摘 要

摘　要：介绍LPG的性质和道化学火灾、爆炸危险指数评价法的评价程序，利用道化学火灾、爆炸危险指数评价法对广州某LPG加气站储罐区的火灾、爆炸危险性进行定量评价。评价结果表

摘　要：介绍LPG的性质和道化学火灾、爆炸危险指数评价法的评价程序，利用道化学火灾、爆炸危险指数评价法对广州某LPG加气站储罐区的火灾、爆炸危险性进行定量评价。评价结果表明，采取行之有效的安全预防措施可以有效地降低LPG加气站储罐区的风险程度。

关键词：LPG加气站；  储罐区；  道化学火灾爆炸危险指数评价法

Evaluation on Fire and Explosion Hazards in Tank Area of LPG Filling Station

Abstract：The properties of LPG and the procedure of Dow Chemical fire and explosion index evaluation method are introduced．The fire and explosion hazards in tank area of a LPG filling station in Guangzhou City are evaluated quantitatively by Dow Chemical fire and explosion index evaluation method．The evaluation results indicate that using effective safety precautionary measures Call effectively reduce the risk degree of tank area of LPG filling station．

Keywords：LPG filling station；tank area；Dow Chemical fire and explosion index evaluation method

 

1　概述

液化石油气(LPG)是石油产品之一，具有易扩散、易燃、易爆等特点。一旦LPG加气站发生事故，将会对人民群众的生命财产造成巨大损失，因此，有效地预防LPG加气站的火灾、爆炸事故的发生是十分必要的。本文采用道化学公司火灾、爆炸危险指数评价法^[1]，对广州某LPG加气站储罐区的火灾、爆炸危险性进行定量分析，以期了解火灾、爆炸风险大小，为LPG加气站事故风险预防提供科学依据。

2　LPG的性质

2.1　LPG的理化性质

LPG主要是丙烷和丁烷的混合物，通常伴有少量的丙烯和丁烯。LPG气体的相对密度为1.5～2.0，易在低洼或者通风不良处聚积。液态LPG的体积膨胀系数大约是同温度下水的体积膨胀系数的10～16倍。LPG的爆炸极限和点火能较低，爆炸极限(气态LPG在空气中的体积分数)为1.0％～10.0％^[2]，最小点火能为0.2～0.3mJ^[3]。

2.2　LPG的危险特性

①物理性爆炸

LPG气化时体积扩大250～350倍，当储罐内LPG受热膨胀，若压力大于设备所能承受的压力，则导致设备破裂，液态LPG泄漏，瞬间气化膨胀，并快速释放大量的能量，引发物理性蒸气爆炸^[4]。

②火灾爆炸

气态LPG在空气中的体积分数达到1.0％～10％时，混合气体遇火源就能爆炸；LPG的爆炸威力很大，1kg的LPG的爆炸能量相当于4～10kg的TNT炸药的爆炸威力^[4]；LPG的火焰传播速度很快，剧烈燃烧时火焰传播速度可以达到2000m/s以上^[5]；LPG比一氧化碳、汽油等物质更易燃烧，燃烧时的热量和火焰温度很高，其低热值约为50MJ／kg，火焰温度高达2143℃^[6]，LPG爆炸起火后会迅速引燃爆炸区域内的一切可燃物，引起大面积的火灾，对人民群众的生命财产造成巨大的损失。

③对人体的伤害

LPG对人体神经中枢有麻醉性，当空气中气态LPG的体积分数高于10％时，就会使人头晕，甚至窒息死亡。

3　火灾、爆炸危险指数评价法评价程序

3.1　选取工艺单元

选取工艺单元实际上就是选取评价对象，选取恰当的工艺单元应考虑以下6个方面的因素^[1]8。

①物质系数；

②工艺单元中危险物质的数量；

③资金密度(工艺单元中折合成每1m²建筑面积的设备造价，单位为元)；

④操作温度和操作压力；

⑤过去发生的火灾、爆炸事故资料；

⑥对装置操作起关键作用的单元。

一般情况下，这6个方面的数值越大，工艺单元越需要评价。

3.2　确定物质系数

在火灾、爆炸危险指数计算过程中，物质系数(F0)是最基础的参数，也是表征由燃烧或化学反应引起火灾、爆炸时释放能量大小的内在特性参数。确定物质系数的方式有如下两种：

①根据美国消防协会规定的物质可燃性系数(Np)和物质不稳定性系数(Nr)，在文献[1]中的表4—6^[1]13中查出。

②有些物质直接从物质系数表中查得。若工艺单元内的物质为混合物，则应按“在实际操作过程中所存在的最危险物质”原则来确定^[1]12，即取混合物中物质系数最大的值。

3.3　计算一般工艺危险系数

一般工艺危险系数(F1)是影响事故损害大小的主要因素，共有6项，即放热化学反应、吸热化学反应、物料处理与输送、密闭式或室内工艺单元、通道、排放和泄漏控制^[1]16-19。一般工艺危险系数等于工艺单元中选取的所有项目的危险系数和工艺单元基本系数之和，各工艺单元中并不一定包含每一项，当工艺单元中不包含某项时，其危险系数取0。

3.4　计算特殊工艺危险系数

特殊工艺危险系数(F2)是影响事故发生的主要因素，共包括12项，即毒性物质、负压操作、燃烧范围或其附近的操作、粉尘爆炸、释放压力、低温、易燃和不稳定物质的数量、腐蚀、泄漏、明火设备、油热交换系统、转动设备^[1]20-37。特殊工艺危险系数等于工艺单元中选取的所有项目的危险系数和工艺单元基本系数之和，一个工艺单元中并不一定包含每一项，当工艺单元中不包含某项时，其危险系数取0。

3.5　确定工艺单元危险系数

工艺单元危险系数按式(1)计算。

F3=F1F2  　　　　   (1)

式中F3——工艺单元危险系数，其取值范围为1～8，若F3>8，则按8计

F1——一般工艺危险系数

F2——特殊工艺危险系数

3.6　确定火灾、爆炸危险指数

火灾、爆炸危险指数用来估计生产过程中的事故可能造成的破坏程度^[1]38。火灾、爆炸危险指数按式(2)计算。

FEI=F0F3 　　　　   (2)

式中FEI——火灾、爆炸危险指数

F0——物质系数

为了方便了解单元火灾、爆炸的严重程度，文献[1]将FEI分为5个等级(见表1)。

 

3.7　确定安全措施补偿系数

安全措施分为3类：工艺控制、物质隔离、防火措施。安全措施补偿系数按式(3)计算。

C=C1C2C3          (3)

式中C——安全措施补偿系数

C1——工艺控制补偿系数，该系数等于该类中选取的所有具体安全措施补偿系数的乘积

C2——物质隔离补偿系数，该系数等于该类中选取的所有具体安全措施补偿系数的乘积

C3——防火措施补偿系数，该系数等于该类中选取的所有具体安全措施补偿系数的乘积

3.8　计算补偿后工艺单元的火灾、爆炸危险指数

补偿后工艺单元的火灾、爆炸危险指数按式(4)计算。

FEI,a=CFEI 　　　　   (4)

式中FEI,a——补偿后工艺单元的火灾、爆炸危险指数

3.9　确定暴露半径和暴露区域面积

暴露半径按式(5)计算，暴露区域面积按式(6)计算。

R=0.256FEI          (5)

A=pR² 　　  　　　  (6)

式中R——暴露半径，m

A——暴露区域面积，m²

3.10　确定暴露区域内的财产更换价值

暴露区域内的财产更换价值按式(7)计算。

Vc=0.82la   　　　 (7)

式中Vc——更换价值，元

l——未发生火灾或爆炸时的财产价值，元

a——价格增长系数，由工程预算专家确定

3.11　确定危害系数

危害系数(FD)表示工艺单元中的物料泄漏或反应能量释放所引起的火灾、爆炸事故的综合效应^[1]52。危害系数由工艺单元危险系数(F3)和物质系数(F0)按照文献[1]中的图^8[1]53来确定。

3.12　计算理论最大可能财产损失

理论最大可能财产损失按式(8)计算。

LE=VcFD 　　　   (8)

式中LE理论最大可能财产损失，元

FD——危害系数

3.13　计算实际最大可能财产损失

实际最大可能财产损失表示采取适当的防护措施后，事故造成的财产损失^[1]52。实际最大可能财产损失按式(9)计算。

LA=LEC　　　    (9)

式中LA——实际最大可能财产损失，元

4　火灾、爆炸危险指数评价法的应用案例

4.1　广州某LPG加气站概况

广州某LPG加气站为三级加气站，设置有30m³卧式埋地储罐1台，4台加气机，24支加气枪，总造价为300×10⁴元人民币。LPG汽车加气站站区主要由储罐、卸车点、压缩机以及加气岛等组成。总平面布置见图1。

 

①储罐区

LPG埋地储罐设置在站区的西面，埋地储罐与综合楼的距离为14m(净距，以下同)，与罐区围墙的距离为3m，与加气岛的距离为14m。

②卸车点

卸车点在埋地储罐西南3m处，压缩机棚设置在埋地储罐西北侧4m处，压缩机棚与卸车点相距14m，与西面道路次干线边沿距离为7m。

③加气岛

加气区设有3个加气岛，加气岛宽度为1.2m，靠站区西南侧的一个加气岛设置有2台6枪加气机，其余两个加气岛各设置1台6枪加气机。加气机与综合楼的最小距离为14m，与东面道路主干线边沿的距离为23m；此外，该LPG加气站周边100m范围内没有学校、医院、幼儿园和其他鼋要公共设施。

4．2　评价方法实例应用

4．2．1选取工艺单元

LPG汽车加气站的主要危险是火灾、爆炸。其中，相对于储罐区，加气区的LPG储存量较少，即使发生火灾，也比较容易控制。储罐区内储存大量的LPG，火灾、爆炸危险性大，特别是在卸车过程中，槽车与卸车管道的LPG输送，增大了火灾、爆炸事故的影响范围，故LPG加气站储罐区是LPG加气站的主要危险源。因此，采用道化学火灾、爆炸危险指数评价法对该LPG汽车加气站储罐区的火灾、爆炸危险性进行综合分析。

该LPG汽车加气站储罐区的LPG卧式埋地储罐压力为460～1770kPa，几何容积为30m³。液态LPG密度(4℃时)取570kg／m³，充装系数为0.85。

Vs=Vb　　　　　(10)

m=rVs　　　　　(11)

式中Vs——安全容量，m³

V——储罐几何容积，m³

b——充装系数，取0.85

m——储罐中液态LPG的质量，kg

r——液态LPG的密度，kg／m³

将V=30m³、b=0.85代入式(10)得Vs=25.5m³。

将r=570kg／m³、Vs=25.5m³代入式(11)得m=14535kg。

4．2．2确定物质系数

本火灾、爆炸危险性评价工艺单元储罐区储存的物质为LPG，由文献[1]可以查得丙烷和丁烷的物质系数均为21，根据工艺单元内的物质为混合物时，按“在实际操作过程中所存在的最危险物质”原则，确定本工艺单元的物质系数F0=21。

4．2．3计算一般工艺危险系数

本工艺单元没有放热化学反应、吸热化学反应、排放和泄漏控制等项目。

①基本系数。不论本工艺单元是否存在工艺危险性，基本系数均取1。

②物料处理与输送。所有Ⅰ类易燃或液化石油气类的物料在连接或未连接(易燃液体直接注入储罐)的管道上装卸时，一般工艺危险系数取0.5。本工艺单元LPG通过管道装卸，因此，一般工艺危险系数采用0.5。

③密闭式或室内工艺单元：卧式埋地储罐。在封闭区域内，在闪点以上处理易燃液体时，一般工艺危险系数取0.3；如果处理易燃液体质量>4540kg，一般工艺危险系数取0.45^[1]13。LPG的闪点大约为-91.4℃，LPG质量为14535kg，加气站的LPG一般采用常温压力储罐，因此，一般工艺危险系数取0.45。

④消防通道。消防通道符合要求，因此，一般工艺危险系数为0。

⑤本工艺单元的一般工艺危险系数取值见表2。一般工艺危险系数F1等于表2中采用的所有一般工艺危险系数之和，计算得F1=1.95。

 

4．2．4计算特殊工艺危险系数

本工艺单元不存在粉尘，故无粉尘爆炸；此外，本工艺单元没有使用明火设备和油热交换系统，故此3项的特殊工艺危险系数均为0。

(1)基本系数。不论本工艺单元是否存在工艺危险性，基本系数均取1。

(2)毒性物质NH值(美国消防协会在危险品紧急处理系统鉴别标准NFPA 704中定义的物质毒性系数)仅用来表示人体受害的程度，NH=1表示短期接触引起刺激，致人轻微伤害，其特殊工艺危险系数为0.2^[1]20。由LPG的特性可知，短期接触能引起刺激，致人轻微伤害，因此，对于LPG，NH=1，其特殊工艺危险系数取0.2。

(3)负压操作。该系数只用于绝对压力小于6.65kPa的情况，而LPG储罐的压力为460～1770kPa，大于6.65kPa，不是负压操作，因此，其特殊工艺危险系数为0。

(4)燃烧范围或其附近的操作。在某些操作导致空气引入并夹带进入系统，空气的进入会形成易燃、易爆混合物，进而导致危险的情况下，考虑该危险系数。储存有可燃液体，其温度在闪点以上并且没有惰性气体保护的情况下，其特殊工艺危险系数取值为0.50^[1]21。LPG的闪点大约为-91.4℃，加气站的LPG一般采用常温压力储罐，且没有惰性气体保护，因此，其特殊工艺危险系数为0.50。

(5)释放压力。操作压力高于大气压时，由于高压可能会引起高速率的泄漏，因而要采用特殊工艺危险系数。当压力为0～6895kPa时，可利用公式(12)叫“求取释放压力的特殊工艺危险系数。

 

式中F2,5——释放压力的特殊工艺危险系数

p——储罐中LPG的压力，kPa

以最危险状况计算，即p=1770kPa，由公式(12)计算得F2,5=0.49。

(6)低温。当储罐为碳钢以外的其他材料时，操作温度小于等于转变温度(温度降低时，金属材料由韧性状态变化为脆性状态的温度区域称为转变温度)时，其特殊工艺危险系数为0.2^[1]25。因广州地区最低温度为0℃，即操作温度大于等于0℃；储罐材料为低合金钢16MnR，转变温度为-40℃。操作温度大于转变温度，因此，其危险系数为0。

(7)易燃和不稳定物质的数量。先按式(13)求得储罐内LPG的总能量。

E=mQ  　　　  (13)

式中E——储罐内LPG的总能量，MJ

Q——LPG的低热值，MJ／kg

将m=14535kg、Q=50MJ／kg代入式(13)，得E=7.27×10⁵MJ。由文献[1]中的图3^[1]27查得其特殊工艺危险系数为0.42。

(8)腐蚀。物质腐蚀速率小于0.127mm／a时，其特殊工艺危险系数取0.1^[1]33。本工艺单元内储罐的腐蚀速率大约为0.11mm／a，因此，其特殊工艺危险系数取0.1。

(9)泄漏。泵、压缩机和法兰连接处产生正常的一般泄漏时，其特殊工艺危险系数为0.3。本工艺单元中管道与储罐连接处为焊接，但管道另一端是法兰连接，因此，其特殊工艺危险系数取0.3。

(10)转动设备。只有当转动设备在工艺单元中使用或者转动设备本身是工艺单元时，转动设备的特殊工艺危险系数取0.5。加气泵在工艺单元中使用，因此，其特殊工艺危险系数取0.5。

(11)本工艺单元的特殊工艺危险系数取值见表3。特殊工艺危险系数F2等于表3中采用的所有危险系数之和，计算得F2=3.51。

 

4．2．5计算工艺单元危险系数

将F1=1.95、F2=3.51代入式(1)，计算得F3=6.84。

4．2．6计算火灾、爆炸危险指数

将F0=21、F3=6.84代入式(2)，计算得FEI=143.64。

由FEI与危险程度的对应关系(见表1)，得知本LPG加气站储罐区的火灾、爆炸危险等级为“很大”。

4．2．7确定安全措施补偿系数

LPG加气站储罐区采取一系列的安全措施能提高安全可靠性，有效降低事故的发生率，减轻事故的危害程度。无安全措施时，安全措施补偿系数采用1。由于工艺单元安全措施补偿系数的计算是各项具体的安全措施补偿系数相乘，因此，安全措施补偿系数为1的项不列入计算表中。

①工艺控制

本工艺单元没有骤冷装置、抑爆装置、紧急停车装置和惰性气体保护系统，因此，本工艺单元中此4项安全措施补偿系数均采用1。本工艺单元中采取安全措施的各项的安全措施补偿系数确定如下。

a．紧急状态动力源。该工艺单元具有应急发电机，安全措施补偿系数采用0.98。

b．计算机控制。在线计算机不直接控制关键设备或不经常使用它操作时，安全措施补偿系数采用0.99。

c．操作指南或操作规程。本工艺单元有正常操作规程、检修程序、发生故障时的应急预案等，因而根据操作规程的完善程度，安全措施补偿系数采用0.95。

d．化学物质检查。只在需要的时候进行检查，安全措施补偿系数取0.98。

e．其他工艺危险分析。定期开展“检查表评估”，安全措施补偿系数采用0.98。

f．工艺控制补偿措施的安全措施补偿系数是该类中上述5项所选取的安全措施补偿系数的乘积，计算得C1=0.885。

②物质隔离

本工艺单元没有备用泄漏装置(如设双储罐互为备用)，因而该项的安全措施补偿系数取1。本工艺单元中采取安全措施的各项的安全措施补偿系数确定如下。

a．远距离控制阀。阀门每年维修一次，安全措施补偿系数取0.97。

b．排放系统。只要排放设施完善，能把储罐和设备附近的泄漏物排净，就可以采用安全措施补偿系数0.91。本工艺单元有完善的超高压放散系统，故安全措施补偿系数为0.91。

c．连锁装置。本工艺单元采用可燃气体检测仪与保护系统连锁，具有连锁装置，因此，安全措施补偿系数采用0.98。

d．物质隔离补偿措施的安全措施补偿系数是该类中上述3项所选取的安全措施补偿系数的乘积，计算得C2=0.865。

③防火设施

本工艺单元没有特殊灭火系统、自动洒水系统、防火水幕和泡沫灭火装置，因此，这4项的安全措施补偿系数取1。本工艺单元中采取安全措施的各项的安全措施补偿系数确定如下。

a．泄漏检验装置。本工艺单元装有既能报警又能在达到爆炸极限下限之前使保护系统动作的可燃气体检测器，因此，安全措施补偿系数采用0.94。

b．钢质结构。储罐为卧式埋地钢质储罐，储罐上方为钢筋混凝土结构覆盖层，故而安全措施补偿系数取0.98。

c．消防供水系统。能保证按计算的最大需水量连续4h供应消防用水(危险性不大的装置，可小于4h)，安全措施补偿系数取0.97。本工艺单元的最大需水量可以连续供应4h，因此，安全措施补偿系数采用0.97。

d．手提式灭火器或水枪。本工艺单元配备有与火灾危险相适应(能有效控制)的手提式或移动式灭火器，因此，安全措施补偿系数采用0.98。

e．电缆保护。本工艺单元电缆埋在地下的电缆沟内，因此，安全措施补偿系数采用0.94。

f．防火设施类补偿措施的安全措施补偿系数是该类中上述5项所选取的安全措施补偿系数的乘积，计算得C3=0.823。

④小结

将C1、C2、C3代入式(3)，得C=0.630。

本工艺单元的安全措施补偿系数的取值详见表4。

 

4．2．8计算补偿后工艺单元的火灾、爆炸危险指数

将C=0.630、FEI=143.64代入式(4)，计算得FEI=90.49。

对比表1，得知LPG加气站储罐区在有安全措施补偿状况下，火灾、爆炸危险等级为“较轻”。

4．2．9计算暴露半径和暴露区域面积

将FEI=143.64代入式(5)，得R=36.77m。

将R=36.77m代入式(6)，得A=4245.38m²。

4．2．10计算暴露区域内财产更换价值

根据上述计算所得的暴露半径和暴露区域面积，可知危险暴露区域包括加气站内的储罐区、卸车点、加气区、综合楼，其财产总值粗略估计为300×10⁴元。

价格增长系数a由工程预算专家确定，他们掌握着最新的公认数据。由于d不是定量，而是变量，因此，不将“的具体值代入式(7)。

将l=300×10⁴元代入式(7)，计算得Vc=246×10⁴a元。

4．2．11确定危害系数

危害系数FD的取值是根据工艺单元危险系数F3=6.84和物质系数F0=21，按照文献[1]中的图8^[1]53查得，FD=0.75。

4．2．12计算理论最大可能财产损失

将FD=0.75代入式(8)，得LE=184.5×10⁴a元。

4．2．13计算实际最大可能财产损失

将LE=184.5×10⁴a元、C=0.630代入式(9)，得LA=116.24×10⁴a元。

4.3　LPG加气站储罐区的评价结果

①LPG加气站储罐区的主要危险是火灾、爆炸事故，在不考虑安全补偿措施的前提下，其火灾、爆炸危险指数为143.64，危险等级为“很大”；在考虑了该LPG加气站的安全补偿措施后，其火灾、爆炸危险指数为90.49，危险等级为“较轻”。评价结果表明，该LPG加气站采取的安全预防措施可以有效降低该LPG加气站储罐区的风险程度。

②根据暴露半径、储罐区与卸车点、加气区、综合楼等的距离可知，该LPG加气站的储罐区、卸车点、综合楼全部在暴露半径之内，加气区的一部分在暴露半径之内。

③由理论最大可能财产损失和实际最大可能财产损失可知，一旦发生事故，该LPG加气站的财产损失因其采取的安全预防措施而减少。

 

参考文献：

[1]American Institute of Chemical Engineers(AIChE)．Dow’s fire&explosion index hazard classification guide[M]．7th Ed．Chicago：Wiley-AIChE，1994．

[2]罗东晓．国内液化石油气市场前景分析[J]．煤气与热力，2008，28(4)：B06-B10．

[3]吴金林．LPG加气站安全管理探讨[J]．石油库与加油站，2000，9(3)：24-26．

[4]谢殿荣，倪晓阳，郭海林，等．LPG汽车加气站安全监控系统设计[J]．安全与环境工程，2009，16(5)：93-96．

[5]车威．LPG储罐在火灾环境中热响应的数值模拟(硕士学位论文)[D]．大连：大连理工大学，2009：7．

[6]卜寅年．氧—液化石油气与氧—乙炔火焰切割比较[J]．煤气与热力，2003，23(4)：220-222．

 

 

 

本文作者：祝春梅  方江敏  程国栋

作者单位：华南理工大学机械与汽车工程学院

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