高壓可燃氣體管道安全間距的確定

孟亦飛, 趙東風(fēng)

(中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)化工學(xué)院,山東青島266555)

高壓可燃氣體管道安全間距的確定

孟亦飛, 趙東風(fēng)

(中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)化工學(xué)院,山東青島266555)

噴射火事故是高壓可燃氣體管道的主要災(zāi)害形式,對南京等地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計,得到了影響噴射火事故的風(fēng)速、大氣濕度、大氣溫度、風(fēng)向等主要氣象因素的分布形式,同時對風(fēng)向、泄漏口直徑、泄漏口角度等主要影響因素的分布進行了合理假設(shè)。采用蒙特卡羅方法對高壓可燃氣體管道的噴射火災(zāi)害進行分析,結(jié)合相應(yīng)的熱輻射破壞準(zhǔn)則,給出了各準(zhǔn)則下對應(yīng)安全間距確定的方法,采用C#.net對計算過程進行了程序?qū)崿F(xiàn),對不同管徑、不同壓力的天然氣管道進行了大量計算,給出了臨界破壞值12.5 kW/m2,95%置信度時天然氣管道對應(yīng)的安全間距確定圖。

噴射火; 蒙特卡羅法; 熱輻射; 安全間距

高壓可燃氣體管道在使用過程中會由于外力打擊、腐蝕破壞等原因發(fā)生泄漏,外泄的高壓可燃氣體根據(jù)點火時間的不同會導(dǎo)致噴射火和蒸氣云爆炸兩種事故類型,分別以熱輻射和爆炸波的形式對周圍環(huán)境中的設(shè)施、人員造成傷害。當(dāng)高壓氣體管道設(shè)置在較為空曠的地方時,泄漏氣體形成的蒸氣云爆炸由于低約束、低阻塞而不具備明顯的壓力效應(yīng)[1],所以在這種情況下,確定天然氣管道與周圍設(shè)施的安全間距時應(yīng)主要考慮噴射火對周圍設(shè)施導(dǎo)致的熱輻射傷害[2]。對特定的某高壓可燃氣體管道而言,可能發(fā)生的噴射火事故后果由于風(fēng)向、氣溫、大氣濕度等氣象因素的不同以及泄漏裂口面積、形狀、方向等的不同而具有很大的差異,目前一般采用的做法是人為選取特征數(shù)值的方法來確定上述參數(shù),這顯然具有相當(dāng)?shù)闹饔^性,難以得到統(tǒng)一的認(rèn)同,特別是在考慮噴射火方向時,為方便計算,往往僅考慮豎直方向或水平方向兩種情況,完全不能代表現(xiàn)實中的多角度任意方向噴射火的情況。本文對任意方向噴射火傷害模型進行研究;對南京、北京、上海等地的氣象數(shù)據(jù)進行分析,研究相關(guān)氣象參數(shù)的一般分布形式;同時對管道泄漏裂口面積、形狀及方向等參數(shù)的分布進行分析,結(jié)合蒙特卡羅方法研究高壓可燃氣體管道的噴射火傷害,并以此為基礎(chǔ)研究高壓可燃氣體管道周圍設(shè)施安全間距確定的方法,為天然氣管道的安全架設(shè)等提供合理的依據(jù)。

1 噴射火傷害理論

1.1 噴射火事故模型

在噴射火傷害研究過程中,一般將火焰形狀簡化為中心軌跡線及圓錐平頭截體兩種理想模型[3],中心軌跡模型將噴射火簡化為一條曲線,假定所有的熱輻射均從這條曲線上的點等量輻射出來,如圖1所示;而圓錐平頭截體將噴射火簡化為如圖2所示的形狀,對外的熱輻射假定從火焰表面均勻輻射出來。

Fig.1 Center line trajectory model sketch map圖1 噴射火中心軌跡模型

Fig.2 Tilted frustum of a cone model sketch map圖2 噴射火圓錐平頭截體模型

文獻[3-4]較為詳細地說明了中心軌跡模型及圓錐平頭截體模型的應(yīng)用方法,由于公式內(nèi)容較多,本文不加贅述。兩種模型比較起來,中心軌跡模型計算簡單,適用于任意角度的噴射火計算,但計算精度相對較差,而圓錐平頭截體模型結(jié)果更為接近真實情況,但由于其形狀較為復(fù)雜,輻射計算時,視角因子計算困難(特別是任意角度的噴射火),目前采用這種方法時大多只考慮豎直火焰的情況[5]。在本文考慮的問題中,希望在一定的結(jié)果精度保證下研究分析各種角度的噴射火對周圍的輻射情況,因此對上述兩種方法進行了結(jié)合處理,得到了如圖3所示的示意圖,即首先使用圓錐平頭截體模型計算火焰的幾何形狀,然后將火焰等間距分割,看作一系列輻射球,各輻射球的輻射量由當(dāng)前分割體表面積所占噴射火總表面積的比率決定。通過這種處理方法,可以較好地解決任意角度噴射火輻射熱傷害的問題。

Fig.3 Sketch map of the model proposed圖3 模型示意圖

1.2 熱輻射傷害理論

噴射火對周圍環(huán)境的傷害主要是其熱輻射作用,表1中列出了最為常用的幾種熱輻射入射強度臨界值以及它們對應(yīng)的設(shè)備傷害情況和人員傷害情況[6],這些臨界值可以選來作為確定安全間距的依據(jù)。

表1 熱輻射傷害準(zhǔn)則Table 1 Heat radiation damage rules

2 相關(guān)不確定參數(shù)分布

對于某確定高壓氣體管道來說,噴射火事故的危害程度受到很多因素的影響,主要包括氣象數(shù)據(jù)及泄漏源數(shù)據(jù)[3],其中氣象數(shù)據(jù)中主要包括風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、大氣溫度等參數(shù);泄漏源數(shù)據(jù)主要包括裂口面積、裂口形狀、裂口角度等。而這些參數(shù)在現(xiàn)實中往往具有相當(dāng)?shù)牟淮_定性,這就導(dǎo)致了噴射火事故危害程度無法準(zhǔn)確衡量。

蒙特卡羅方法根據(jù)各不確定性參數(shù)的分布形式進行批量隨機計算,最終對進行結(jié)果進行統(tǒng)計,以得到結(jié)果的分布方式,進一步可以獲得不同置信度下的結(jié)果,目前廣泛應(yīng)用于各種不確定問題的分析[7],是評估高壓氣體管道噴射火事故危害的較好選擇。

2.1 氣象數(shù)據(jù)

2.1.1 風(fēng)速、濕度分布 對江蘇南京等地區(qū)日平均風(fēng)速及日平均濕度進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)風(fēng)速分布及濕度分布均可以采用對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)描述,具體函數(shù)形式分別如式(1)、式(2)所示,表2給出了幾個城市的風(fēng)速分布及濕度分布參數(shù)值。

表2 部分城市風(fēng)速、濕度分布參數(shù)表Table 2 Parameters list for wind speed and humidity of some cities

風(fēng)向的分布信息可以從當(dāng)?shù)仫L(fēng)玫瑰圖獲取,但由于風(fēng)向波動極大,且具有相當(dāng)?shù)牟贿B續(xù)性,很難采用特定形式的函數(shù)來準(zhǔn)確描述其分布,本文簡單假定各個方向風(fēng)向出現(xiàn)概率相等。

2.1.2 氣溫分布 氣溫分布相對風(fēng)速、濕度分布較為復(fù)雜,一般大約呈現(xiàn)兩個分布高峰,通過對南京等地區(qū)日平均溫度進行分析,發(fā)現(xiàn)可以采用式(3)的函數(shù)形式來表示相應(yīng)分布。表3給出了幾個城市的溫度分布參數(shù)值。

表3 部分城市溫度分布參數(shù)表Table 3 Parameters list for air tem perature of some cities

2.2 泄漏源數(shù)據(jù)

泄漏源相關(guān)的不確定性參數(shù)有裂口面積、裂口形狀以及裂口角度三個參數(shù)。

2.2.1 泄漏裂口面積 文獻[8]中給出了一種描述管線不同直徑泄漏口出現(xiàn)頻率的方程,這個方程被證明在較廣泛的范圍之內(nèi)與其他資料上的相關(guān)數(shù)據(jù)保持了較好的一致性[8],具體方程如(4)所示。式中:R-泄漏裂口直徑,mm;

fa(R)-直徑為R的泄漏裂口的實際出現(xiàn)頻率,m-1a-1。

根據(jù)式(4)可以推導(dǎo)得出直徑為D的管線出現(xiàn)各不同直徑裂口的分布方程。

f(R)-直徑為D的管道上不同直徑泄漏裂口的分布函數(shù)。

2.2.2 泄漏裂口形狀及泄漏裂口角度 裂口的形狀多種多樣,不同形狀的裂口的主要區(qū)別在于泄漏系數(shù)的不同。氣體泄漏時,圓形(多邊形)、三角形、長方形泄漏裂口對應(yīng)的泄漏系數(shù)分別為1.00,0.95和0.90;文獻[7]指出,一般的事故性泄漏裂口的形狀往往并不規(guī)則,大多數(shù)的泄漏裂口的形狀介于圓形(多邊形)與三角形之間。本文假設(shè)其分布是以0.97為最高點的三角形分布,分布形式如圖4所示。

Fig.4 Leak coefficient distribution sketch map圖4 泄漏系數(shù)分布函數(shù)

裂口相對于風(fēng)向的夾角是影響噴射火焰輻射熱場的一個重要參數(shù)。由于風(fēng)向變化多端且裂口方位也可能因為各種因素而不同,所以二者之間夾角很難確定,可簡單假設(shè)裂口面積與風(fēng)向之間夾角在0°～180°之間均勻分布。

3 程序的編制

根據(jù)上述的思想,結(jié)合蒙特卡羅原理,采用C#.net編制了高壓可燃氣體管道噴射火傷害分析程序。程序的框架如圖5所示。

Fig.5 Flow chart of the procedure圖5 程序流程示意圖

4 高壓氣體管道安全距離確定

從圖5中可以看出,程序的返回結(jié)果為各熱輻射傷害級別對應(yīng)的臨界距離,根據(jù)不同的要求可以確定相應(yīng)的安全距離,對多次計算的結(jié)果進行統(tǒng)計,便可得到各熱輻射傷害級別對應(yīng)的距離分布情況。通過上述方法,可以得到不同壓力、不同直徑的高壓氣體管道噴射火對應(yīng)的安全距離,圖6是采用上述程序計算繪制得到的南京地區(qū)天然氣管道安全距離圖表(假設(shè)臨界破壞值12.5 kW/m2,95%置信度)。

從圖6中可以看出,隨著天然氣管道直徑及內(nèi)壓的增加,其安全間距也逐漸增加,但隨著管徑和內(nèi)壓的逐漸增大,安全間距的增長也逐漸緩慢,最終趨向穩(wěn)定。

Fig.6 Safety distance confirmation diagram for pressurized nature gas pipeline圖6 天然氣管道安全距離確定

5 結(jié)束語

本文研究了采用蒙特卡羅方法對高壓氣體管道的安全間距確定的方法,總結(jié)起來有如下幾點:

(1)對噴射火傷害理論進行了介紹,結(jié)合現(xiàn)有的兩種主流方法,給出了一種方便于計算任意角度噴射火輻射傷害的計算模型;

(2)對南京等城市的氣象數(shù)據(jù)進行分析,給出了風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、大氣溫度等氣象參數(shù)的分布形式;

(3)對管道泄漏裂口的面積、形狀及角度的分布進行分析,給出了各自合適的分布形式;

(4)采用C#.net進行了程序編制,給出了主要的程序流程示意圖;

(5)對不同直徑,不同壓力的天然氣管道進行計算,給出了臨界值12.5 kW/m2,置信度95%時對應(yīng)的安全間距確定圖。

[1］Mercx W P M,van den Berg A C,Hayhurst C J,et al.Developments in vapour cloud explosion blast modeling[J].Journal of hazardous materials,2000,71:301-319.

[2］Sklavounos S,Rigas F.Estimation of safety distances in the vicinity of fuel gaspipe lines[J].Journal of loss prevention in the process industries,2006,19:24-31.

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[4］Soares C G,Teixeira A P.Probabilistic modelling of offshore fires[J].Fire safety journal,2000,34:25-45.

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[6］宇德明.易燃、易爆、有毒危險品儲運過程定量風(fēng)險評價[M].北京:中國鐵道出版社,2000.

[7］朱本仁.蒙特卡羅方法引論[M].濟南:山東大學(xué)出版社,1987.

[8］CCPS.Guidelines for chemical process quantitative risk analysis[M].2nd.New York:A IChE,2000.

(Ed.:W YX,Z)

Estimation of Safety Distance for Flammable Pressurized Gas Pipelines

M ENG Yi-fei,ZHAO Dong-feng
(College of Chem istry and Chem ical Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Qingdao Shandong266555,P.R.China)

Jet fire was the most serious accident of pressurized gas pipelines.Weather data of Nanjing and some other cities was taken as an example to study the distribution of w ind speed,humidity and air temperature.Distribution functions of all these parameters and relevant coefficients for some cities were brought.Wind direction,leakage area and leakage direction were also analyzed and reasonable distribution functions were supposed.Monte-Carlo method was used to analysis the jet fire hazard of certain pressurized gas pipeline,and the safety distances can be estimated by considering heat radiation damage rules.C#.net was used to develop an analyzing procedure for the jet fire hazard,which was used to estimate the effective distances of a batch of computations pressurized nature gas pipelines with different diameter and internal pressure,and a safety distance confirmation diagram was p lotted,the radiation threshold value and the confidence of which were respectively 12.5 kW/m2and 95%.

Jet fire;Monte-Carlo method;Heat radiation;Safety distance

.Tel.:+86-532-86984680;e-mail:myf213@yahoo.com.cn

TE973

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2011.02.04

2010-12-13

孟亦飛(1982-),男,江蘇姜堰市,講師,博士。

中國石油天然氣集團公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目(2008D-4706);青島市科技計劃基礎(chǔ)研究項目(09-1-3-6-Jch)。

1006-396X(2011)02-0079-04

Received13December2010;revised27January2011;accepted2M arch2011