TNT模型對LNG儲罐蒸氣云爆炸模擬分析

郭曉曉 蔡治勇， 袁成天

(1.重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶 401331;2.重慶市安全生產(chǎn)科學(xué)研究有限公司，重慶 401331)

液化天然氣(LNG，liquid natural gas)汽化潛熱高，是單位質(zhì)量“熱值”最高的常規(guī)燃料［1］。其密度為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣的600多倍，是目前天然氣儲存和運(yùn)輸最先進(jìn)的形式［2］。建造天然氣儲罐可以為一些不在油田附近的城市供應(yīng)天然氣，還可以調(diào)節(jié)供求關(guān)系。目前國內(nèi)天然氣單罐儲存量已經(jīng)達(dá)到16萬m3［3］。儲罐一旦發(fā)生泄漏，極易引起火災(zāi)和爆炸，造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。因此，對LNG泄漏擴(kuò)散進(jìn)行準(zhǔn)確模擬計(jì)算，對研究火災(zāi)爆炸區(qū)域、控制事故狀態(tài)、人員疏散、應(yīng)急救援、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)具有重要意義。

本文對目前主要的蒸氣云爆炸模型進(jìn)行比較分析，選擇TNT模型計(jì)算LNG儲罐蒸氣云爆炸的沖擊波傷害半徑，將計(jì)算結(jié)果與安元軟件和PHAST軟件的模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出安元軟件的計(jì)算模型。

1 蒸氣云爆炸模型

泄漏出來的液體或氣體在敞開空間與空氣高度紊流易形成爆炸性蒸氣云，若遇火源則發(fā)生蒸氣云爆炸。蒸氣云爆炸事故頻率高，后果極為嚴(yán)重。

國內(nèi)外對蒸氣云爆炸事故的系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)70年代。近幾十年來，國外學(xué)者做了大量的研究，使蒸氣云爆炸的理論、模擬等方面有較大發(fā)展。其中，Strehlow等人于1979年提出的球形火焰模型，荷蘭應(yīng)用科學(xué)院于20世紀(jì)80年代初提出的半球模型，Van den Berg等人于20世紀(jì)80年代中期提出的多能法等是蒸氣云爆炸波模型的典型代表。但是，由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏，這些模型的有效性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

蒸氣云爆炸的模型有許多，定量模擬計(jì)算的模型主要有:TNT當(dāng)量法、Baker—Strehlow模型、多能模型和 CFD 模型［4］。

1.1 多能模型

1985年荷蘭研究人員在TNO(The Netherlands Organization)模型基礎(chǔ)上，綜合考慮湍流加速、局部約束、氣體活性等各種因素，提出了一個(gè)分析蒸氣云爆炸的原則、方法:假設(shè)氣云為半球形，中心點(diǎn)火，火焰以恒定速度傳播，以數(shù)值方法計(jì)算不同燃燒速度下的氣云爆炸強(qiáng)度，獲得了無量綱爆炸超壓與無量綱距離的曲線圖。

多能模型的提出是基于蒸氣云爆炸的危害性主要由受約束的蒸氣云決定，不受約束的那部分氣云對爆炸強(qiáng)度幾乎沒有貢獻(xiàn)。在燃燒爆炸的傳播過程中，湍流強(qiáng)度和燃燒、超壓之間相互影響作用很大，在傳播過程中受約束越大，湍流與燃燒及超壓產(chǎn)生正反饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)，形成的沖擊波強(qiáng)度越大。

多能模型在理論上比較合理，已受到廣泛地關(guān)注，但在具體應(yīng)用中存在以下不足:

(1)該模型認(rèn)為自由空間的蒸氣云是不均勻的混合物，不會維持爆轟的傳播，可忽略其對爆炸強(qiáng)度的影響，但客觀上如果蒸氣云形成時(shí)間較長，在自由空間形成混合均勻的氣體，則它對爆轟的作用就很大;

(2)難以確定受限區(qū)域的尺寸;(3)難以準(zhǔn)確選取爆炸強(qiáng)度圖中的10個(gè)級別;(4)讀取TNO爆炸波特征曲線時(shí)有很強(qiáng)的主觀性。

1.2 Baker－Strehlow 模型

Baker－Strehlow模型與多能法有些相似，其基本思想也是由于部分約束才能產(chǎn)生較強(qiáng)的爆炸波。對于無量綱距離、無量綱峰值側(cè)向超壓的計(jì)算與多能法相同。該方法與多能法的主要區(qū)別在于無量綱峰值側(cè)向超壓與無量綱距離變化曲線圖有所不同，該方法根據(jù)最大火焰?zhèn)鞑ニ俣?馬赫數(shù)Ma)來選取不同的爆炸波強(qiáng)度曲線。

1.3 TNT 模型

此方法廣泛用于簡單蒸氣云爆炸模擬，由于對TNT炸藥的爆炸威力已進(jìn)行過大量的研究，目前已能有效地預(yù)測其爆炸場和對物體的破壞作用;設(shè)想把蒸氣云爆炸的破壞作用轉(zhuǎn)化成TNT爆炸的破壞作用，從而把蒸氣云的爆炸能量轉(zhuǎn)化成為TNT當(dāng)量質(zhì)量，由此評價(jià)相關(guān)爆炸的一系列結(jié)果，如所測點(diǎn)的超壓等。TNT當(dāng)量的轉(zhuǎn)化公式為

若為地面或近地面爆炸，爆炸總能量為實(shí)際的1.8 倍，即式(1)變?yōu)?/p>

式中:WTNT—爆炸的TNT當(dāng)量質(zhì)量，kg;E0—爆源總能量，J;μ—蒸氣云的TNT當(dāng)量系數(shù);Hc—燃料熱值，kJ/kg;Wf—?dú)庠浦腥剂系目偭?，kg;HTNT—TNT 的爆炸熱，4520 kJ/kg。

對于凝聚相含能材料爆炸產(chǎn)生的沖擊波的破壞作用，超壓——沖量準(zhǔn)則具有普適性。在安全分析中，通常把沖擊波的破壞范圍分為死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)和財(cái)產(chǎn)損失區(qū)。

在蒸氣云爆轟時(shí)，其沖擊波參數(shù)可用下式計(jì)算:

式中:R—目標(biāo)到爆炸源的水平距離，m;P0—環(huán)境大氣壓，1.01×105Pa;ΔP—沖擊波正相最大超壓，Pa。

2 工程實(shí)例計(jì)算

某天然氣儲備站有1臺100 m3臥式液化天然氣儲罐，取充裝系數(shù)為0.9。LNG的密度通常在430～470 kg/m3之間，取 450 kg/m3，儲存壓力為 0.6 MPa。

2.1 TNT模型計(jì)算過程

蒸氣云爆炸統(tǒng)計(jì)資料表明，式(2)中μ的取值一般為0.02% ～15.9%，在50%的蒸氣云爆炸事故中，μ≤3%;在60%的蒸氣云爆炸事故中，μ≤4%;在97%的蒸氣云爆炸事故中，μ≤10%。μ的平均值為4%。

查天然氣物性參數(shù)可知LNG的熱值為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，根據(jù)式(2)及式(3)得

根據(jù)式(4)計(jì)算各類傷害半徑，其中重傷區(qū)半徑指人員因在沖擊波作用下耳膜破裂的概率為0.5的半徑，輕傷區(qū)半徑指人員在沖擊波作用下耳膜破裂的概率為0.01的半徑，實(shí)例計(jì)算得:

2.2 安元軟件模擬過程

“安元安全評價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)軟件”是由南京安元科技有限公司開發(fā)的，并通過國家安監(jiān)總局權(quán)威鑒定的專業(yè)安評與風(fēng)險(xiǎn)分析產(chǎn)品。安元軟件由職業(yè)衛(wèi)生評價(jià)、半定量安全評價(jià)、指數(shù)法安全評價(jià)、定性安全評價(jià)等幾大模塊組成。此軟件在我國安全中介機(jī)構(gòu)、安全工程科研院所得到了廣泛應(yīng)用，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 PHAST軟件模擬過程

PHAST(Process Hazard Analysis Software Tool)軟件是定量的計(jì)算后果的一種軟件，由DNV(挪威船級社)公司獨(dú)立開發(fā)的一款專門用于石油石化和天然氣領(lǐng)域危險(xiǎn)分析和安全計(jì)算的軟件［3］。PHAST軟件包含獨(dú)立的TNT爆炸模型，該模型簡單易操作，是其早期版本默認(rèn)使用的爆炸模型。

實(shí)例中液化天然氣儲量為40500 kg。運(yùn)用軟件重大事故模擬評價(jià)中的蒸氣云爆炸事故模擬評價(jià)模塊對研究案例進(jìn)行模擬計(jì)算，選取爆炸效率為4%，分別計(jì)算沖擊波超壓為0.1，0.044，0.017和0.0138 MPa時(shí)的半徑。模擬結(jié)果見表1。

表1 計(jì)算結(jié)果比較

2.4 計(jì)算結(jié)果比較

通常，LNG無固定的密度，常因工藝條件的變化而變化，而且公式中相關(guān)系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)值。方法1和方法2的爆炸總能量相同，本文所選擇的參數(shù)合理、有效。

李鳳雷［5］、馬小明［6］介紹了爆炸沖擊波傷害半徑的計(jì)算方法。經(jīng)驗(yàn)證，其計(jì)算結(jié)果與安元軟件計(jì)算結(jié)果相差較大，可以推測，安元軟件模擬蒸氣云爆炸采用的計(jì)算模型為本文介紹的TNT模型。安元軟件計(jì)算出的財(cái)產(chǎn)損失半徑與本文TNT模型、PHAST軟件計(jì)算結(jié)果相差很大，安元軟件是采用式(5)計(jì)算的財(cái)產(chǎn)損失半徑:

式中:K3—建筑物三級破壞系數(shù)，取9.6。

根據(jù)式(5)計(jì)算本工程實(shí)例得財(cái)產(chǎn)損失半徑為316.1 m，與安元軟件計(jì)算結(jié)果吻合。

方法1和方法3均采用超壓準(zhǔn)則計(jì)算了死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑和財(cái)產(chǎn)損失半徑，沖擊波超壓分別為 0.1，0.044，0.017和0.0138 MPa?？傮w來看，PHAST軟件模擬結(jié)果比本文TNT模型計(jì)算結(jié)果偏小，這與PHAST軟件默認(rèn)的相關(guān)參數(shù)取值、結(jié)果修正方式有關(guān)。

3 結(jié)論

(1)TNT當(dāng)量法對死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑以及財(cái)產(chǎn)損失半徑都有明確的公式描述，使用方便，計(jì)算簡單。

(2)本文所取LNG相關(guān)參數(shù)合理、有效，可應(yīng)用到其他工程實(shí)例計(jì)算中。

(3)式(4)、(5)是安元軟件運(yùn)算的依據(jù)。

(4)PHAST軟件運(yùn)算過程復(fù)雜，修正系數(shù)較多，仍需進(jìn)一步研究。

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