基于火灾热辐射分析的LNG加注趸船布置设计
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作者:周成 金全洲 田宇忠 甘少炜
摘要：液化天然气（LNG）加注趸船是为LNG燃料动力船舶提供燃料的水上加注站，其营运过程中的主要风险是LNG泄漏后可能造成的低温损伤和火灾伤害。通过分析LNG泄漏后的主要灾害，重点使用实体火焰模型对加注作业典型泄漏场景的热辐射灾害距离进行定量计算，并以200m3油气加注趸船为例进行加注趸船布置设计。
关键词：液化天然气;加注趸船;池火;实体火焰模型;热辐射
中图分类号：U662文献标识码：A文章编号：1006―7973（2022）07-0085-04
类似于油趸船，LNG加注趸船为无动力装置的矩形平底非自航船，设有LNG储罐并固定在岸边为LNG燃料动力船舶实施燃料加注。LNG加注趸船平面布置涉及LNG储罐和设备的安全保护、LNG泄漏的防护、防止LNG或其他可燃液体的燃烧爆炸、人员的安全脱险等方面。其面临的风险主要来自LNG泄漏产生的低温伤害和可燃气体混合气被明火引燃而产生的火灾或爆炸风险。LNG加注趸船的甲板布置应确保甲板上具有良好的通风条件，便于可燃气体扩散。同时，应将潜在泄漏限制在一定范围内且远离甲板室，以减少火灾热辐射危害。本文结合湖南首艘油气合一200m3LNG加注趸船“湘能源一号”设计方案，研究基于LNG火灾热辐射分析的布置设计。
1LNG加注趸船的潜在危害
LNG是一种无色液体，属于天然气经过脱水、脱硫、脱杂质等净化处理后的液态形式，主要组份是甲烷 （CH4），具有易燃易爆的危险性，泄漏后果受泄漏特征、泄漏量、环境条件等影响。相比LNG散装运输，LNG加注趸船是一种新生事物，能够直接借鉴的应用经验较少，只能借助LNG运输船和岸上加注站经验及国外研究成果来分析。
对于加注趸船，LNG泄漏后可能出现的危害及火灾情形包括低温影响、闪火、池火、蒸气云爆炸、喷射火。低温影响主要源自泄漏时深冷的LNG（-162℃）在未被引燃时可能对人员产生低温冻伤以及对金属的冷脆伤害。泄漏后延迟点燃的情况下，蒸气云不会一次性全部燃烧，试验表明该情况下产生的闪火以10-20m/s的较低速度传播，传至泄漏源形成池火或喷射火。喷射火的泄露源主要为带压管路或容器的破孔;池火对应的泄漏源为大量泄漏后自然形成的液池或泄漏至围堰、集液盘等设施内形成的液池。蒸气云在围蔽或受限空间被引燃，则会产生有害超压，造成蒸气云爆炸危害[1]。
上述各种危害中，通过配备防护服、安全培训以及布置构造设计，可有效控制低温影响。闪火到达附近物体的总辐射量通常低于来自相同距离持续时间较长的池火或喷射火。由于设置紧急切断阀的原因，在较短时间内遇到明火产生喷射火概率低。加注趸船的LNG补给、供应管路及储罐都设置在开敞甲板，可燃气体蒸气压扩散受限并遇明火发生蒸气云爆炸的概率低。比较而言，池火是最可能发生、危害后果最严重的一种危害形势[2]。
2LNG池火热辐射模型
用来模拟LNG池火热辐射的常用模型有点源模型、Shokri-Beyler模型及Mudan模型。点源模型是一种不考虑火焰几何参数的简化模型，此模型假定火的辐射能由一点向外辐射，而不是由代表火焰的理想形状（如锥形或圆柱形）向外辐射，其所考虑的外界影响因素较少，适用于理论化的趋势比较，对具体场景的计算结果可参考性不高。Shokri-Beyler模型相对点源模型做了一定的优化，其基于辐射体和目标之间的角系数来处理辐射热流问题。模型假设池火焰为具有均匀辐射能力的圆柱形实体辐射源，圆柱形辐射源的直径等于液池的直径，高度为池火焰长度，但相关假设对实际场景仍然简化较大。
Mudan模型把池火焰看作是一个垂直（无风条件下）或者倾斜（有风条件下）的圆柱形辐射源。在Mudan模型中，除了考虑池火焰表面的有效热辐射通量和被辐射目标物与池火焰间的视角关系，还考虑了大气透射系数的影响。对于含有大量黑烟的碳氢化合物池火焰，其表面的热辐射通量计算还考虑了黑体辐射强度、消光系数及烟尘辐射强度。相对来说Mudan模型更为准确，并作为中国船级社发布的《油气定量风险评估指南》[3]中的推荐模型。该指南中，采用Mudan模型计算热辐射强度，采用Thomas模型计算池火火焰高度，采用Bagster模型计算大气热传递系数，采用Babrauskas计算质量燃烧效率。相关计算模型如下：
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
（9）
（10）
式中：Qm――Mudan模型模型目标所在位置的热辐射强度，W/m2;
F――视角系数，具体计算可参见TNO黄皮书[4]相关章节，保守值可取1;
SEP――火焰表面热辐射能，W/m2;
SEPmax――火焰最大表面热辐射能，W/m2;
SEPsoot――烟粒表面辐射能，W/m2，对于烃类如天然夂捅降染验值为20×103;
――火焰表面被烟粒覆盖比率，对于烃类如天然气的经验值为80%;
fs――热辐射系数，经验值为0.1～0.4;
H――火焰高度，m;
Hc――燃烧热，J/kg;
D――液池直径，m;
――空气密度，kg/m3;
m――质量燃烧速率，kg/（m2・s）;
――最大质量燃烧速率，kg/（m2・s）。对于LNG，=0.078;
k――火焰的吸收衰减系数，m-1;
――平均光线长度校正系数。对于LNG，k=1.1;
――大气热传递系数;
x――目标至火焰中心水平距离，m;
nlc202209161140
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