基于QRA角度评价LNG储罐类型的选择*

杨凌鹏 耿孝恒 王卫强 经琥玉 杜胜男

(1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院 辽宁抚顺113001； 2.滨州学院 山东滨州 256600)

0 引言

LNG接收站中几乎均是大型和特大型储槽，容积一般在4万m3以上，最大单罐容积可高达20万m3，一般采用立式圆柱形低温常压储槽；中下游产业链多采用中小型储存装备，一般为立式圆柱形带压储罐，但近年来，研究的深入使得球形罐等罐体储存方式，常压罐和带压罐联合使用的方式逐渐得到认可[1]，但这也使其存储安全性得到广泛重视，部分国内外学者对LNG泄漏事故后果进行了研究与分析:马欣等[2]和师统麾[3]分别利用贝叶斯和RBI(基于风险的检测)详细地分析了导致LNG储罐失效泄漏的各类原因及其作用的主要路线;陈兵等[4]、闫晓等[5]和潘旭海等[6]利用仿真方法，主要针对环境因素和泄漏口类型对固定式LNG储罐泄漏事故进行了后果模拟，得出风速及泄漏口的大小是最主要的影响因素。

虽然与LNG储存相关的安全分析日渐丰富，但关于罐体类型与形状对于LNG泄漏安全事故的影响的专项分析仍然较少，难以成体系，不足以为LNG储罐类型的选择提供综合指导意见。故而寻求从QRA角度，利用压力和罐体类型等方面的区别对LNG储罐泄漏事故进行分析计算，分别为中小型LNG储罐分析、大型LNG储槽分析和带压LNG储罐充注压力对比分析专项，以期能够更为完善地为其储罐类型的选择提供理论依据。

1 安全阈值

在事故定量风险评价过程中，将其后果与行业公认安全阈值进行对比从而划分出事故不同影响区域，其中采用的安全阈值主要来自AQ/T 3046—2013《化工企业定量风险评价导则》，分为热辐射阈值和超压阈值，分别见表1和表2。

表1 热辐射安全阈值

表2 超压安全阈值

2 中小型LNG储罐

2.1 立式圆柱储罐

2.1.1 常压罐

在低温常压圆柱罐中，分析基本参数见表3。其中最大充注比例如图1所示。当储罐未知泄漏高度时，选择中间高度处为泄漏点进行分析计算具有代表性；在已知泄漏点情况下，对于不同高径比储罐选择同一高度进行计算利于分析对比，具体高度详见表4和表5。蒸汽云爆炸(VCE)延迟点火时长为40 s。事故均由储罐罐体泄漏导致，储罐均处于最大充注水平(下同)。

表3 常压圆柱罐计算基础参数

图1 LNG储罐最大充注比例

由表4和表5可见，在相同容积条件下，无论是由中间高度还是相同高度泄漏，亦无论是中孔泄漏或是大孔泄漏，储罐高度越高，即高径比越大，事故影响范围越大，这主要是因为储罐高度越高使得泄漏点距储液面的高度越大，导致泄漏点处的压力更高。且罐体越高，罐体本身的稳定性越差，在高处越易受到影响，因此，常压圆柱罐应尽量选择高径比较小的储罐以减小事故发生后的影响范围。

表4 中间高度泄漏比较

表5 等高度泄漏比较

2.1.2 带压罐

带压罐计算基本参数见表6。这里由于储罐压力较高，故由池火灾改为关注更易发生的喷射火的影响范围。

表6 带压圆柱罐计算基本参数

在不同高径比情况下得到的事故后果见表7。在压力罐事故中，储罐充注压力对事故后果起主导作用，此时高径比的影响微乎其微，不同高度处泄漏影响范围不会随着高径比的变化而改变。

表7 圆柱压力罐事故后果

2.2 球形罐与圆柱罐

2.2.1 常压罐对比

选取设计容积为215.5 m3的常压储罐，其余参数同表3。将球形罐与等高的圆柱罐的事故后果进行比较，结果如图2和图3所示(两种储罐中孔池火灾影响均小于10 m, 故未画出)。对于几类常见泄漏安全事故，常压球形罐均比相同高度的圆柱罐事故影响范围小，且由2.1.1节常压圆柱罐结论还可推知，也一定比高度大于其直径的圆柱罐影响范围更小。但计算沸腾液体扩展蒸气爆炸(BLEVE)时发现，其影响范围只与压力有关，与储罐形状及高径比均无关系。但从整体上看，出于安全考虑，当对储罐高度有一定要求时，球形罐是更为合理的选择。

图2 常压球形罐与圆柱罐中孔事故影响比较

图3 常压球形罐与圆柱罐大孔事故影响比较

2.2.2 带压罐对比

使用2.2.1节基本参数，将带压球形罐与等高的带压圆柱罐的事故后果进行比较。结果见表8，其中括号中的数字为圆柱罐与球型罐结果不同的数据。在充注较高压力时，球形罐与圆柱罐泄漏事故安全影响范围基本一致且很大程度上取决于压力与容积，但当泄漏点高度差较大时，泄漏高度对影响范围有微弱影响。综合考虑球形罐受压均匀，抗压性能更好，故相比圆柱罐发生事故的可能性较低，所以在带压储存方面球形罐仍是更好的选择。

3 大型LNG储槽

大型LNG储槽现以立式低温常压圆柱罐为主，球罐等其他类型储槽的研究正在进行当中。分析基本参数见表9。分析采用常用压力罐充注压力范围的压力值：0.3～0.8 MPa；VCE点火位置距泄漏点80 m(下同)；事故均由储罐罐体大孔泄漏导致；在PHAST软件中均关注事故下风向影响距离。

表8 带压罐事故后果

表9 LNG储槽计算基础参数

分析计算结果见表10。不同于中小型储罐压力罐与常压罐的区别，在大型储槽中，虽然事故后果会随着压力的增加而呈上升趋势，但增幅甚小，这主要是由于大型储罐在离地面不高的泄漏点处，自身重量造成的压力对其后果起到支配作用，常用范围内的压力影响很小，这样也会大大抑制储罐内部蒸发气体(BOG)的产生。若继续增大压力至数兆帕，也许会对大型储槽泄漏安全事故的影响范围产生较大差别，更加强有力的抑制BOG的生成，但同时会对储罐材料提出更高的抗压要求，且当储槽内一旦出现不稳定工况时，储槽极易发生安全事故，这样又会造成安全性能的降低。故对于大型储槽，常压储存方式是性价比更高的选择。

表10 大型LNG储槽泄漏事故影响范围

4 压力罐充注压力对比

为了探究中小型压力罐中压力与事故后果的具体关系，对不同压力下的各种事故的大孔泄漏进行了分析计算。分析基础参数见表11，其中储罐底部附管直径0.1 m，长度为10 m。

表11 对比分析专项基础参数

计算结果分别见表12和表13，将各种安全事故的轻伤影响范围绘制成图，如图4和图5所示。随着储罐压力的升高，LNG气化后会被压力驱使至更远的区域，故会导致处于爆炸浓度内的气体范围增大，所以VCE和BLEVE会随着压力增大而小幅增加影响范围。但储罐压力增加也意味着发生泄漏时压降速率增加，在事故发展后期有可能会出现泄漏点处的压力小于充注压力较小的同样工况下的压力的情况，故而会导致喷射火和池火灾并未表现与爆炸后果一致的规律：喷射火在0.3 MPa到0.5 MPa之间出现了下滑的趋势，随后其影响范围才逐渐增加，而至最后，压力为0.7 MPa和0.2 MPa时的影响范围相差无几；池火灾一反常态，随着压力的增加影响范围反而减小。由上可知，减小储罐充注压力并非能够缩小任意类型泄漏事故的影响范围，应根据当地实际情况，对出现概率最高类型的安全事故进行分析计算，找出最佳的充注与设计压力，例如：某地常用800 m3储罐，当其BLEVE和喷射火发生的概率最大时，由图8可得知，出于安全考虑，0.5 MPa即为较为合适的充注压力。当然，除此之外，根据结果还可知，应对压力罐区设置防火墙或隔热墙以控制爆炸的影响范围；在储罐周围应装置撬装式防火围堰以大大减小池火灾的热辐射范围；加强明火检测和管理以防止大型爆炸事故的发生。

表12 VCE和BLEVE超压影响范围

表13 Pool Fire和Jet Fire热辐射影响范围

图4 VCE和BLEVE超压轻伤影响范围

图5 Pool Fire和Jet Fire热辐射轻伤影响范围

5 结论

根据以上对于LNG各种储罐类型的分析与计算，从QRA角度，最终得出如下几点结论。

(1)在中小型各类常压罐中，立式圆柱形罐应尽量选择高径比较小，接近1的罐体；球形罐比具有相同或更高高度的圆柱罐安全性更高。对于中小型储罐带压储存方式，压力对泄漏安全事故的影响范围起到支配作用，此时罐体形状和高径比对后果影响不大。

(2)对于大型LNG储槽，虽然常压储槽和带压储槽泄漏安全事故后果范围相差不大，但如若选择带压储存来抑制BOG的产生，欲达到和中小型储罐对于BOG有相同的抑制作用需要跨越现有常用范围内的压力，这样就会大大提高对于材料和工艺技术的要求，且又降低了安全性，故而，大型LNG储槽选择常压储存的方式更合适。

(3)对于不同的泄漏事故类型，随着储罐压力的增加其影响范围表现出了不同的变化趋势，这表明并非随着压力增加所有事故的影响范围都会增加，这就需要根据实际情况进行分析与计算以选取最适合的设计与充注压力。