天然气(lng)系统安全课程设计.docx

1LNG储罐的情况简介1.1液化天然气储罐的基本情况沈阳市于洪区细河LNG加气站 LNG储罐是储存液化天然气的专业产品，特种设备，三类压力容器，经过探伤，水压气压试验，技术监督局现场检验，出具压力容器检验证书，外部除锈喷漆等工艺制造完成。液化气储罐对受压元件材质、外观尺寸和焊缝质量、运行质量、安装质量、内部装置及安全附件有着严格质量鉴定。本文以容积为，底部中心距上游风入孔，储罐直径为 储罐为研究对象，储罐为中型储罐，风速气象条件下围堰对其泄漏扩散的影响进行研究。单容罐，容器内壁为含镍9%合金钢，外壁为碳钢，而辅助容器只是由较低防护堤围成的收液槽，用于防止在内容器发生事故时LNG 外溢扩散。壁顶的悬挂式绝热支撑平台为铝制，罐顶则由碳钢或混凝土制成。罐内绝热材料主要为膨胀珍珠岩。风速为2.5m/s。表1.1为储罐的各参数直径m容积吗m3罐内压力mpa围堰直径m风速m/s高m泄漏孔以上液面3800.83.182.512.511.51.2储存的危险物料LNG的主要成分为甲烷，另外还有少量的乙烷、丙烷、氮气及其他天然气中通常含有的物质，LNG的甲烷含量应高于75%，氮的含量应低于5%。尽管LNG的主要组成是甲烷，但不能认为LNG等同于纯甲烷。LNG的危险特性包括易燃易爆，窒息危害，灼伤危害，主要危险指数见表1.2表1.1甲烷的主要危险特性1.3危险源的辨识危险源是可能导致死亡、伤害、职业病、财产损失、工作环境破坏或这些情况组合的根源或状态。在职业健康安全管理体系 要求（GB/T 28001-2011）中的定义为：可能导致人身伤害和（或）健康损害的根源、状态或行为，或其组合。危险源由三个要素构成：潜在危险性、存在条件和触发因素。根据化工企业定量风险评价导则（AQ/T3046-2013），附录C,对危险度进行评价。本文以LNG储罐作为危险评价单元，危险度等级为II 级，中度危险。可能出现的危险是由于LNG储罐泄漏或者其他原因所造成的火灾爆炸危险，窒息危险以及灼伤危险，造成人身伤亡及财产损失。根据GB18218-2009危险化学品重大危险源辨识，储存区中LNG的最大临界量为10t。该LNG储罐的最大LNG储量为420*80/1000=33.6t（甲烷的液相密度为420kg/Nm3），大于最大临界量标准，所以判定该LNG储罐为重大危险源。 2.LNG储罐的事故类型分析LNG的主要危险性是LNG泄漏到空气中产生的。分为LNG气体泄漏与LNG液体泄漏，不同的泄漏会造成不同的事故及危害，LNG储罐泄漏有如下特点： 1）气体泄漏速度大，扩散范围广。泄漏出的气体会很快扩散到大气中，甚至有可能形成天然气气云，借助风的作用进行漂移。 2）泄漏事故发生、发展的速度快。3）易造成火灾和爆炸事故。 4）易造成冻伤事故。LNG储罐发生泄漏时，气体与空气进行热量交换使得周围环境温度降低，在场人员的皮肤易被冻伤。 5）使人窒息。虽然液化天然气本身没有毒，但它有含氧量低的性质。如果有人吸入了大量泄漏在空气中的LNG蒸气而没有迅速脱离，就会很快失去知觉，几分钟就会死亡。本文主要对LNG储罐泄漏所造成的火灾和爆炸事故行分析。罐区燃爆事故模式主要有:喷射火, 闪燃与气云爆炸,池火灾,沸腾液体扩展蒸气爆炸等（BLEVE）。1）喷射火：在内部压力作用下,LNG大量泄漏、闪蒸,形成射流，在泄漏口处被点燃，由此形成喷射火。2）闪燃与气云爆炸：当LNG从低温容器中大量泄漏时,其扩散有一个过程,在其最初由液态变成气态时密度大于周围空气,这时在泄漏的LNG液相上方就形成了天然气的蒸气云,蒸气云将随风抵达泄漏位置的下风侧,在地面附近形成预混气体,极有可能遇到明火后发生闪燃,若蒸气云达到爆炸极限后遇到火源则直接发生蒸气云爆炸，闪燃与气云爆炸的燃烧将迅速扩散回泄漏位置,可能导致罐体爆炸。蒸汽云爆炸形成的冲击波还可造成更远距离外建筑设施破坏及人员伤亡。3）池火灾：池火灾是指储罐中的可燃液体遇火源或泄漏后遇火源发生的火灾，是可燃液体贮罐区易发生的主要火灾类型。在空气供应充足的开放空气环境中池火灾的主要危害时是热辐射，造成人员伤亡和设备损坏，甚至发生连锁事故。4）沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）：储存有可燃液化气的储罐，如果受到外部火焰的长时间烘烤，储罐的强度将逐步减低当强度下降到一定程度时，储罐将突然破裂，由此带来压力突然降低，液化气迅速气化并燃烧，导致沸腾液体扩展为蒸汽爆炸事故（BLEVE）的发生。沸腾液体扩展为蒸汽爆炸事故一般是比较严重的，能造成巨大的财产损失和人员伤亡。 根据对事故类型的分析，可画出LNG气体泄漏及LNG液体泄漏的事件树。2.1气体泄漏的事件树分析3 储罐事故后果的模拟计算3.1泄漏场景及泄漏速率3.1.1泄漏场景由于LNG储罐属于压力容器，根据化工企业定量风险评价导则（AQ/T3046-2013），如表2.1，泄漏场景可分为5mm孔径泄漏到环境中，25mm孔径泄漏到环境中，100mm泄漏到环境中和完全破裂泄漏到环境中。 3.1.1气体经孔泄漏根据根据AQ/T3046-2013化工企业风险评价导则P0=1.01*105pa，p=8*105pa,r=1.31，P0/P=0.125,y=(6+2)/6=1.33,(2/Y+1)Y/Y-1=0.54,因为0.1250.54,所以属音速流动）当气体经5mm圆形泄漏孔流出(0.0025)2=1.96*10-5 R=52,.90Q=1.38kg/s2)当气体经25mm圆形泄漏孔流出（0.0125）24.911034.57kg/s3)当气体经100mm圆形泄漏孔流出（0.05）7.85*10552.64kg/s4)当气体完全泄漏，以150mm圆形泄漏孔流出为例（0.075）20.0181267.2kg/s整理表格如下表3.1 不同泄漏场景下的气体泄漏质量流率3.1.2液体经孔泄漏根据化工企业定量风险评价导则（AQ/T 3046 2013），瞬时质量流率为：式中：Qm质量流率，单位为 kg/s；P储罐内液体压力，单位为 Pa；P0环境压力，单位为 Pa；C0液体泄漏系数；g重力加速度， 9.8 m/s2；A泄漏孔面积，单位为 m2；液体密度，单位为 kg/m3；hL泄漏孔上方液体高度，单位为 m。液体泄漏系数 C0 是雷诺准数和孔直径的函数，经验数据如下：a）对于锋利的孔和雷诺准数大于 30 000 时，液体泄漏系数近似取 0.61。对于这种情况，液体的流出速率不依赖于裂口的尺寸；b）对于圆滑喷嘴，液体泄漏系数可近似取 1；c）对于与容器相连的管嘴（即长度与直径之比不小于 3），液体泄漏系数近似取 0.81；d）当液体泄漏系数不知道或不能确定时，取 1.0 使所计算的流量最大。代入各数据可得小孔泄漏，中孔泄漏，大孔泄漏，完全破裂的瞬时流率为0.196kg/s、4.946kg/s、79.128kg/s3.1.3闪蒸1）闪蒸带走的气体的量Fv=1.56*（113.15-111.15）/516.2=6.04*10-3表 罐体泄漏场景下闪蒸蒸发速率小孔泄漏中孔泄漏大孔泄漏完全破裂闪蒸蒸发速率kg/s2.42*10-47.25*10-45.13*10-37.67*10-32. 闪蒸带走的液体量当需要计算闪蒸带走的液体量时，可按照以下方法计算。 在液体闪蒸过程中，除了有一部分液体转变成气体外，还有一部分液体以液滴的形式悬浮在气体中，闪蒸带走的液体量的计算如下：当Fv0.2时： 带到空气中的液体量：表 罐体泄漏场景下小孔泄漏中孔泄漏大孔泄漏完全破裂D kg/s7.31*10-62.19*10-51.55*10-42.32*10-4Ds kg/s2.35*10-47.03*10-44.98*10-37.43*10-33.1.4泄漏物质在大气中的扩散 大气稳定度确定 大气稳定度通常采用Pasquill分类方法确定，大气稳定度分为A、B、C、D、E和F六类，具体分类见表E.5和表E.6。因为风速为2.5m/s，Pasquill大气稳定度确定白天日照程度为B，夜间条件为E Pasquill-Gifford模型扩散方程 a）Pasquill-Gifford模型扩散方程1）位于地面高处的连续稳态源的烟羽rHQ=478.34 u=2.5； y=10 z=10； 稳定度等级为B HR=1.0x取值（m）255055100200(x.y.z)0.0460.630.510.200.03在空气中的含量（%）75.9648.8338.2515.502.332）位于地面高处的瞬时点源的烟团，地面上的坐标系随烟团移动，坐标系的中心位于烟团的中心烟团中心在x=ut处，平均浓度方程为： x取值（m）103050100200(x.y.z)0.890.670.440.20.08在空气中的含量（%）69.9351.9434.1115.506.203.2喷射火模拟计算因储罐高度为，泄漏孔中心位于储罐外壁背风侧距地面处所以泄漏孔上方液体高度为11.5m，且没有准确泄漏方向时，宜设为水平方向与风向相同。根据AQ/T3046-2013化工企业风险评价导则根据资料，Hc=55643.75J/Kg,又由表3. 得质量流速，计算出不同场景下的喷射火火焰长度如下表。表3. 不同场景下的火焰长度泄漏场景经5mm圆形泄漏孔流出经25mm圆形泄漏孔流出经100mm圆形泄漏孔流出气体完全泄漏(150mm圆形泄漏孔流出为例)火焰长度/m0.873.6412.4618.01气体；（50000*1.38）0.444/161.66=0.873.64 34.57kg/s12.46 552.64kg/s18.00 1267.2kg/s液体0.37 0.196kg/s1.53 4.946kg/s、5.25 79.128kg/sF=275X=10：T=1-0.0565lnx=0.87 x=100：0.74Q=3.2蒸汽云爆炸模拟计算E=3.5*106*80=2.8*108R=0.713R5=1013253.3 BLEVE模拟计算根据AQ/T 3046-2013化工企业风险评价导则E.4.2 沸腾液体扩展为蒸汽云爆炸（BLEVE）计算，确定计算步骤如下：（1） 火球直径计算：火球直径按下式计算：R=2.9W1/3式中，R-火球直径，单位为米，m W-火球中消耗的可燃物质质量，kg；对于单罐储存，W取罐容量的50%，对于双罐储存，W取罐容量的70%；对于多罐储存，W取罐容量的90%所以，W=420*80*0.50=1.68*104 kg（甲烷的液相密度为486kg/Nm3） R=2.9*（1.68*104）1/3=74.27m（2） 火球持续时间的计算t=0.45W1/3式中：t-火球持续时间，s W-火球中消耗的可燃物质质量,kg所以，t=0.45*（1.68*104）1/3=11.53 s（3） 目标接收到热辐射通量的计算q0R2r(1-0.058lnr) q（r）=（R2+r2）3/2式中：q0-火球表面的辐射通量，W/m2;对于柱形罐取270W/m2，对于球形罐取200W/m2r-目标到火球中心的平均距离，mr分别取10m、100m、800m、1000m得出热辐射通量如下表所示。表3.2热辐射通量表r/m4006008001000q(r)/W/m266.888952.731438.572828.23473.2.4 池火模拟计算参照AQ/T 3046-2013化工企业风险评价导则E.4.1,池火火焰的几何尺寸及热辐射参数按如下步骤计算。围堰直径为3.18m。D=(4*7.95/3.14)1/2=3.18mm=0.078*（1-e-1.1*1.59）=0.06，空气密度=1.205g/L,带入数据得，L=7.50mU=（9.8*0.06*1.60/1.205）1/3=0.92U*=2.5/0.92=2.72F=2.52/(9.8*1.6)=0.40R=2.5*1.6/1.43*10-4=2.80*104C=0.666*0.40.333*(2.8*104)0.117=1.63=47.73D1=4.80D2=4.48SEPMAX=0.3*0,40*50000/(1+4*7.50/3.18)=575.26SEPACT=575.26*0.2+39.9*0.8=146.97代入数据得，q0=80.74kW/m2S=10/2.4=4.17 41.7 H=7.5/4,8=1,56 1.56a=(1.562+4.172+1)/(2*4.17)=2.50 20.89b=（1+4.172）/(2*4.17)=2.20 20.86k=38.025 44.13j=43.70 45.63v=22.93 0.105A=9.54 1.04B=7.88 1.02V=7.32 0.034Q=80.74（1-0.058ln10）7.32=512.09 2.384.结论 本次课程设计是对容积为80m3的LNG储罐泄漏的火灾爆炸事故的模拟，对可能发生的事故进行了分析及计算，二氧化碳气提发制尿素进行安全设计，首先选择合适的厂址，既能满足化工生产的各方面需求，又能不对周围环境造成不良影响。通过查询规范和化工厂进行区域划分来确定各个区域内建构筑物的功能、火灾危险类别、耐火等级、建构筑物面积以及它们之