郭开华 王文静 皇甫立霞 孙标

中山大学工学院

LNG站场防火间距及安全性分析

郭开华 王文静 皇甫立霞 孙标

中山大学工学院

目前我国相关防火安全规范缺管道明确规定适用于工程事故的分析模型。针对LNG站场主要危险源及防火间距的问题，依据NFPA59 A—2009标准推荐的DEGADIS、LNGFire3和PoFMISE模型原理，研发了适用于我国LNG工程设计的LNG蒸气扩散模型和池火热辐射模型，并对模型的准确性和可靠性进行了对比验证：与Burro实验测定值对比，所研发的LNG蒸气扩散模型计算结果相对误差为19.04%，优于原DEGADIS模型32.88%的相对误差。将池火热辐射模型与PoFMISE和LNG Fire3模型的标准结果进行了对比，结果表明：其兼具两者的优点，更趋安全可靠。据此开发的“液化天然气（LNG）站场危险性分析平台”可用于主要危险源及工艺设备的防火间距及LNG站场选址、规划和设计过程中事故后果的分析评价。

LNG站场 防火间距 LNG安全性 重气扩散 池火灾 危险性分析平台

中国作为新兴LNG进口国，LNG产业发展虽然起步较晚，但近年来发展迅猛，LNG站场日益增多，站场的安全问题随之凸显。根据LNG低温、易挥发、与空气一定比例混合后可燃和易爆的特性，对LNG站场内主要危险源及无法规定具体防火间距的情形进行有效约束，以满足LNG工程设计和建设的应用要求，是当前亟待解决的问题，也是政府及企业关注的重点。由于LNG的大规模应用，国际上对其安全性格外重视，在美国，LNG是唯一由美国联邦法规（49 CFR，193部分）对其储存设施选址和施工进行详细具体要求的可燃物质［1］。美国NFPA 59A—2009《液化天然气（LNG）生产、储存和装运》标准规定［2］，对于站场内主要危险源及工艺设备的防火间距，除规定最小间距外，推荐采用可靠的事故模型进行计算，确定事故后果的危害范围，评价LNG站场的建筑红线（Property Line）、与站场周边公共区域的间距以及站场设施间距等的安全性。我国目前的相关标准，如GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》［3］，亦提到采用事故模型计算主要危险源的防火间距，但未明确规定适用于我国工程的事故数学模型。事故数学模型的建立是防火安全距离分析评估的重要技术手段。建立科学、可靠的事故模型，分析站场潜在的危险，可保障已建站场的安全运行，为新建、扩建站场的安全设计提供依据。

笔者针对LNG站场主要危险源及无法规定具体防火间距的情形，根据NFPA 59A—2009标准推荐采用的DEGADIS重气扩散模型原理和LNGFire3模型原理，以及Po FMISE大池火修正模型原理，研发了适用于我国国情的LNG蒸气扩散模型和池火热辐射模型，并开发了“液化天然气（LNG）站场危险性分析平台”，可用于LNG站场的选址、规划和设计过程中，主要危险源及工艺设备防火间距的分析评价。

1 国内外标准对LNG站场防火间距规定

1.1 明确规定最小防火间距

根据LNG站场的安全特性与工艺特点，NF－PA59A—2009标准对储罐间距（Container Spacing）、工艺设备间距（Process Equipment Spacing）、气化器间距（Vaporizer Spacing）、装卸设施间距（Loading and Unloading Facility Spacing）等，明确给出最小防火间距［2］。

国内标准GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》第10章“液化天然气站场”、GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》第9章《液化天然气气站》，对总储量小于3 000 m3的小型LNG站场，明确给出相关的防火间距［3－4］。

1.2 模型计算确定防火间距

对于LNG站场内主要危险源及无法规定具体防火间距的情形，如LNG站场的建筑红线（Property Line）、与站场周边公共区域的防火间距、确定事故性泄漏的危害范围、站场内部无法明确规定防火安全间距的其他设施等，国内外标准的相关规定分述如下。

1.2.1 NFPA 59A—2009标准规定

采用数学模型模拟事故发生来计算防火间距。首先设定LNG“溢出场景”和特定的大气环境，要求在预设条件下，确保：①辐射热流在站场的“建筑红线”或最近的居住区不会超过特定值（临界值）水平；②在大气中LNG蒸气的浓度不会超过燃烧下限的50%（此时LNG泄漏产生的蒸气云在环境中扩散，未被点燃）。对于重气扩散模型，NFPA 59A—2009标准推荐采用国际通用模型DEGADIS重气扩散基本模型，对火灾热辐射模型的选取，NFPA 59A—2009标准在推荐原有的LNGFire3模型的基础上，指出对于大尺寸池火宜选用PoFMISE模型。

1.2.2 GB 50183标准规定

GB 50183标准规定，LNG站场的区域布置除满足标准规定的防火间距外，尚应按“国际公认的高浓度气体扩散模型和液化天然气燃烧的热辐射计算模型”进行校核，但并未明确给出事故数学模型。

2 液化天然气（LNG）站场危险性分析平台研究

笔者开发的液化天然气（LNG）站场危险性分析平台（以下简称“平台”）采用Visual Basic 6.0集成开发环境进行面向对象设计，通过Fortran计算语言对LNG蒸气扩散模型和池火热辐射模型［4－5］进行编程计算，并封装成动态链接库（DLL，Dynamic Link Library），为Visual Basic 6.0调用。平台适用于LNG站场选址、规划和设计过程中，站场主要危险源及无法规定具体防火安全间距的情形。对于LNG站场潜在的主要危险事故（如LNG泄漏扩散和LNG火灾热辐射），利用平台的泄漏场景设计和事故模型计算功能，能直观地在LNG站场布局图上显示事故的危害范围，方便站场设计人员以及评估人员确定防火间距。

2.1 事故计算模型

平台包括两种事故模型：LNG蒸气扩散模型和池火热辐射模型。这两种事故模型的开发分别基于NFPA59A—2009标准推荐采用的、国际通用的DEGADIS重气扩散模型原理和LNGFire3池火热辐射模型原理，详细模型描述参见本文参考文献［5－6］。在LNG重气扩散模型基础上，依据LNG泄漏气化率与空气卷吸率之间的关系并考虑地面和大气环境对扩散源的影响因素，建立了LNG泄漏扩散源模型，确定扩散源尺寸、LNG气化率和空气实际卷吸率，使得模型更具科学性并切合应用实际。对于池火热辐射模型，确定了LNGFire3模型和PoFMISE模型与池火尺寸的对应关系，修正两种模型火焰表面辐射力，突破模型对火焰尺寸的限制，得到适用于大尺寸范围的池火热辐射计算；并在圆形池火基础上，建立了对矩形池火热辐射计算的方法，使模型能够适合于计算各种不同形状和尺寸的池火情况。

2.2 模型验证

2.2.1 LNG蒸气扩散模型验证

将研发的LNG蒸气扩散模型分别与DEGADIS重气扩散基本模型计算结果和Burro实验［7－8］测定值作比较，来验证模型的准确性和可靠性。初始条件选取Burro系列实验条件［7］，如表1所示（B3～B9为实验序号）。验证结果示于表2。研发模型计算结果对实验测定值的平均相对偏差为19.04%，小于DEGADIS重气扩散基本模型计算结果的偏差32.88%。由此可见，研发的扩散模型对于LNG泄漏蒸气扩散浓度的计算是比较准确和可靠的。

2.2.2 池火模型验证

将研发的LNG池火热辐射模型计算结果分别与LNGFire3模型和PoFMISE模型发表的标准计算结果［9］进行比较，来验证模型的可靠性，验证结果见表3。研发模型综合LNGFire3固体火焰模型原理的优点和Po FMISE对大型池火表面热辐射力的修正，获得的结果介于两种模型之间，对于小型池火较贴近LNGFire3，大型池火贴近PoFMISE，其相对误差约为2.5%的正偏差，说明预测结果更趋安全。由此可知，研发的池火热辐射模型综合了LNGFire3和PoFMISE模型的优点，是合理、可靠的。本模型还可对方形池火进行模拟，表3中同时列出相同当量直径的方形池火的计算结果。

表1 Burro系列实验初始条件表［7］

表2 蒸气扩散浓度计算模型验证表（与Burro实验［8］和DEGADIS模型对比） 体积分数

表3 池火热辐射计算模型验证表（与LNGFire3和PoFMISE比较）

3 应用举例

3.1 站场描述及安全间距分析

设某LNG站场用于城市燃气供应，站场内有2只LNG储罐。场内储罐区、气化区、装卸车区等生产区均属于危险区，其中储罐储存大量LNG，属重要危险源，笔者仅对装卸车区的泄漏扩散事故和储罐区的池火事故进行防火间距计算，其他危险源防火间距计算原理相同，以此类推。利用平台对蒸气扩散事故和池火热辐射事故进行分析计算，确定站场与周边环境（如居民区、公共聚集地等）之间的防火间距。

3.1.1 泄漏扩散事故场景设定

设定蒸气扩散事故发生在装卸车区，分为有集液池和无集液池两种情况进行模拟计算。LNG从卸料口泄漏，泄漏速率0.05 m3／s，持续10 min。泄漏的LNG流入集液池（有集液池）或地面（无集液池），发生闪蒸气化，瞬时产生大量蒸气，形成低温的重气云团沿下风向扩散。依据NFPA 59A—2009标准，结合当地气象条件，设定重气扩散发生时的大气及环境条件如表4。

表4 储罐溢出场景大气环境条件表［1］

3.1.2 池火热辐射事故场景设定

依据NFPA 59A—2009标准，设定池火发生的大气环境条件为：风速10 m／s、大气温度30℃、相对湿度70%。假定储罐内的LNG完全泄漏到围堰，并引发池火事故，一种情况为两个储罐共用一个方形围堰，一种情况为单个储罐建立圆形围堰。

3.2 安全距离计算结果

3.2.1 泄漏扩散事故安全距离计算结果

NFPA 59A—2009标准规定，重气扩散事故中站场建筑红线处LNG蒸气在空气中平均浓度不超过甲烷燃烧下限的50%（即2.5%）。利用平台对装卸车区的蒸气扩散事故进行计算分析，事故影响范围如图1。由图1－a可知，由于设置了集液池，形成的LNG溢出范围及重气云团尺寸较小（图中圆形区域所示），甲烷体积浓度2.5%的等值线的影响范围有限；由图1－b可知，由于未设置集液池，形成的LNG溢出范围及重气云团尺寸（图中圆形区域所示）远大于有集液池的情况，相应甲烷体积浓度2.5%的等值线影响范围非常大，远远超出厂区范围。因此，在厂区的危险区域设置集液池收集泄漏的LNG，可有效控制重气云团尺寸，减小LNG泄漏扩散造成的危害范围。

3.2.2 池火热辐射事故安全距离计算结果

图1 重气沿下风向扩散体积浓度等值线分布图

表5 池火热辐射事故危害标准规定表［1］

NFPA59A—2009标准对热辐射安全值的限定如表5所示，依据标准对火灾热辐射强度安全值的规定，利用平台分别对方形和圆形围堰内池火热辐射进行计算分析，热辐射影响范围如图2。由图2－a可知，两个储罐共用一个围堰，导致池火面积较大，热辐射波及厂区周围较大范围；由图2－b可知，对单个储罐建立与储罐外罐相当的圆形高围堰（如双容罐和全容罐），可大大减小池火面积，热辐射波及范围明显缩小，且避免当只有单个储罐发生泄漏而引发与它共用一个围堰的储罐发生连带事故。因此，为减小池火事故波及范围，在设置储罐围堰时，应考虑尽量减小围堰面积，即减小池火面积，必要时可在储罐周围设置高围堰或采用双容罐和全容罐，一方面可将火灾控制在较小范围，另一方面可尽量减小对附近其他危险源的影响，以免发生连带事故。这也正是为什么国际上普遍认为采用双容罐或全容罐安全等级高的原因。

4 结论

1）计算LNG站场内主要危险源和工艺设施的防火间距，应采用可靠的、经实际应用验证准确可靠的数学模型，预测事故后果影响的范围，确定安全距离。

2）事故数学模型的建立是防火距离安全分析评估的重要技术手段。建立科学、准确、可靠的事故模型，分析站场潜在的危险，可保障已建站场的安全运行，并为新建、拟扩建站场的安全设计提供依据。

3）笔者研发的重气扩散模型和池火热辐射模型及液化天然气（LNG）站场危险性分析平台，可用于LNG站场选址、规划和设计过程中，站场主要危险源及工艺设施防火安全间距的分析和确定。

4）为减小LNG事故影响范围，应在LNG站场危险区域采取相应的防护措施，如在厂区危险区域或危险设备处设置集液池收集泄漏的LNG；在储罐区设置围堰控制火灾面积且应考虑尽量减小围堰面积，必要时可在储罐周围设置高围堰或采用双容罐和全容罐。

［1］RAJ P K，LEMOFF T.Risk analysis based LNG facility siting standard in NFPA 59A［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2009，22：820－829.

［2］National Fire Protection Association.Standard for the production，storage，and handling of liquefied natural gas（LNG）［S］.NFPA 59A－2009，2009.

［3］中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50183—2004石油天然气工程设计防火规范［S］.北京：中国计划出版社，2004.

［4］中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50028—2006城镇燃气设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［5］孙标，郭开华.LNG池火热辐射模型及安全距离影响因素研究［J］.中国安全科学学报，2010，20（9）：51－55.

［6］孙标，郭开华.LNG重气扩散安全距离及影响因素［J］.天然气工业，2010，30（7）：110－113.

［7］KOOPMAN R P，BAKER J，CEDERWALL R T，et al.LLNL／NWC 1980 LNG spill tests（Volume I）Burro series data report［R］.CA（USA）：Lawrence Livermore National Lab.，1982.

［8］MOHAN M，PANWAR T S，SINGH M P.Development of dense gas dispersion model for emergency preparedness［J］.Atmosphere Environment，1995，29（16）：2075－2087.

［9］RAJ P K.Spectrum of fires in an LNG facility assessments，models and consideration in risk evaluations：final technical report［R］.Washington DC：U.S.Department of Transportation Pineline ＆Hazardous Materials Safety Administration，2006.

Fireproof spacing between equipments and safety analysis at LNG stations

Guo Kaihua，Wang Wenjing，Huangpu Lixia，Sun Biao
（School of Engineering，Sun Yat－Sen University，Guangzhou，Guangdong 510006，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.90－94，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

This paper aims to get a better understanding of major hazards and determine the unsettled fireproof distance at LNG stations.There are neither specific fire protection codes nor any accident analysis models adaptable to engineering practices in present China.In view of this，the LNG vapor dispersion and pool－fire thermal radiation models are developed especially for LNG engineering projects based on the principles of DEGADIS，LNG Fire3，and PoFMISE models recommended in NFPA59A－2009.Then，the accuracy and reliability of the developed modes are validated and compared.（1）Compared with the field experiment of Burros data，the relative error in the calculation results with the LNG vapor dispersion model is 19.04%，better than the previous DEGADIS model with the relative error of 32.88%.（2）In contrast with the results between the PoFMISE and LNG Fire3 and the pool－fire thermal radiation model，the latter combines the merits of the former two models and is more secure and reliable.On this basis，the developed Hazard ＆Risk Analysis Platform for LNG Stations can be also applied to the analysis of major hazards and the fireproof spacing between equipments and to the evaluation of the consequences after accidents in the process of site selection，planning and design of an LNG station.

LNG station，fireproof spacing，LNG safety，diffusion of heavy gas，pool fire，Hazard ＆Risk Analysis Platform

郭开华等.LNG站场防火间距及安全性分析.天然气工业，2012，32（10）：90－94.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.022

广东省教育厅液化天然气与低温技术重点实验室资助项目（编号：39000－3211101），中山大学－BP液化天然气中心资助项目（编号：99103－9390001）。

郭开华，1956年生，教授，美国密歇根大学博士；现任中山大学－BP液化天然气中心主任，从事能源工程及液化天然气技术研究工作。地址：（510006）广东省广州市新港西路132号中山大学工学院。电话：（020）39332893。E－mail：guokaih＠mail.sysu.edu.cn

（修改回稿日期 2012－09－01 编辑 赵 勤）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.022

Guo Kaihua，professor，born in 1956，got his Ph.D degree from the University of Michigan.He has been engaged in research of en－ergy engineering and LNG technologies.

Add：No.132，West Xingang Rd.，Guangzhou，Guangdong 510006，P.R.China

E－mail：guokaih＠mail.sysu.edu.cn