韦全乐
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【摘要】天然气在当今社会得到广泛应用，但与此同时这也是一种较为危险的气体资源，一旦发生泄漏，会对人体和周围的空气造成伤害及污染。本文结合笔者多年的研究与实践，探讨天然气储罐泄漏扩散的影响因素及危害性，以供参考。
【关键词】天然气储罐;泄漏扩散;影响因素;危害性
天然气是一种优质、高效、清洁的低碳能源，目前已经成为绝大多数城市人民不可或缺的一部分。这些年来，人们对天然气的应用需求量大增，且呈现逐年增长的趋势。但是由于天然气的燃烧爆炸性、扩散性、膨胀性，其一旦发生泄漏，气体会迅速扩散并与空气混合形成混合型爆炸气体，形成大面积的危险区域，进而引发事故。这些事故的共同特点是:事故造成的人员伤亡、财产损失、环境污染非常严重，其影响往往超出了厂区的围墙，威胁公众安全，因此必须引起高度重视。
1.天然气气体泄漏扩散的影响因素分析
1.1气象条件对泄漏扩散的影响
首先是风向和风速对泄漏扩散的影响，风向和风速都对气体扩散产生影响。风向决定气体的泄漏扩散方向，泄漏气体多分布在下风向。风速的大小决定扩散稀释的强弱，因为风速越大，大气的湍流越强，风的输送作用也越强，空气的稀释作用就越强。其次是环境温度对泄漏扩散的影响。温度的影响主要表现在环境温度的垂直梯度分布，大气温度随高度不同而变化，形成温度层结，通过影响大气垂直对流运动而对泄漏气体的扩散发生影响。再者是大气稳定度对泄漏扩散的影响[1]。大气稳定度的确定可采用Pasquill-Gifford方法，将大气稳定度分为A~F，分别代表极不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、弱稳定、稳定。大气稳定度主要是用来评价空气层垂直对流程度，大气越稳定度越差，空气垂直对流运动越剧烈，气体扩散速度快，不容易积聚，危害性变小;大气稳定度越好，气体向大气中扩散的速度越慢，气体无法快速扩散，容易形成高浓度区域，危害性越大[2]。
1.2泄漏源对泄漏扩散的影响
首先是压力对泄漏扩散的影响。气体的储存压力主要影响气体的泄漏速率，压力越大，射流速度更大，更容易扩散至大气，与空气混合更快。其次是泄漏孔形状与孔径对泄漏扩散的影响。泄漏源的泄漏孔口形状和大小对泄漏也存在一定的影响。泄漏孔形状不同，泄漏气体分布范围也存在差异；泄漏孔的孔径大小不同，泄漏速率不同，相同时间内的气体泄漏量也不同。再者是泄漏位置对泄漏扩散的影响。泄漏源位置主要会影响气体扩散至大气的空间浓度分布[3]。当泄漏源位置处于较高处时，气体扩散到地面的距离变长，空间浓度分布稀薄；当泄漏源位置处于较低处时，泄漏气体容易贴近地面，地面出容易形成高浓度区，增加危险的可能性。
2.天然气储罐泄漏扩散后果的危险性分析
2.1泄漏扩散危险性
比如泄漏扩散模型的选取。用于泄漏扩散的模型主要有BM模型、FEM3模型、箱及箱式模型、SUTTON模型以及高斯模型。高斯模型提出的时间早，实验数据量大，应用较为广泛，该模型适用于中性气体，可模拟的泄漏方式包括连续性泄漏和瞬时泄漏。大型高压储罐的泄漏为连续性泄漏，且天然气属于中性气体。再如参数的选取，首先要确定泄漏形状与孔径，结合美国石油学会推出的API581，推荐承压设备泄漏孔以0.25，1，4in一组不连续的孔径尺寸进行风险计算。换算成标准单位为6.35，25.4，101.6mm．一般产生泄漏孔都是管道连接处由于腐蚀，应力屈服，选取适中的圆形泄漏孔，直径25.4mm.由于泄漏孔相对于储罐直径孔较小，所以忽略气体泄漏过程中压力的变化，视为小泄漏。其次是泄漏位置的确定[4]。储罐最易出现泄漏孔的位置是阀门以及管道连接处，主要集中在储罐的顶部和底部，由于本次研究的储罐顶部距地面30m，当泄漏发生在罐顶，气体首先进行自由射流运动，进而抬升泄漏源高度，实际有效泄漏源大于30m，已经远离人接触高度，再者，由于气体自身密度的影响，天然气会受到空气给予的浮力影响，继续向上运动。相比与罐顶泄漏，罐底部泄漏产生的危害会更大，所以本文选取罐底的管道连接处为泄漏位置。还有就是风的确定、大气稳定度和气体扩散系数的确定，最后是泄漏源高度的确定，以所分析的泄漏位置假设为罐底，其距地为2.3m，因此可知泄漏源有效高度是2.3m。为此，用笛卡尔坐标系建立在高斯模型中就可以进行相关参数的计算。
天然气在处于空气环境下的爆炸极限为5.3%～15.1%，根绝其与浓度之间的关系，相应的换算为35800～107500mg/m3。参照瑞士职业接触限值甲烷容许最高接触浓度(TWA)为6700mg/m3，进入此浓度区域的抢修人员需要配戴防护器具。所以在距离泄漏源下风向313m处，甲烷浓度达到了对人体有害的阈值，所以泄漏源下风向313m以内抢修人员需要佩戴防护器具。距离泄漏源下风向78～135m处，浓度在甲烷爆炸上下限内，在泄漏源下风向78～135m范围内严禁有火源存在。由于模型最终简化为以地面处的浓度为基准，时间情况下，浓度在整个空间都有分布，为了安全考虑，在泄漏源下风向135m以内都不应该有火源存在。
2.2火灾爆炸的危险性分析
当泄漏气体在扩散过程中，处于一定浓度区间并遇上火源，便会发生火灾爆炸。本文假设4个储罐中的1个发生泄漏扩散并产生爆炸，利用相关模型计算爆炸冲击波超压，判断与相邻储罐范围内是否超过另一个储罐所能承受的压力，进一步分析火灾爆炸产生的危害。
首先要创建火灾爆炸伤害的模型。火灾爆炸中破坏性最大的是超压冲击波，因此可采用TNT当量方法计算火灾爆炸产生的破坏作用。如果其中一个天然气储罐发生泄漏并引发爆炸，那么还要结合安全评估危害最大化的原则，计算储罐所泄漏气体的TNT当量结果。以1000kgTNT爆炸时的冲击波超压值为例，空中爆炸的冲击波与实验距离的关系见下表1。
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从表2可以看出，如果在一个厂区中发生任何一个储罐火灾爆炸的问题，那么所产生的爆炸冲击波超压超过了储罐的设计压力，也就是说相邻的储罐同样会发生爆炸的问题。几个压缩天然气储罐均将发生爆炸，且产生约为10223283kg的TNT当量，若人能承受的0.1MPa冲击波超压为标准，那么一旦大于该值就无法确保能存活，也就是死亡半径在440m左右。
3.结束语
通过本文对天然气储罐泄漏扩散的影响因素及危害性的分析可知，影响储罐泄漏的因素主要包括气象条件和泄漏源本身两方面，正确的分析影响因素对于参数的选取和结果分析有重要意义。采用TNT当量法进行冲击波超压计算，当一个储罐发生火灾爆炸，其产生的冲击波超压会足以导致另一储罐发生爆炸，计算4个储罐发生火灾爆炸的TNT当量，可以计算出其死亡半径为440m，也就是说以爆炸源为中心，距其440m以内的人都无法生还。因此相关的从业人员必须重视天然气储罐泄漏扩散所产生的危害，在此基础上加大对影响因素的控制，以确保安全。
参考文献
[1]张勇.LNG储罐泄漏的分析和研究[J].现代制造技术与装备,2017,11(2)
[2]杨磊.液化天然气储罐泄漏扩散模拟研究[J].石油化工自动化,2021,1(1)
[3]张驰.立式天然气储罐泄漏扩散数值模拟研究[D].江西理工大学,2015