当量直径热辐射全性能，目前在国内运行使用较多。本文针对全容储罐所设置的集液池池火灾展开研究。全容储罐主要结构分为内罐和外罐，内罐为金属材质，外罐选用混凝土结构，在内罐与外罐之间设置了保冷层，以满足其存储条件。全容储罐罐体不易破裂，很难因罐体破裂导致大量物料泄漏到罐外而发生事故，其混凝土外罐起到了围堰的作用，因此设计时不需要单独设置拦蓄区。为了收集阀门、法兰处可能泄漏的液化天然气，需设置收集四处溢流的坑池，也称为集液池，常见集液池如图 1 所示。图 1 集液池示例石油化工安全环保技术462023 年第 39 卷第 2 期1 液化天然气池火灾实验研究为了更深入了解液化天然气池火灾特点及其发展趋势，国外部分学者先后开展了池火灾实验，以下 2 个实验分别对水面池火灾和陆地池火灾工况展开研究。2009 年，Sandia 国家实验室在美国能源部资助下进行了 2 次液化天然气泄漏和池火灾测试2。实验旨在了解大型液化天然气泄漏后的火灾危害情况。实验过程为将液化天然气排放至直径120 m 的大型水池中，被设置的点火器点燃后使其发生水面池火灾，并收集火焰数据进行对比。实验结果表明：池火灾并未扩展到液池的上风边缘，仅覆盖了约泄漏总面积的一半。2018 年，Zhang 等3在美国布雷顿消防训练场地的 1 个矩形混凝土坑内进行了液化天然气池火灾的现场实验，实验条件如混凝土坑尺寸、液化天然气特性及气象条件如表 1 所示。表 1 实验相关数据混凝土坑 相关参数面积/m264.38当量直径/m9.05深度/m1.22液化天然气 相关参数组成99.5%甲烷，0.5%氮气平均热值/(kJ m-3)35 579气象相关参数平均风速/(m s-1)4环境温度/24.9湿度，%54实验选用的混凝土坑长宽比差距较小，实验中不考虑其长宽比对火灾实验结果的影响。实验通过在不同风向、不同距离上设置辐射仪来检测池火灾的热辐射数据，并用不同相机记录火焰图像。现场池火灾实验图像如图 2、图 3 所示。在此项研究中产生的火焰是倾斜的，且火焰高度随着时间有一定的变化规律，火焰向下风向倾斜，加重了下风向的热辐射危害范围。从以上 2 个实验可知，第二个混凝土凹坑火灾实验与集液池池火灾模型原理相近，但在工程实践中，通过实验数据来推测集液池热辐射影响的难度较大，成本较高，本文基于 PHAST 软件对液化天然气集液池池火灾进行模拟分析，计算出其热辐射影响范围。PHAST 软件适用范围广泛，被危险化学品行业人员作为事故后果模拟及安全分析的主要应用软件。国外石化企业广泛使用这款软件，同时国家安监局也认可PHAST的应用4。2 池火模型当前池火火焰模型主要以点源模型和固体火焰模型为主。点源模型将火焰视作 1 个辐射点源，向外辐射全部燃料燃烧释放的热量。这种模型计算较简单，但由于忽略了火焰形状、目标物体位置等因素，准确度不高5。固体火焰模型是当前被广泛应用的池火灾理论计算模型，该模型将池火火焰简化为 1 个倾斜的圆柱体，PHAST 将其模型计算结果与 LNG 相关池火试验进行比对，其火焰长度、火焰燃烧速率与试验数据有良好一致性，固体火焰模型适用于烃类池火灾模型核算，准确度较点源模型更高。3 集液池池火灾事故模拟3.1 气象条件选取3.1.1 风速及大气稳定大气稳定度主要用来评估整层空气的稳定程图 2 CCD 相机下液化天然气池火灾现场实验图像3图 3 红外相机下液化天然气池火灾现场实验图像3 刘溢.液化天然气接收站集液池池火灾模拟分析与研究 472023 年第 39 卷第 2 期度，是大气对在其中作垂直运动的气团为加速、减速还是不影响其运动的一种热力学性质。若大气不稳定，湍流和对流的发展较充分，将增强扩散和稀释的能力。常见的大气稳定度的取值如表2 所示。表 2 大气稳定度取值参考风速/(m s-1)白天：日照强度夜间：云层厚度强中等轻微薄中等厚6CDDDDD本文采用几个典型气象条件作为模拟计算输入：1）风速为 5 m/s，大气稳定度为 D。此天气条件为典型白天天气。相对较高的风，一定的云层，形成中度紊动的条件。2）风速为 2 m/s，大气稳定度为 F。此天气条件为典型夜间天气。中度的云层覆盖率。在这种条件下，紊动有限。因而，扩散云团的稀释很有限。GB 501832004 要求核算 0 级风速，其也称为静风，指风速为 00.2 m/s 的风。在工程实践中很少有静风的场景存在，PHAST 软件默认风速也需大于 1 m/s，因此不对 0 级风进行核算。3.1.2 相对湿度选取某地年平均相对湿度 67%及标准要求的相对湿度 50%作为模拟依据。3.1.3 气 温选取某地年平均气温 13.1 及标准要求气温21 作为模拟依据。3.2 集液池尺寸选取集液池选取 2 个尺寸分别进行模拟分析，集液池 1 尺寸数据为 5 m5 m4.5 m（长度 宽度 深度）。集液池 2 尺寸数据为 8 m2 m2.5 m。3.3 当量直径选取固体火焰模型已广泛应用于评估 LNG 的热辐射。池火火焰形状通常表示为圆柱状，该圆柱状火焰由圆形液池产生，火焰朝下风向倾斜。根据固体火焰模型理论，当液池被限制时，通常假定液池为圆形，根据以下公式推算其液池当量 直径：式中：S液池面积，m2；D液池当量直径，m。当集液池为近似正方形时，可选用此公式。当集液池为长宽比差距较大的长方形时，当量直径按液池宽度选取6。3.4 热辐射破坏准则池火灾的火焰危害主要体现在其产生的热辐射可能造成临近设备设施、人员的破坏及损伤，尤其是敞开容器所发生的池火火灾，影响更为严重。热辐射的危害程度一般由热辐射通量来表示，热辐射通量是指单位时间、单位面积发射或接收的热量。以热通量作为衡量目标是否被破坏的参数，当目标接受到的热通量大于或等于引起目标破坏所需的临界热通量时，目标被破坏，否则，目标不被破坏。所以，热辐射的影响范围关键在于确定热通量的临界值。按照 GB 501832004 相关要求，热辐射量达 4 kW/m2界区内，不得设置 50 人以上的室外活动场所。热辐射量达 9 kW/m2界区内，不得设置活动场所、学校、医院、监狱、拘留所和居民区等在用建筑物。热辐射量达 30 kW/m2界区内，不得设置即使是能耐火且提供热辐射保护的在用构筑物。全容储罐设置的集液池普遍临近储罐，与人员密集建筑物间距较远，本文参考 EN 14732007 中提供的热辐射量判定原则7，相关内容如表 3 所示。表 3 允许的热辐射影响（不包括太阳辐射）界区内设备最大允许热辐射量/(kW m-3)相邻储罐混凝土外表面32相邻储罐的金属外表面15相邻压力容器及工艺设施外表面15控制室、维修车间、分析化验、仓库等8行政楼5石油化工安全环保技术482023 年第 39 卷第 2 期4 模拟分析结果4.1 场景 1 分析结果模拟计算集液池 1、集液池 2 池火灾，相对湿度选取 67%，气温选取 13.1，分别核算 2F、5D 气象条件下热辐射影响范围，如表 4 所示。在环境温度、湿度相同的条件下，由表 4、图 4、图 5 可知，风速越大，热辐射影响范围越大。大气稳定度对热辐射影响范围作用较小，集液池选取当量直径越大，热辐射影响范围越大。场景 1 中，集液池当量直径的选取、风速的选取会对核算结果造成较大的影响。设计人员可参考表3中热辐射破坏准则完成集液池平面布置方案。4.2 场景 2 分析结果模拟计算集液池 1 池火灾，相对湿度分别选取 67%、50%，气温选取 13.1，分别核算 2F、5D 气象条件下热辐射影响范围，如表 5 所示。在环境温度、风速及大气稳定度、液池当量直径相同的条件下，由表 5、图 6、图 7 可知，环境相对湿度对热辐射影响范围作用较小，相同风速及大气稳定度的热辐射变化曲线几乎重叠。接收站普遍设置在沿海城市，相对湿度较高，在图 4 集液池 1（2F 热辐射影响范围俯视图）图 5 集液池 2（2F 热辐射影响范围俯视图）表 4 池火灾热辐射影响范围（场景 1）集液池长度 宽度 深度/m液池当量直径/m热辐射影响范围/m5 kW/m28 kW/m215 kW/m232 kW/m22F5D2F5D2F5D2F5D554.55.6425.3326.4020.9022.3215.9517.719.5412.20822.526.246.635.225.623.774.521.491.56图 6 集液池 1（环境相对湿度为 67%热辐射影响范围俯视图）图 7 集液池 1（环境相对湿度为 50%热辐射影响范围俯视图）表 5 池火灾热辐射影响范围（场景 2）相对湿度，%液池当量直径/m热辐射影响范围/m5 kW/m28 kW/m215 kW/m232 kW/m22F5D2F5D2F5D2F5D675.6425.3326.4020.9022.3215.9517.719.5412.20505.6425.5126.5521.0322.4416.0517.799.6512.42 刘溢.液化天然气接收站集液池池火灾模拟分析与研究 492023 年第 39 卷第 2 期缺乏气象条件时可参考标准进行核算。4.3 场景 3 分析结果模拟计算集液池 1 池火灾，相对湿度选取67%，气温分别选取 13.1 和 21，分别核算 2F、5D 气象条件下热辐射影响范围，如表 6 所示。5 结 语1）模拟计算时，液池的当量直径核算方法对热辐射影响范围结果起到关键性作用。对于集液池长宽比较大的工况，不同当量直径的换算存在偏差。目前国内标准缺少液池当量直径选取的原则，通过对比相关文献中实验数据及池火焰模型原理，建议按照假定圆形液池来推算当量直径，集液池尽量设置为长宽比相近的形式，以减少因当量直径核算方法不同而带来的核算偏差。2）根据模拟分析结果，气象条件中，风速对热辐射影响范围结果起到较为关键的作用，风速越大，热辐射影响范围越远。相对湿度、环境温度、大气稳定度对核算结果影响较小，建议根据实际工程选取对应气象条件进行核算。3）设计人员应根据各工况核算的热辐射影响范围，对照热辐射破坏准则进行平面布置，目前国内相关标准针对液化天然气接收站的热辐射破坏准则并不完善，建议可结合国内外标准统筹进行考量，以指导对平面布置进行优化设计。在环境相对湿度、风速及大气稳定度、液池当量直径相同的条件下，由表 6、图 8、图 9 可知，环境温度对热辐射影响范围作用较小，相同风速及大气稳定度的热辐射变化曲线几乎重叠，在缺乏气象条件时可参考标准进行核算。4）为减少集液池发生池火灾后引起的危害，应设置相应防护措施，如设置高倍数泡沫灭火系统及低温检测设施。5）望国内相关部门积极推进液化天然气接收站设计标准的完善与更新，为本质安全设计奠定基础。参考文献：1 Valerio Cozzani,Gianfilippo Gubinelli,Gia-como Antonioni,et al.The assessment of risk caused by domino effect in quantitative area risk analysisJ.Journal of Hazardous Materi-als,2005,127(1/3):14-30.2 Blanchart,T,Helmick,P,Jensen,R.,et al.The phoenix series large scale LNG pool fire exper-imentsR.2010:1-357.3 Zhang,Bin,Laboureur,Delphine M,Liu,Yi，et alExperimental study of a liquefied natural gas pool fire on land in the fieldJIndustrial 图 8 集液池 1（环境温度 13.1 热辐射影响范围俯视）图 9 集液池 1（环境温度 21 热辐射影响范围俯视）表 6 池火灾热辐射影响范围（场景 3）气温/液池当量直径/m热辐射影响范围/m5 kW/m28 kW/m215 kW/m232 kW/m22F5D2F5D2F5D2F5D13.15.6425.3326.4020.9022.3215.9517.719.5412.20215.6425.2226.4020.8622.3215.857.759.2611.92（下转第 66 页）石油化工安全环保技术662023 年第 39 卷第 2 期理系统出水 COD 和总氮达标排放，大大提高了污水回用率，最大限度实现了节水减排，达到经济效益和环保效益最大化。参考文献：1 禚青倩，曹晓磊，李本高.炼化回用污水反渗透产生的浓水有机物组成分析 J.石油炼制与化工，2018，49（6）：93-95.2 余伟.炼油废水后置反硝化脱总氮处理实验研究 J.工业安全与环保，2017，43（6）：11-14.3 孙迎雪，胡银翠，孙云祥，等.反硝化生物滤池深度脱氮机理 J.环境工程学报，2012，6（6）：1857-1862.（上接第 49 页）&Engineering Chemistry Research,2018，57(42):14297-14306.4 闫晓.超大型液化天然气储罐及库区安全设计性能化技术研究 D.青岛：中国石油大学（华东），2013.5 单彤文，程昊.LNG 池火的固体火焰模型研究 J.煤气与热力，2016，36（3）：67-72.6 C.Marx.Liquefied petroleum gas,vol.1:Large bulk pressure storage and refrigerated LPGM.London:The Institute of Petroleum,1987.7 Installation and equipment for liquefied natural gas-design of onshore installations:EN 14732007S.（上接第 51 页）3 王志峰，杜凤丽.20152022 年中国太阳能热发电发展情景分析及预测 J.太阳能，2019（11）：5-10.4 李安定，李斌，杨培尧，等.碟式聚光太阳热发电技术 J.太阳能，2003（3）：25-27.5 赵吉芳，刘海波，张修田，等.槽式太阳能热发电站中集热管摆动支撑的结构分析 J.太阳能，2020（6）：75-80.6 孙成金，葛婷婷，潜钧，等.塔式太阳能热发电吸热器热效率影响因素分析 J.发电设备，2020，34（3）：161-165.7 徐玫，肖斌，周治，等.塔式太阳能热发电站中空冷凝汽器运行特性的研究 J.太阳能，2020（9）：69-75.8 袁建丽，林汝谋，金红光，等.太阳能热发电系统与分类（2）J.太阳能，2007（5）：29-32.9 郭勇.物探作业危害识别与风险评价探讨J.西部探矿工程，2011，23（3）：212-216.欢迎订阅，欢迎投稿quently in work activities that involve work at height in petrochemical industry in China,a large part of which is related to scaffolding.Whether the scaffolding is unsta-ble,collapsed or capsized,or the workers fall from height in the process of scaffolding removal or use,all of these have caused serious casualties.In the inspection,it was found that the main root causes of the frequent scaffold-ing accidents were the lack of targeted scaffolding plans,the insufficient professionalism of the erection staff who set up the scaffolding at will,material defects,no scaffolding specialists and so forth.By putting forward specific preventive measures combined with the good experience and practice of the enterprise,the obvious problems of scaffolding on site can be solved effectively so that scaffolding accidents can be reduced.Key words:scaffolding;instability and collapse;high falling;account book;whole process managementSAFETY PROTECTION MEASURES FOR FLAME MONITORING AND FLAMEOUT PROTECTION OF GAS-FIRED HEATERS41Ren Xiangjuan1,Wan Xiaofang2.(1.Dalian Branch of Daqing Huakai Petrochemical Design Project,Dalian,Liaoning,116039;2.PetroChina Liaoyang Petrochemi-cal Company,Liaoyang,Liaoning,111000)Abstract:This paper introduces and analyzes the safety of gas-fired heaters and the technical characteristics of flame monitoring and flameout protection in China at present.Relevant rectification requirements issued by the national Ministry of Emergency Management in-clude adding flame monitoring and flameout protection settings for the operating gas-fired heaters and heaters with heat-transfer oil.Different technical transforma-tion routes are put forward according to the different conditions of domestic active gas-fired heaters:the gas-fired heaters of single burners are equipped with opti-cal flame detector and corresponding interlocking;the gas-fired heaters with 2 3 burners are equipped with optical flame monitoring and corresponding flameout protection;for gas-fired heaters with more than 4 burn-ers(including 4 burners),furnace flame monitoring TV with alarm function and corresponding flameout protec-tion shall be designed.Key words:gas-fired heater;burner;safety;flame monitoring;flameout protectionSIMULATION ANALYSIS AND RESEARCH ON POOL FIRE OF IMPOUNDING BASIN IN LIQUEFIED NATURAL GAS TERMINAL45Liu Yi.(SINOPEC Engineering Incorporation,Beijing,100101)Abstract:The leakage of LNG easily leads to methane diffusion,fire and explosion accidents.This paper dis-cusses the working conditions of pool fire and introduc-es the current research status and achievements of pool fire in LNG terminal.The pool fire of impounding basin set in full containment tank is simulated,analyzed and studied by adopting the PHAST software.The paper studies the influences of different wind speed,atmo-spheric stability,ambient temperature,relative humidi-ty,the size of impounding basin and the selecting prin-ciples of equivalent diameter on the calculation results of thermal radiation.The thermal radiation of pool fire is simulated and calculated,and the thermal radiation flux under different working conditions are obtained.According to the criterion of thermal radiation damage,the discrimination method of thermal radiation influ-ence protection distance is put forward.This provides reference for the study of pool fire radiation effects in the impounding basin of LNG terminal.Key words:liquefied natural gas/LNG;impounding basin;pool fires;equivalent diameter;thermal radiationRISK ANALYSIS OF OPERATION IN CON-CENTRATING SOLAR POWER PLANTS BY GEOPHYSICAL PROSPECTING CREW AND COUNTERMEASURES50Dai Zhiyong1,Cheng Zonghua2,Yan Ying3,Yong Yong-zheng1.(1.BGP Inc.,China National Petroleum Cor-poration,Baoding,Hebei,071000;2.CNPC Research Institute of Safety&Environment Technology Co.,Ltd.,Beijing,102200;3.RONGTONG Property Manage-ment Company,Wuhan,Hubei,430061)Abstract:Operation sites of geophysical prospecting crew are usually areas with abundant solar energy re-serves such as deserts and Gobi.CSP(Concentrating solar power)plants are generally built in such environ-ment,and they occupy a very large area after large-scale construction.If there is a concentrating solar power plant at the prospecting teams operation site,offsetting the shooting points will cause a great impact on the quality of geophysical data acquiring and production profit;while prospecting inside the CSP plant will face many new risks and challenges.This paper conducts a risk analysis on the operation of geophysical prospecting crew enter-ing the CSP plant and puts forward countermeasures and risk control measures for the main risks.Key words:geophysical prospecting operation;con-centrating solar power/CSP;risk analysisANALYSIS AND SUGGESTION ON PREVEN-TION AND CONTROL STANDARDS OF HY-DROGEN SULFIDE IN OIL FIELD52Liu Yang1,2,Zhu Liguo1,2,Zhang Lu1,2,Du Fan1,2.(1.Technical Inspection Center of SINOPEC Shengli Oil-field Co.,Ltd.,Dongying,Shandong,257062;2.Shengli Oilfield Inspection and Assessment Research Co.,Ltd.,Dongying,Shandong,257062)Abstract:Aiming at the prevention and control status of hydrogen sulfide in eastern oilfields,this paper sorted out the current national,industrial and enterprise stan-dards,norms and systems and analyzes their applicabil-ity.It investigated the distribution of stations,facilities,production and operation parameters and geographical environment characteristics of eastern oilfield and conducted simulation and experimental test of leakage consequences.It also determined the diffusion rules of hydrogen sulfide after leakage in eastern oilfield,pro-posed a hazard classification method for hydrogen sul-fide-containing equipment.Based on this,the enterprise standard of risk management and control of hydrogen sulfide in eastern oilfield was formulated in order to achieve accurate risk control of hydrogen sulfide and improve safety of the enterprise.ABSTRACTSPETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGYBimonthly.20 Apr.2023 Vol.39 No.2