2024年4月5日发(作者：乌孙海蓝)
防灾减灾评估
天然气场站泄漏事故后果模拟与风险评估
罗振敏12,郝苗1人王磊2,程方明12,王涛
(1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安710054;
2.陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心，陕西西安710054)
摘要：针对天然气场站泄漏燃爆伤亡危害范围问题，利用
考虑了多种事故后果，对于构建大型实验数值模拟模型的
PHAST
软件对某天然气场站发生不同程度泄漏后可能造成的蒸
研宄相对较少。为此，结合行业相关标准及实际，以某中
气云爆炸、喷射火等燃爆事故后果进行了模拟分析与风险评怙，得
小型城市的天然气场站为研宄对象，利用PHAST软件对
出该场站各典型事故的安全距离及个人风险和社会风险曲线结
该天然气场站模拟计算在不同泄露孔径下各典型事故后
果表明：泄漏孔径越大，泄漏扩散影响范围也越大；喷射火的热辐
果的安全距离，得出场站年平均气候条件相对频率较高情
射值会随着下风向的距离先逐渐递增，达到一定峰值后，逐渐减弱
况下的个人风险曲线图以及社会风险曲线图，进而为企业
最后趋于稳定；爆炸中心到泄漏点的下风向距离在增大，其爆炸冲
事故防控对策的制定提供参考。
击波的危害区城在扩大；风险曲线可直观地看出该天然气场站对
1天然气泄漏事故模型
周围环境和人口造成的影响该结论为消防救援及制定应急预案
1.1数学模型建立及模拟过程
等提供了参考数据
天然气事故后果类型包泄漏扩散、蒸气云爆炸、喷射
关键词：消防；天然气；泄漏；
PH
AST
;后果模拟；风险评估
火等，产生的危害包括火灾的热辐射、超压冲击波等。因
中图分类号
zXgSTfTTSgi
文献标志码
：A
此，选择的模拟区域主要包括工艺区、球罐区；模拟对象主
文章编号：1009-0029(2021)03-0340-05
要包括所在区域内的各个设备设施和压力管道；泄漏物质
主要为天然气。
近年来，城市天然气场站由泄漏造成的火灾、爆炸等
(1)泄漏扩散模型。为研究不同泄漏孔径下各典型事
事故引人关注。目前，国内外学者采用不同软件对可燃气
故后果，需要用到连续泄漏模型和瞬时泄漏模型，图1为
体燃爆事故以及毒性气体泄漏事故进行了模拟分析，其中
PHAST
天然气储罐发生泄漏扩散示意图。
软件应用较为广泛，该软件由挪威船级社
DNV
天然气毕续释放泄v混合最高高度
研发并使用。魏沁汝等提出了一种基于人员伤亡程度的
事故后果影响区域的研究方法，并应用
PHAST
研究了天
然气长输管道火灾爆炸影响伤害区域。Wang等基于
通过与新鲜的空气混合
PHAST
研宄了敞开环境下的
LPG
发生火球事故的热辐
射危害影响范围。罗振敏等基于
PHAST
软件对化工厂
图1天然气储罐连续泄漏扩散模型
内的某一区域，模拟不同条件下液氨泄漏事故的致死率、
连续泄漏模型的质量浓度r的相似分布由式
气云扩散的浓度范围。扈洁琼基于定量风险分析软件
(1)得到。瞬时泄漏模型的质量浓度c的相似分布
P
H
A
S
T
,以常压蒸馏装置为实例，对其火灾、爆炸及中毒
由式(2)得到。
等事故后果及风险进行了模拟预测。陈利琼应用
PHAST
软件模拟定量分析了外部环境等初始条件对油罐火灾爆
C
'(
x
,^,
z
) =
C
0(
x)exp
炸伤亡半径的影响，并拟合了初始条件与池火灾和蒸气云
爆炸危害范围的关系式。此外，赵承建应用
SAFET
1
软
件对原油储罐发生池火灾的热辐射伤害区域进行了定量
C
'(.
r
,^，
C
/)=<^'〇
(/)exF
计算和模拟分析，探讨了合理确定原油罐区防火间距的可
行性。
综合现有文献资料，目前国内外针对天然气场站的评
价主要采用定性和半定量相结合的手段，使用定量化的手
(
2
)
段对事故后果进行仿真模拟，提出了大量的事故后果数值
式中：（:,为中心线质量浓度，kg/mYrjd分别为下风、侧
模型，大多基于一些经验、半经验的模型来计算典型事故
风和竖直方向，m<为距烟羽中心线的距离，
后果，还原性并不高，只有少数国外的数值模拟模型，综合
分别为质量浓度标准偏差的垂直、水平扩散参数，
基金项目：陕西宵创新能力支撑计划项目
(2020TD-021);
国家甫点研发计划资助项目
(2017YFC0804702)
340
Fire Science and Technology.
March 2021,Vol 40,No.3
/«(.
r
)为质量浓度垂直分布和横风向分布函数指数；;^
W
(/)
为/*时刻气云中心传播的下风向距离，
m
;尺?'(/)、办(/)分别
为/时刻下风向、侧风向扩散系数。
(2)热辐射模型。在压力作用下，从泄漏口以射流形
式喷射而出的天然气被点火源引燃，形成喷射火。火焰的
热辐射会使泄漏点附近目标受到不同程度的热毁伤，其热
辐射的辐射量由式（3)得到。
⑶
4丌厂2
式中：/为入射辐射量，
kW
/
m2;Q
为质量释放流量，
kg/sv
为伤害半径,
m
;7为效率因子，对于甲烷，取0.2;为甲烷
的燃烧热，5.56
X
107
J
/
kg
;7]e,为辐射率系数，取1»
闪火是泄漏天然气与空气混合后，在无障碍空间内被
点燃而发生的一种非爆炸性燃烧过程。一般认为,造成闪
火的气云浓度范围在爆炸上限与下限之间。闪火能够产生
强烈热辐射,天然气引发的闪火热辐射公式由式(4)得到。
VjQHcTm
市大气稳定度的相关资料进行分析，发现
D
类稳定度（中
等温度）出现的频率最高，故确定该市的大气稳定度为
D
类。大气相对湿度55%,大气温度25 1'，风速2
m
/
s
,大
气压力97 030
Pa
。
(2)模型设定。1
000
m
:i天然气储罐
，工
作压力1.6
MPa
,球罐直径12.5
m
。球罐中液化天然气爆炸极限评定
浓度为
4.4%〜
16.
5%。
泄漏源高度
lm
。根据
API
581
《基于风险的检验》对储罐通用失效概率中定义的泄漏孔
直径，以小孔（5
mm
)、中孔（25
mm
)、大孔（
100
mm
)泄漏
及完全破裂
（150
mm
)的
4
种典型泄漏场景进行模拟。
2事故后果模拟分析
I
=~~
DNV
风险评价软件由挪威
DNV
公司开发，目前己在
全世界得到广泛应用。其计算主要包括丨^
HAST
.
LEAK
、
PHAST
RISK
三个模块，分别进行后果、失效频率和风险
计算。在先期对现场调研数据的收集完毕后，在
leak
板块
计算各设备的失效频率，在
PHAST
板块将模拟的场站地
图导入，建立各设备模型并标记其所在地图中的实际位
置，输入设备参数、人口、天气等前期收集数据，将设备失
效后的各典型事故后果模型与其对应的事故发生频率结
合，进而分析得到该场站的量化风险计算结果（包括各典
型事故的安全距离、个人风险曲线及社会风险曲线）。
2.1典型事故类型模拟分析
(1) 气云扩散影响区域。根据气体扩散浓度来划分限
值标准：蒸气云浓度不足50%爆炸下限（小于22
X
1
CT
3)为
I
=
Q
^
Tc
,
4丌厂_
(4)
式中：«
al
为闪火的总辐射量；八为热传导系数；「为伤害
半径。
(3)蒸气云爆炸模型。大量天然气泄漏到空气中形成
蒸气云，其浓度处于爆炸极限范围，遇点火源发生爆炸。
一般选择等效
TNT
当量法作为蒸气云爆炸模型来计算冲
击波的超压。
TNT
当量
WTNT
由式(5)计算。
.8
aW
,
H
,
^TNT
=
H
jst
式中：1.8为地面爆炸系数；
a
为
TNT
的当量系数，取
0.04; 为蒸气云中有实际贡献的燃料质量,
kg
;/
i
为气体
的燃烧热，取50.02
MJ
/
kg
://
TNT
为
TNT
的爆炸热量，取
4.52
MJ
/
kg
。
对于在地面发生的，质量为
WTNT
的标准爆炸，其爆炸
超压
P
和爆炸半径尺由式（6)和式（7)计算。
2
(5)
安全区域，不会发生燃爆危险；蒸汽云浓度在爆炸上限与
爆炸下限之间（44
X
10_3〜165
XKT
3 )为易燃易爆区域，
在有障碍的区域内一旦出现一定能力的点火源，气体立即
起火爆炸；蒸汽云浓度超过燃烧上限（超过165
X
1
CT
3浓
度）区域为准危险区域，严禁火与人员走动，不会发生爆
炸，但会对人员造成中毒可能。球罐在不同孔径泄漏后气
云扩散侧视图如图2所示。
从图2看出，在小孔径（5
mm
)泄漏情况下，距球罐
3.04
Hi
为安全区域。在中孔径（25
mm
)泄漏时，距球罐
16.2
m
为安全区域，1.82〜7.7
m
为易燃易爆区。在大孔
径（100
mm
)泄漏时，天然气距球罐97
m
以外为安全区
7.75〜40
m
属于易燃易爆区。在全破裂（>150
mm
)时，
距球罐以外为安全区的下风向距离为40
m
和47.5
m
。泄
漏孔径越大，泄漏扩散影响范围也越大。
(2) 闪火影响危害区域。在小孔径泄漏和中孔泄漏两
种模式下，无闪火事故发生。球罐在不同孔径状态下发生
闪火事故危害区域如图3所示。在大孔径泄漏模式下，天
然气浓度为22
X
1
CT
3的最大下风向距离为93.95
m
,该区
域为安全区域。天然气浓度为44
X
1
CT
3的最大下风向距
离为37.89
m
,在此区域内出现火源可发生闪火。在全破
裂的情况，天然气浓度为22
X
10_3的最大下风向距离为
49.92
m
，44
X
10-3的浓度的最大下风向距离为37.12
m
，
认为在此区域内出现火源可发生闪火。
341
AP
=12.6
X
R
+ 3.99
X
R
+ 1.02
X
^/
WTNT
R
(6)
i
? = 13.6
X
f
^
TNT
^
U
000
J
1.2参数设定
0.37
(7)
(1)场站概况及环境参数。场站位于陕西省某市，占
地约18 130
m
2,呈南北走向，主要包含加气站、工艺区、办
公区、
CNG
加气母站区、球罐区、
CNG
配送车队及放空
区，总建筑面积
18 086
rrr
'，绿化面积
4 800
在场站以
南100
m
处建有放空区一处。该站天然气组分为甲烷、乙
烷、丙烷、氮气等，其中甲烷约占93.97%。氮气占4.46%,
二氧化碳占0.59%,乙烷占0.55%,丙烷占0.08°/。，其他占
0.17%。根据该市气象站多年气象要素统计数据，该市年
均风速为2.6
m
/
s
，年主导风向为西南偏西风。通过对该
消防科学与技术
2021
年
3
月第
40
卷第
3
期
L
5
E
L
n
n
0
/
钯
岖
5
H
0
l'SI
5
0.
Q
v
0
下风向距离
/m
(a) 5 mm
泄漏扩散
.8
.6
E
.
/
2
4
赵
岖
o
8
,
下风向距离
/m
(b) 25 mm
泄漏扩散
20 40 60 80 100
下风向距离
/m
(c) 100 mm
泄漏扩散
o
5
o
o
o
E
o
4
/
鹋
3
岖
E
2
:w
1
(d) >150 mm
泄漏扩散
32
不同泄漏孔径的气云泄漏扩散影响范围
4
o
E
/
被
2
」
圈
o
厄
o
s:
2
i
l
f
o
(a) 100 mm
闪火
5
o
o
5
o
下风向距离
/m
(b) >150 mm
闪火
图
3
不同孔径的闪火危害范围
342
(3)喷射火影响区域。泄漏过程中有可能会发生的喷
射火事故，其主要伤害形式为热辐射。天然气球罐在不同
孔径泄漏发生喷射火事故所产生的热辐射水平随着下风
向距离变化的关系曲线如图4所示。热辐射伤害和破坏
标准如表1所示。
3
5
o
3
o
0
2
o
5
o
2
o
0
o
1
o
5
1
0
5
下风向距离
/m
(a) 5 mm
喷射火热福射
35
o
3
0
o
2
5
o
2
0
o
1
5
o
1
o
0
5
o
T
风向距离
/m
(b) 25 mm
喷射火热福射
3
5
3
o
o
0
2
o
5
2
o
o
0
1
o
o
5
1
0
5
f
风向距离
/m
(c) 100 mm
喷射火热辐射
图
4
不同孔径的喷射火热辐射水平变化曲线
表丨热辐射强度对人八§备的影响
序号
辐射强度
/kW/m
人体伤害
设备影响
137.5
10 s
内
1%
死亡
，1 min
内
100
%死亡
操作设备损坏
225
10 s
内讓大烧伤
，1 min
内
100
%死亡
无火焰时，长时间辐射
K
木材燃烧的最小能量
312.5
10 s
内一度烧伤
，1 min
内
1
%死亡
有火焰时，木材燃烧及
塑料幵始融化
分析发现：开始时喷射火的热辐射值会随着下风向的
距离先逐渐递增，达到一定峰值后，逐渐减弱最后趋于稳
定。图4(
a
)图为小孔径（5
mm
)泄漏的喷射火事故，在下
风向距离为2.1
m
时，热辐射值达到峰值1.86
kW
/
nr
',辐
射最远距离5.9
m
。中孔径（25
mm
)泄漏的喷射火事故，
在下风向距离为8.2
m
时，热辐射值达到峰值37.5
kW
/
m
2,辐射最远距离为24
m
。大孔径（100
mm
)泄漏的喷射
火事故，在下风向距离为19.5
m
时，热辐射值达到峰值
350
kW
/
nr
辐射最远距离为80
m
。全破裂泄漏的事故
Fire Science and Technology .March 2021.V
〇
1 40,No.3
时，球罐内天然气瞬间得到释放，周围环境无压力差，无喷
射火事故发生。
根据火灾伤害阈值准则，在下风向距离3.7〜13.7(中
孔泄漏），9.8〜58.1
m
(大孔泄漏）范围内，热辐射能量超过
12.5
kW
/
m
2,在此范围内应避免木质设备，对人员辐射
kPa
的安全距离为19.60
m
。大孔径（100
mm
)泄漏的情
况下，超压为2.07
kPa
的安全距离为92
m
。全破裂（大于
150
mm
)的情况下，在下风向距离为37
m
的位置被点燃，
超压为2.07
kPa
的安全距离为758
m
。随着孔径的增大，
爆炸中心到泄漏点的下风向距离在增大，其爆炸冲击波的
危害区域在扩大，人员及设备所受到伤害的风险度也在
上升。
2.2风险评估
(1) 风险评价标准。根据《危险化学品生产装置和储
l
〇
s
内一度烧伤，1
min
内1%死亡。因此，在此区域内应
穿着专业防护服。
(4)气云爆炸超压区域。天然气球罐在不同孔径泄漏
后发生爆炸的超压半径随着下风向距离变化的关系曲线
如图5所示。爆炸超压影响伤害准则如表2所示。
2
o
1
E
/
o
褪
o
2
1
o
o
o
T
o
-2I
20
30
4()
50
60
下风向距离
/m
(a) 25 mm
爆炸
1
0
o
5
------
超压指标
2.07 kPa
£
o
/
褪
30kPa
lOkPa
靼
o
s
o
i
0
-5
o
r
3
-1
-150 -100 -50 0 50 100 150
o
5
2
0
3
00
下风向距离
/m
(b) 100 mm
爆炸
E
/
癍
)()
圈
厄
V
u
i
羣
-5
§
_
下风向距离
/m
(c)>150 mm
爆炸
图
5
不同孔径的爆炸超压半径
表
2
爆炸超压对人/建筑物的伤害影响
序号
超压
/kPa
伤害影响
1
30
人员听觉器官损伤、内脏轻度出血、骨折等，建筑物显著破坏
210
人员轻微挫伤，建筑物部分破坏
32.07
安全距离（低于该值，不造成严重损坏的概率为
0.95)
球罐在不同孔径泄漏后可燃蒸气云爆炸最严重情况
超压半径区域如图5所示。由图5可知，小孔径（5
mm
)
泄漏由于扩散时间较短、泄漏孔径太小以及风速以致于可
燃气云的面积过小，且在范围内无点火源，故并未出现爆
炸最坏情况超压半径的图像。中孔径（25
mm
)泄漏的情
况下，在下风向距离为10
m
的位置被点燃，超压为2.07
消防科学与技术
2021年3月第40卷第3
期
存设施风险基准》，针对场站的研究，选取的可容许的个人
风险标准值为1
X
1
CT
6次/年，可容许的上下限社会风险标
准值分别取1
X
10 3次/年和1
X
10__5次/年。
(2) 社会风险分析。通过建立事故模型，导入该天然
气站场平面布置图，最后得出场站年平均气候条件相对频
率较高情况下的个人风险曲线图以及社会风险曲线图。
由天然气泄漏造成的社会风险如图6所示。
1x10-'
卜—社会风险曲线
,
1x10
---
最小风险临界线
最大风险临界线
X
0•
0-
X
0-
楚
條
X
死亡人数/人
图
6
社会可接受风险曲线图
由图6可知，该场站的社会风险曲线部分落在不可接
受区域内，说明该场站有部分设备设施造成的社会风险不
能被接受，该场站存在一些设备设施对周边环境以及居民
生活造成了影响，故需要采取一定的管控对策使得风险降
低至可接受的范
围内。
(3)个人风险分析。由图7可知，位于该场站西面的
市政工程管理处完全处于危险区域内，东侧的部分居民区
以及北面某甲醇厂的部分球罐的部分处于危险区域内，南
面虽然影响范围较大但都是空地。综上分析可知，该天然
气厂对西面、北面及东面的影响范围最大。因此，应着重
加强该场站西、北面及东面的防控措施的建设与研究。
图
7
个人可接受风险等值线
3
结论
(1)利用
PHAST
软件对天然气球罐火灾爆炸事故后
果进行数值模拟，得出不同泄漏孔径下的事故后果影响
343
距离。
(2) 在球罐泄漏扩散事故下，天然气燃烧上限、燃烧下
[C]//
中间土木丁
.
程学会燃气分会
.
中闺燃气运营与安全研讨会（第
丨
•
届）暨中国土木
T
程学会燃气分会
2019
年学术年会论文集（上
限的浓度的下风向距离相对越远，可燃气云的扩散面积也
相对较广。该范围内若有点火源出现，极易引发火灾爆炸
事故。在球罐喷射火事故下，热辐射水平值呈现出先快速
上升后达到稳定，接着下降的规律。在球罐蒸气云爆炸事
故下，爆炸中心到泄漏点的下风向距离在增大，表明其爆
炸冲击波的危害区域在扩大，人员及设备所受到伤害的风
险度也在上升。
(3) 在站场发生事故时，会对周围人员和环境造成
重的危害。应及时将场站内工作人员迅速撤离至安全距
离外，避免人员造成伤害。着重加强该场站西、北面及东
面的防控措施的建设与
研究。
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Leakage accident consequence simulation and
risk assessment of natural gas station
LUO Zhen-min
丨
2，HAO miao
丨
2，WANG lei
丨2，
CHENG Fang-ming1，2, WANG tao12
(1. College of Safety Science and Engineering, Xi'an Uni
versity of Science and Technology, Shaanxi Xi'an 710054, Chi
na; 2. Shaanxi Engineering Research Center for Industrial Pro-
cess Safety & Emergency Rescue, Shaanxi Xi'an 710054, China)
Abstract: Aiming at the problem about the damage range of ca
sualties caused by the fire and explosion of natural gas stations,
and taking a natural gas station as the research object, the
PHAST software is used to simulate and analyze the conse
quences of gas cloud explosions, flash fires, and jet fire caused
by different degrees of leakage in the natural gas station, and
the safety distance, personal risk and social risk curves of each
typical accident in the station are calculated. It showed that the
larger the leakage aperture is, the greater the scope of leakage
and diffusion is; The heat radiation value of the jet fire will
gradually increase with the distance from the downwind direc
tion, and after reaching a certain peak, it will gradually weaken
and finally stabilize. The downwind distance from the explosion
center to the leakage point is increasing, and the hazardous area
of the explosion overpressure is expanding. The risk curve quan
titatively reflects the threat to the surrounding environment and
population. This conclusion can provide scientific data for fire
rescue and emergency plans.
Keywords: fire fighting; natural gas; leakage; PHAST; simula
tion of accident consequences; risk assessment
作者简介：罗振敏(1976—），女，山东兖州人，西安科技
大学安全科学与工程学院副院长、教授、博士生导师，主要
从事可燃性气体爆炸防控理论及技术研究，陕西省西安市
雁塔路58号，710054。
收稿日期：2020-11—02
Fire Science and Technology
.March 2021. Vol 40,No.3
严
2024年4月5日发(作者：乌孙海蓝)
防灾减灾评估
天然气场站泄漏事故后果模拟与风险评估
罗振敏12,郝苗1人王磊2,程方明12,王涛
(1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安710054;
2.陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心，陕西西安710054)
摘要：针对天然气场站泄漏燃爆伤亡危害范围问题，利用
考虑了多种事故后果，对于构建大型实验数值模拟模型的
PHAST
软件对某天然气场站发生不同程度泄漏后可能造成的蒸
研宄相对较少。为此，结合行业相关标准及实际，以某中
气云爆炸、喷射火等燃爆事故后果进行了模拟分析与风险评怙，得
小型城市的天然气场站为研宄对象，利用PHAST软件对
出该场站各典型事故的安全距离及个人风险和社会风险曲线结
该天然气场站模拟计算在不同泄露孔径下各典型事故后
果表明：泄漏孔径越大，泄漏扩散影响范围也越大；喷射火的热辐
果的安全距离，得出场站年平均气候条件相对频率较高情
射值会随着下风向的距离先逐渐递增，达到一定峰值后，逐渐减弱
况下的个人风险曲线图以及社会风险曲线图，进而为企业
最后趋于稳定；爆炸中心到泄漏点的下风向距离在增大，其爆炸冲
事故防控对策的制定提供参考。
击波的危害区城在扩大；风险曲线可直观地看出该天然气场站对
1天然气泄漏事故模型
周围环境和人口造成的影响该结论为消防救援及制定应急预案
1.1数学模型建立及模拟过程
等提供了参考数据
天然气事故后果类型包泄漏扩散、蒸气云爆炸、喷射
关键词：消防；天然气；泄漏；
PH
AST
;后果模拟；风险评估
火等，产生的危害包括火灾的热辐射、超压冲击波等。因
中图分类号
zXgSTfTTSgi
文献标志码
：A
此，选择的模拟区域主要包括工艺区、球罐区；模拟对象主
文章编号：1009-0029(2021)03-0340-05
要包括所在区域内的各个设备设施和压力管道；泄漏物质
主要为天然气。
近年来，城市天然气场站由泄漏造成的火灾、爆炸等
(1)泄漏扩散模型。为研究不同泄漏孔径下各典型事
事故引人关注。目前，国内外学者采用不同软件对可燃气
故后果，需要用到连续泄漏模型和瞬时泄漏模型，图1为
体燃爆事故以及毒性气体泄漏事故进行了模拟分析，其中
PHAST
天然气储罐发生泄漏扩散示意图。
软件应用较为广泛，该软件由挪威船级社
DNV
天然气毕续释放泄v混合最高高度
研发并使用。魏沁汝等提出了一种基于人员伤亡程度的
事故后果影响区域的研究方法，并应用
PHAST
研究了天
然气长输管道火灾爆炸影响伤害区域。Wang等基于
通过与新鲜的空气混合
PHAST
研宄了敞开环境下的
LPG
发生火球事故的热辐
射危害影响范围。罗振敏等基于
PHAST
软件对化工厂
图1天然气储罐连续泄漏扩散模型
内的某一区域，模拟不同条件下液氨泄漏事故的致死率、
连续泄漏模型的质量浓度r的相似分布由式
气云扩散的浓度范围。扈洁琼基于定量风险分析软件
(1)得到。瞬时泄漏模型的质量浓度c的相似分布
P
H
A
S
T
,以常压蒸馏装置为实例，对其火灾、爆炸及中毒
由式(2)得到。
等事故后果及风险进行了模拟预测。陈利琼应用
PHAST
软件模拟定量分析了外部环境等初始条件对油罐火灾爆
C
'(
x
,^,
z
) =
C
0(
x)exp
炸伤亡半径的影响，并拟合了初始条件与池火灾和蒸气云
爆炸危害范围的关系式。此外，赵承建应用
SAFET
1
软
件对原油储罐发生池火灾的热辐射伤害区域进行了定量
C
'(.
r
,^，
C
/)=<^'〇
(/)exF
计算和模拟分析，探讨了合理确定原油罐区防火间距的可
行性。
综合现有文献资料，目前国内外针对天然气场站的评
价主要采用定性和半定量相结合的手段，使用定量化的手
(
2
)
段对事故后果进行仿真模拟，提出了大量的事故后果数值
式中：（:,为中心线质量浓度，kg/mYrjd分别为下风、侧
模型，大多基于一些经验、半经验的模型来计算典型事故
风和竖直方向，m<为距烟羽中心线的距离，
后果，还原性并不高，只有少数国外的数值模拟模型，综合
分别为质量浓度标准偏差的垂直、水平扩散参数，
基金项目：陕西宵创新能力支撑计划项目
(2020TD-021);
国家甫点研发计划资助项目
(2017YFC0804702)
340
Fire Science and Technology.
March 2021,Vol 40,No.3
/«(.
r
)为质量浓度垂直分布和横风向分布函数指数；;^
W
(/)
为/*时刻气云中心传播的下风向距离，
m
;尺?'(/)、办(/)分别
为/时刻下风向、侧风向扩散系数。
(2)热辐射模型。在压力作用下，从泄漏口以射流形
式喷射而出的天然气被点火源引燃，形成喷射火。火焰的
热辐射会使泄漏点附近目标受到不同程度的热毁伤，其热
辐射的辐射量由式（3)得到。
⑶
4丌厂2
式中：/为入射辐射量，
kW
/
m2;Q
为质量释放流量，
kg/sv
为伤害半径,
m
;7为效率因子，对于甲烷，取0.2;为甲烷
的燃烧热，5.56
X
107
J
/
kg
;7]e,为辐射率系数，取1»
闪火是泄漏天然气与空气混合后，在无障碍空间内被
点燃而发生的一种非爆炸性燃烧过程。一般认为,造成闪
火的气云浓度范围在爆炸上限与下限之间。闪火能够产生
强烈热辐射,天然气引发的闪火热辐射公式由式(4)得到。
VjQHcTm
市大气稳定度的相关资料进行分析，发现
D
类稳定度（中
等温度）出现的频率最高，故确定该市的大气稳定度为
D
类。大气相对湿度55%,大气温度25 1'，风速2
m
/
s
,大
气压力97 030
Pa
。
(2)模型设定。1
000
m
:i天然气储罐
，工
作压力1.6
MPa
,球罐直径12.5
m
。球罐中液化天然气爆炸极限评定
浓度为
4.4%〜
16.
5%。
泄漏源高度
lm
。根据
API
581
《基于风险的检验》对储罐通用失效概率中定义的泄漏孔
直径，以小孔（5
mm
)、中孔（25
mm
)、大孔（
100
mm
)泄漏
及完全破裂
（150
mm
)的
4
种典型泄漏场景进行模拟。
2事故后果模拟分析
I
=~~
DNV
风险评价软件由挪威
DNV
公司开发，目前己在
全世界得到广泛应用。其计算主要包括丨^
HAST
.
LEAK
、
PHAST
RISK
三个模块，分别进行后果、失效频率和风险
计算。在先期对现场调研数据的收集完毕后，在
leak
板块
计算各设备的失效频率，在
PHAST
板块将模拟的场站地
图导入，建立各设备模型并标记其所在地图中的实际位
置，输入设备参数、人口、天气等前期收集数据，将设备失
效后的各典型事故后果模型与其对应的事故发生频率结
合，进而分析得到该场站的量化风险计算结果（包括各典
型事故的安全距离、个人风险曲线及社会风险曲线）。
2.1典型事故类型模拟分析
(1) 气云扩散影响区域。根据气体扩散浓度来划分限
值标准：蒸气云浓度不足50%爆炸下限（小于22
X
1
CT
3)为
I
=
Q
^
Tc
,
4丌厂_
(4)
式中：«
al
为闪火的总辐射量；八为热传导系数；「为伤害
半径。
(3)蒸气云爆炸模型。大量天然气泄漏到空气中形成
蒸气云，其浓度处于爆炸极限范围，遇点火源发生爆炸。
一般选择等效
TNT
当量法作为蒸气云爆炸模型来计算冲
击波的超压。
TNT
当量
WTNT
由式(5)计算。
.8
aW
,
H
,
^TNT
=
H
jst
式中：1.8为地面爆炸系数；
a
为
TNT
的当量系数，取
0.04; 为蒸气云中有实际贡献的燃料质量,
kg
;/
i
为气体
的燃烧热，取50.02
MJ
/
kg
://
TNT
为
TNT
的爆炸热量，取
4.52
MJ
/
kg
。
对于在地面发生的，质量为
WTNT
的标准爆炸，其爆炸
超压
P
和爆炸半径尺由式（6)和式（7)计算。
2
(5)
安全区域，不会发生燃爆危险；蒸汽云浓度在爆炸上限与
爆炸下限之间（44
X
10_3〜165
XKT
3 )为易燃易爆区域，
在有障碍的区域内一旦出现一定能力的点火源，气体立即
起火爆炸；蒸汽云浓度超过燃烧上限（超过165
X
1
CT
3浓
度）区域为准危险区域，严禁火与人员走动，不会发生爆
炸，但会对人员造成中毒可能。球罐在不同孔径泄漏后气
云扩散侧视图如图2所示。
从图2看出，在小孔径（5
mm
)泄漏情况下，距球罐
3.04
Hi
为安全区域。在中孔径（25
mm
)泄漏时，距球罐
16.2
m
为安全区域，1.82〜7.7
m
为易燃易爆区。在大孔
径（100
mm
)泄漏时，天然气距球罐97
m
以外为安全区
7.75〜40
m
属于易燃易爆区。在全破裂（>150
mm
)时，
距球罐以外为安全区的下风向距离为40
m
和47.5
m
。泄
漏孔径越大，泄漏扩散影响范围也越大。
(2) 闪火影响危害区域。在小孔径泄漏和中孔泄漏两
种模式下，无闪火事故发生。球罐在不同孔径状态下发生
闪火事故危害区域如图3所示。在大孔径泄漏模式下，天
然气浓度为22
X
1
CT
3的最大下风向距离为93.95
m
,该区
域为安全区域。天然气浓度为44
X
1
CT
3的最大下风向距
离为37.89
m
,在此区域内出现火源可发生闪火。在全破
裂的情况，天然气浓度为22
X
10_3的最大下风向距离为
49.92
m
，44
X
10-3的浓度的最大下风向距离为37.12
m
，
认为在此区域内出现火源可发生闪火。
341
AP
=12.6
X
R
+ 3.99
X
R
+ 1.02
X
^/
WTNT
R
(6)
i
? = 13.6
X
f
^
TNT
^
U
000
J
1.2参数设定
0.37
(7)
(1)场站概况及环境参数。场站位于陕西省某市，占
地约18 130
m
2,呈南北走向，主要包含加气站、工艺区、办
公区、
CNG
加气母站区、球罐区、
CNG
配送车队及放空
区，总建筑面积
18 086
rrr
'，绿化面积
4 800
在场站以
南100
m
处建有放空区一处。该站天然气组分为甲烷、乙
烷、丙烷、氮气等，其中甲烷约占93.97%。氮气占4.46%,
二氧化碳占0.59%,乙烷占0.55%,丙烷占0.08°/。，其他占
0.17%。根据该市气象站多年气象要素统计数据，该市年
均风速为2.6
m
/
s
，年主导风向为西南偏西风。通过对该
消防科学与技术
2021
年
3
月第
40
卷第
3
期
L
5
E
L
n
n
0
/
钯
岖
5
H
0
l'SI
5
0.
Q
v
0
下风向距离
/m
(a) 5 mm
泄漏扩散
.8
.6
E
.
/
2
4
赵
岖
o
8
,
下风向距离
/m
(b) 25 mm
泄漏扩散
20 40 60 80 100
下风向距离
/m
(c) 100 mm
泄漏扩散
o
5
o
o
o
E
o
4
/
鹋
3
岖
E
2
:w
1
(d) >150 mm
泄漏扩散
32
不同泄漏孔径的气云泄漏扩散影响范围
4
o
E
/
被
2
」
圈
o
厄
o
s:
2
i
l
f
o
(a) 100 mm
闪火
5
o
o
5
o
下风向距离
/m
(b) >150 mm
闪火
图
3
不同孔径的闪火危害范围
342
(3)喷射火影响区域。泄漏过程中有可能会发生的喷
射火事故，其主要伤害形式为热辐射。天然气球罐在不同
孔径泄漏发生喷射火事故所产生的热辐射水平随着下风
向距离变化的关系曲线如图4所示。热辐射伤害和破坏
标准如表1所示。
3
5
o
3
o
0
2
o
5
o
2
o
0
o
1
o
5
1
0
5
下风向距离
/m
(a) 5 mm
喷射火热福射
35
o
3
0
o
2
5
o
2
0
o
1
5
o
1
o
0
5
o
T
风向距离
/m
(b) 25 mm
喷射火热福射
3
5
3
o
o
0
2
o
5
2
o
o
0
1
o
o
5
1
0
5
f
风向距离
/m
(c) 100 mm
喷射火热辐射
图
4
不同孔径的喷射火热辐射水平变化曲线
表丨热辐射强度对人八§备的影响
序号
辐射强度
/kW/m
人体伤害
设备影响
137.5
10 s
内
1%
死亡
，1 min
内
100
%死亡
操作设备损坏
225
10 s
内讓大烧伤
，1 min
内
100
%死亡
无火焰时，长时间辐射
K
木材燃烧的最小能量
312.5
10 s
内一度烧伤
，1 min
内
1
%死亡
有火焰时，木材燃烧及
塑料幵始融化
分析发现：开始时喷射火的热辐射值会随着下风向的
距离先逐渐递增，达到一定峰值后，逐渐减弱最后趋于稳
定。图4(
a
)图为小孔径（5
mm
)泄漏的喷射火事故，在下
风向距离为2.1
m
时，热辐射值达到峰值1.86
kW
/
nr
',辐
射最远距离5.9
m
。中孔径（25
mm
)泄漏的喷射火事故，
在下风向距离为8.2
m
时，热辐射值达到峰值37.5
kW
/
m
2,辐射最远距离为24
m
。大孔径（100
mm
)泄漏的喷射
火事故，在下风向距离为19.5
m
时，热辐射值达到峰值
350
kW
/
nr
辐射最远距离为80
m
。全破裂泄漏的事故
Fire Science and Technology .March 2021.V
〇
1 40,No.3
时，球罐内天然气瞬间得到释放，周围环境无压力差，无喷
射火事故发生。
根据火灾伤害阈值准则，在下风向距离3.7〜13.7(中
孔泄漏），9.8〜58.1
m
(大孔泄漏）范围内，热辐射能量超过
12.5
kW
/
m
2,在此范围内应避免木质设备，对人员辐射
kPa
的安全距离为19.60
m
。大孔径（100
mm
)泄漏的情
况下，超压为2.07
kPa
的安全距离为92
m
。全破裂（大于
150
mm
)的情况下，在下风向距离为37
m
的位置被点燃，
超压为2.07
kPa
的安全距离为758
m
。随着孔径的增大，
爆炸中心到泄漏点的下风向距离在增大，其爆炸冲击波的
危害区域在扩大，人员及设备所受到伤害的风险度也在
上升。
2.2风险评估
(1) 风险评价标准。根据《危险化学品生产装置和储
l
〇
s
内一度烧伤，1
min
内1%死亡。因此，在此区域内应
穿着专业防护服。
(4)气云爆炸超压区域。天然气球罐在不同孔径泄漏
后发生爆炸的超压半径随着下风向距离变化的关系曲线
如图5所示。爆炸超压影响伤害准则如表2所示。
2
o
1
E
/
o
褪
o
2
1
o
o
o
T
o
-2I
20
30
4()
50
60
下风向距离
/m
(a) 25 mm
爆炸
1
0
o
5
------
超压指标
2.07 kPa
£
o
/
褪
30kPa
lOkPa
靼
o
s
o
i
0
-5
o
r
3
-1
-150 -100 -50 0 50 100 150
o
5
2
0
3
00
下风向距离
/m
(b) 100 mm
爆炸
E
/
癍
)()
圈
厄
V
u
i
羣
-5
§
_
下风向距离
/m
(c)>150 mm
爆炸
图
5
不同孔径的爆炸超压半径
表
2
爆炸超压对人/建筑物的伤害影响
序号
超压
/kPa
伤害影响
1
30
人员听觉器官损伤、内脏轻度出血、骨折等，建筑物显著破坏
210
人员轻微挫伤，建筑物部分破坏
32.07
安全距离（低于该值，不造成严重损坏的概率为
0.95)
球罐在不同孔径泄漏后可燃蒸气云爆炸最严重情况
超压半径区域如图5所示。由图5可知，小孔径（5
mm
)
泄漏由于扩散时间较短、泄漏孔径太小以及风速以致于可
燃气云的面积过小，且在范围内无点火源，故并未出现爆
炸最坏情况超压半径的图像。中孔径（25
mm
)泄漏的情
况下，在下风向距离为10
m
的位置被点燃，超压为2.07
消防科学与技术
2021年3月第40卷第3
期
存设施风险基准》，针对场站的研究，选取的可容许的个人
风险标准值为1
X
1
CT
6次/年，可容许的上下限社会风险标
准值分别取1
X
10 3次/年和1
X
10__5次/年。
(2) 社会风险分析。通过建立事故模型，导入该天然
气站场平面布置图，最后得出场站年平均气候条件相对频
率较高情况下的个人风险曲线图以及社会风险曲线图。
由天然气泄漏造成的社会风险如图6所示。
1x10-'
卜—社会风险曲线
,
1x10
---
最小风险临界线
最大风险临界线
X
0•
0-
X
0-
楚
條
X
死亡人数/人
图
6
社会可接受风险曲线图
由图6可知，该场站的社会风险曲线部分落在不可接
受区域内，说明该场站有部分设备设施造成的社会风险不
能被接受，该场站存在一些设备设施对周边环境以及居民
生活造成了影响，故需要采取一定的管控对策使得风险降
低至可接受的范
围内。
(3)个人风险分析。由图7可知，位于该场站西面的
市政工程管理处完全处于危险区域内，东侧的部分居民区
以及北面某甲醇厂的部分球罐的部分处于危险区域内，南
面虽然影响范围较大但都是空地。综上分析可知，该天然
气厂对西面、北面及东面的影响范围最大。因此，应着重
加强该场站西、北面及东面的防控措施的建设与研究。
图
7
个人可接受风险等值线
3
结论
(1)利用
PHAST
软件对天然气球罐火灾爆炸事故后
果进行数值模拟，得出不同泄漏孔径下的事故后果影响
343
距离。
(2) 在球罐泄漏扩散事故下，天然气燃烧上限、燃烧下
[C]//
中间土木丁
.
程学会燃气分会
.
中闺燃气运营与安全研讨会（第
丨
•
届）暨中国土木
T
程学会燃气分会
2019
年学术年会论文集（上
限的浓度的下风向距离相对越远，可燃气云的扩散面积也
相对较广。该范围内若有点火源出现，极易引发火灾爆炸
事故。在球罐喷射火事故下，热辐射水平值呈现出先快速
上升后达到稳定，接着下降的规律。在球罐蒸气云爆炸事
故下，爆炸中心到泄漏点的下风向距离在增大，表明其爆
炸冲击波的危害区域在扩大，人员及设备所受到伤害的风
险度也在上升。
(3) 在站场发生事故时，会对周围人员和环境造成
重的危害。应及时将场站内工作人员迅速撤离至安全距
离外，避免人员造成伤害。着重加强该场站西、北面及东
面的防控措施的建设与
研究。
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Leakage accident consequence simulation and
risk assessment of natural gas station
LUO Zhen-min
丨
2，HAO miao
丨
2，WANG lei
丨2，
CHENG Fang-ming1，2, WANG tao12
(1. College of Safety Science and Engineering, Xi'an Uni
versity of Science and Technology, Shaanxi Xi'an 710054, Chi
na; 2. Shaanxi Engineering Research Center for Industrial Pro-
cess Safety & Emergency Rescue, Shaanxi Xi'an 710054, China)
Abstract: Aiming at the problem about the damage range of ca
sualties caused by the fire and explosion of natural gas stations,
and taking a natural gas station as the research object, the
PHAST software is used to simulate and analyze the conse
quences of gas cloud explosions, flash fires, and jet fire caused
by different degrees of leakage in the natural gas station, and
the safety distance, personal risk and social risk curves of each
typical accident in the station are calculated. It showed that the
larger the leakage aperture is, the greater the scope of leakage
and diffusion is; The heat radiation value of the jet fire will
gradually increase with the distance from the downwind direc
tion, and after reaching a certain peak, it will gradually weaken
and finally stabilize. The downwind distance from the explosion
center to the leakage point is increasing, and the hazardous area
of the explosion overpressure is expanding. The risk curve quan
titatively reflects the threat to the surrounding environment and
population. This conclusion can provide scientific data for fire
rescue and emergency plans.
Keywords: fire fighting; natural gas; leakage; PHAST; simula
tion of accident consequences; risk assessment
作者简介：罗振敏(1976—），女，山东兖州人，西安科技
大学安全科学与工程学院副院长、教授、博士生导师，主要
从事可燃性气体爆炸防控理论及技术研究，陕西省西安市
雁塔路58号，710054。
收稿日期：2020-11—02
Fire Science and Technology
.March 2021. Vol 40,No.3
严