TNT模型对LNG储罐蒸气云爆炸模拟分析

郭晓晓 蔡治勇， 袁成天

(1.重庆科技学院安全工程学院，重庆 401331;2.重庆市安全生产科学研究有限公司，重庆 401331)

液化天然气(LNG，liquid natural gas)汽化潜热高，是单位质量“热值”最高的常规燃料［1］。其密度为标准状态下天然气的600多倍，是目前天然气储存和运输最先进的形式［2］。建造天然气储罐可以为一些不在油田附近的城市供应天然气，还可以调节供求关系。目前国内天然气单罐储存量已经达到16万m3［3］。储罐一旦发生泄漏，极易引起火灾和爆炸，造成巨大的财产损失和人员伤亡。因此，对LNG泄漏扩散进行准确模拟计算，对研究火灾爆炸区域、控制事故状态、人员疏散、应急救援、风险评价具有重要意义。

本文对目前主要的蒸气云爆炸模型进行比较分析，选择TNT模型计算LNG储罐蒸气云爆炸的冲击波伤害半径，将计算结果与安元软件和PHAST软件的模拟结果进行对比分析，得出安元软件的计算模型。

1 蒸气云爆炸模型

泄漏出来的液体或气体在敞开空间与空气高度紊流易形成爆炸性蒸气云，若遇火源则发生蒸气云爆炸。蒸气云爆炸事故频率高，后果极为严重。

国内外对蒸气云爆炸事故的系统研究始于20世纪70年代。近几十年来，国外学者做了大量的研究，使蒸气云爆炸的理论、模拟等方面有较大发展。其中，Strehlow等人于1979年提出的球形火焰模型，荷兰应用科学院于20世纪80年代初提出的半球模型，Van den Berg等人于20世纪80年代中期提出的多能法等是蒸气云爆炸波模型的典型代表。但是，由于实验数据的缺乏，这些模型的有效性有待进一步验证。

蒸气云爆炸的模型有许多，定量模拟计算的模型主要有:TNT当量法、Baker—Strehlow模型、多能模型和 CFD 模型［4］。

1.1 多能模型

1985年荷兰研究人员在TNO(The Netherlands Organization)模型基础上，综合考虑湍流加速、局部约束、气体活性等各种因素，提出了一个分析蒸气云爆炸的原则、方法:假设气云为半球形，中心点火，火焰以恒定速度传播，以数值方法计算不同燃烧速度下的气云爆炸强度，获得了无量纲爆炸超压与无量纲距离的曲线图。

多能模型的提出是基于蒸气云爆炸的危害性主要由受约束的蒸气云决定，不受约束的那部分气云对爆炸强度几乎没有贡献。在燃烧爆炸的传播过程中，湍流强度和燃烧、超压之间相互影响作用很大，在传播过程中受约束越大，湍流与燃烧及超压产生正反馈作用越强，形成的冲击波强度越大。

多能模型在理论上比较合理，已受到广泛地关注，但在具体应用中存在以下不足:

(1)该模型认为自由空间的蒸气云是不均匀的混合物，不会维持爆轰的传播，可忽略其对爆炸强度的影响，但客观上如果蒸气云形成时间较长，在自由空间形成混合均匀的气体，则它对爆轰的作用就很大;

(2)难以确定受限区域的尺寸;(3)难以准确选取爆炸强度图中的10个级别;(4)读取TNO爆炸波特征曲线时有很强的主观性。

1.2 Baker－Strehlow 模型

Baker－Strehlow模型与多能法有些相似，其基本思想也是由于部分约束才能产生较强的爆炸波。对于无量纲距离、无量纲峰值侧向超压的计算与多能法相同。该方法与多能法的主要区别在于无量纲峰值侧向超压与无量纲距离变化曲线图有所不同，该方法根据最大火焰传播速度(马赫数Ma)来选取不同的爆炸波强度曲线。

1.3 TNT 模型

此方法广泛用于简单蒸气云爆炸模拟，由于对TNT炸药的爆炸威力已进行过大量的研究，目前已能有效地预测其爆炸场和对物体的破坏作用;设想把蒸气云爆炸的破坏作用转化成TNT爆炸的破坏作用，从而把蒸气云的爆炸能量转化成为TNT当量质量，由此评价相关爆炸的一系列结果，如所测点的超压等。TNT当量的转化公式为

若为地面或近地面爆炸，爆炸总能量为实际的1.8 倍，即式(1)变为

式中:WTNT—爆炸的TNT当量质量，kg;E0—爆源总能量，J;μ—蒸气云的TNT当量系数;Hc—燃料热值，kJ/kg;Wf—气云中燃料的总量，kg;HTNT—TNT 的爆炸热，4520 kJ/kg。

对于凝聚相含能材料爆炸产生的冲击波的破坏作用，超压——冲量准则具有普适性。在安全分析中，通常把冲击波的破坏范围分为死亡区、重伤区、轻伤区和财产损失区。

在蒸气云爆轰时，其冲击波参数可用下式计算:

式中:R—目标到爆炸源的水平距离，m;P0—环境大气压，1.01×105Pa;ΔP—冲击波正相最大超压，Pa。

2 工程实例计算

某天然气储备站有1台100 m3卧式液化天然气储罐，取充装系数为0.9。LNG的密度通常在430～470 kg/m3之间，取 450 kg/m3，储存压力为 0.6 MPa。

2.1 TNT模型计算过程

蒸气云爆炸统计资料表明，式(2)中μ的取值一般为0.02% ～15.9%，在50%的蒸气云爆炸事故中，μ≤3%;在60%的蒸气云爆炸事故中，μ≤4%;在97%的蒸气云爆炸事故中，μ≤10%。μ的平均值为4%。

查天然气物性参数可知LNG的热值为12740.7～13185.8 kcal/kg，即 53333 ～55196 kJ/kg，取 Hc=55600 kJ/kg;Wf=100 ×0.9 ×450 kg=40500 kg。

因此，根据式(2)及式(3)得

根据式(4)计算各类伤害半径，其中重伤区半径指人员因在冲击波作用下耳膜破裂的概率为0.5的半径，轻伤区半径指人员在冲击波作用下耳膜破裂的概率为0.01的半径，实例计算得:

2.2 安元软件模拟过程

“安元安全评价与风险分析系统软件”是由南京安元科技有限公司开发的，并通过国家安监总局权威鉴定的专业安评与风险分析产品。安元软件由职业卫生评价、半定量安全评价、指数法安全评价、定性安全评价等几大模块组成。此软件在我国安全中介机构、安全工程科研院所得到了广泛应用，取得了显著的社会效益和经济效益。

2.3 PHAST软件模拟过程

PHAST(Process Hazard Analysis Software Tool)软件是定量的计算后果的一种软件，由DNV(挪威船级社)公司独立开发的一款专门用于石油石化和天然气领域危险分析和安全计算的软件［3］。PHAST软件包含独立的TNT爆炸模型，该模型简单易操作，是其早期版本默认使用的爆炸模型。

实例中液化天然气储量为40500 kg。运用软件重大事故模拟评价中的蒸气云爆炸事故模拟评价模块对研究案例进行模拟计算，选取爆炸效率为4%，分别计算冲击波超压为0.1，0.044，0.017和0.0138 MPa时的半径。模拟结果见表1。

表1 计算结果比较

2.4 计算结果比较

通常，LNG无固定的密度，常因工艺条件的变化而变化，而且公式中相关系数为经验值。方法1和方法2的爆炸总能量相同，本文所选择的参数合理、有效。

李凤雷［5］、马小明［6］介绍了爆炸冲击波伤害半径的计算方法。经验证，其计算结果与安元软件计算结果相差较大，可以推测，安元软件模拟蒸气云爆炸采用的计算模型为本文介绍的TNT模型。安元软件计算出的财产损失半径与本文TNT模型、PHAST软件计算结果相差很大，安元软件是采用式(5)计算的财产损失半径:

式中:K3—建筑物三级破坏系数，取9.6。

根据式(5)计算本工程实例得财产损失半径为316.1 m，与安元软件计算结果吻合。

方法1和方法3均采用超压准则计算了死亡半径、重伤半径、轻伤半径和财产损失半径，冲击波超压分别为 0.1，0.044，0.017和0.0138 MPa。总体来看，PHAST软件模拟结果比本文TNT模型计算结果偏小，这与PHAST软件默认的相关参数取值、结果修正方式有关。

3 结论

(1)TNT当量法对死亡半径、重伤半径、轻伤半径以及财产损失半径都有明确的公式描述，使用方便，计算简单。

(2)本文所取LNG相关参数合理、有效，可应用到其他工程实例计算中。

(3)式(4)、(5)是安元软件运算的依据。

(4)PHAST软件运算过程复杂，修正系数较多，仍需进一步研究。

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