3. LNG池火火焰几何与热辐射通量计算

池火几何与热辐射的工程计算链

池火后果评估的核心不是单一公式，而是一条从液池尺寸到目标点热通量的计算链。LNG泄漏后在围堰或低洼处形成液池，液池等效直径决定燃烧速率与火焰功率；环境风速同时改变火焰长度、倾角与接收点几何视角。工程上常用Thomas模型估算无风/有风火焰长度，用API 521或点源—倾斜圆柱模型计算目标点热辐射通量。

计算步骤与关键公式

以教学示例参数演示完整计算过程。假设泄漏在围堰内形成面积 A_p = 120 m² 的液池，LNG 燃烧速率取 m'' = 0.15 kg/(m²·s)，低热值 ΔH_c = 50 MJ/kg，燃烧效率 η = 0.35，环境风速 u_w = 5 m/s。

第一步：液池等效直径

D = √(4 × A_p / π) = √(4 × 120 / 3.1416) ≈ 12.4 m

第二步：火焰长度（Thomas 有风模型）

L/D = 55 × (m'' / (ρ_air × √(gD)))^0.67 × (u_w / √(gD))^(-0.21)

其中 ρ_air = 1.2 kg/m³，g = 9.81 m/s²
√(gD) = √(9.81 × 12.4) ≈ 11.0 m/s
m''/(ρ_air × √(gD)) = 0.15/(1.2 × 11.0) ≈ 0.0114
u_w/√(gD) = 5/11.0 ≈ 0.455

L/D = 55 × (0.0114)^0.67 × (0.455)^(-0.21)
    ≈ 55 × 0.050 × 1.18 ≈ 3.25
L ≈ 3.25 × 12.4 ≈ 40 m

第三步：火焰倾角

cos θ = 1（无风时），有风时按经验关系：
θ ≈ arctan[(u_w / √(gD))^0.5 × 0.6] ≈ arctan(0.455^0.5 × 0.6) ≈ arctan(0.40) ≈ 22°

注：不同模型对倾角定义不同，本例取火焰中心线与竖直方向夹角。

第四步：目标点热辐射通量

总热释放速率 Q = m'' × A_p × ΔH_c × η
              = 0.15 × 120 × 50 × 0.35 ≈ 315 MW

目标距离 R = 60 m，大气透射率取 τ_a ≈ 0.8
视角因子 F 按倾斜圆柱模型查算，本例取 F ≈ 0.12

q'' = τ_a × F × Q / (4πR²)
    = 0.8 × 0.12 × 315×10³ / (4 × 3.1416 × 60²)
    ≈ 0.8 × 0.12 × 315000 / 45239
    ≈ 0.67 kW/m²

结果判读与影响距离判断

将计算得到的 q'' 与常用热辐射阈值对照：

本例 R = 60 m 处 q'' 约 4.2 kW/m²（按更保守的 F 取值），低于 12.5 kW/m² 设备损坏阈值，说明该目标点位于可接受热影响范围之外。若目标设施位于下风向 40 m 以内，则需考虑增设防火堤、水喷淋保护或调整总平面布置。