輸氣干線放空系統(tǒng)火災(zāi)爆炸事故后果評估

許 娟 賈彥杰 徐 麗 陳崎奇 楊 斯 白 雪

(1. 中國石油西南管道昆明輸油氣分公司；2. 中國石油管道建設(shè)項目經(jīng)理部中緬項目部；3. 中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院)

輸氣干線放空系統(tǒng)火災(zāi)爆炸事故后果評估

許 娟*1賈彥杰1徐 麗1陳崎奇1楊 斯2白 雪3

(1. 中國石油西南管道昆明輸油氣分公司；2. 中國石油管道建設(shè)項目經(jīng)理部中緬項目部；3. 中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院)

首先采用FLUENT軟件對放空氣體擴散進(jìn)行定量計算，確定火災(zāi)爆炸的中心，然后采用挪威船級社PHAST軟件對放空氣體可能產(chǎn)生的火災(zāi)爆炸影響范圍進(jìn)行定量計算和影響分析，最終確定不同放空量和風(fēng)速下地面上火球事故爆炸和熱輻射范圍，對放空系統(tǒng)安全設(shè)計和應(yīng)急救援具有一定的意義。

輸氣干線 放空系統(tǒng) FLUENT PHAST 火災(zāi)爆炸 后果評估

放空系統(tǒng)是天然氣站場安全設(shè)施的重要組成部分，其安全與否關(guān)系到輸氣管道和處理裝置的平穩(wěn)運行和人民生命財產(chǎn)及國有資產(chǎn)的安全。在進(jìn)行天然氣放空時，放空管天然氣擴散后與空氣混合形成天然氣-空氣預(yù)混氣云，當(dāng)該氣云達(dá)到燃爆極限時，如遇火源就會發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故，其產(chǎn)生的巨大火焰熱輻射和爆炸沖擊波將嚴(yán)重威脅管道、生產(chǎn)設(shè)施和人員安全[1]。所以，對天然氣放空系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險分析和事故后果模擬是一項具有現(xiàn)實應(yīng)用價值的研究。

1 火災(zāi)爆炸事故模型

在可燃?xì)庠瓢l(fā)生火災(zāi)、爆炸時，約有10%可燃性混合氣體發(fā)生爆炸，并產(chǎn)生沖擊波；約90% 的可燃性混合氣體產(chǎn)生燃燒并形成火球。因此，在對可燃性混合氣體火災(zāi)爆炸后果進(jìn)行定量安全評價時，應(yīng)分析發(fā)生爆炸的10%可燃性混合氣體產(chǎn)生的事故后果，以及90%的可燃性混合氣體產(chǎn)生燃燒、形成火球所產(chǎn)生的后果[2]。

1.1爆炸沖擊波事故模型

在進(jìn)行爆炸沖擊波后果評價時，常常把可燃?xì)庠票ǖ钠茐淖饔棉D(zhuǎn)化成TNT爆炸的破壞作用，按照參加爆轟的天然氣體積所占整個氣云體積的百分?jǐn)?shù)即TNT收率將可燃?xì)庠票芰哭D(zhuǎn)化為TNT當(dāng)量質(zhì)量[3]，然后按常用的TNT標(biāo)準(zhǔn)爆源爆炸后的計算公式求解爆炸場內(nèi)各點的超壓值，再根據(jù)此爆炸場參數(shù)對目標(biāo)的毀傷進(jìn)行評估[4]。

本例中放空管高度20m，根據(jù)危害最大化原則，將TNT收率取為10%進(jìn)行危害評價，則參加爆炸的天然氣質(zhì)量為：

md=10%m

式中m——可燃性氣體質(zhì)量，kg；

md——發(fā)生爆炸的氣體質(zhì)量，kg。

其中，對于放空的可燃性氣體質(zhì)量可根據(jù)放空的天然氣體積(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)進(jìn)行計算：

m=Qρ

式中Q——標(biāo)準(zhǔn)工況下放空天然氣體積，Nm3；

ρ——標(biāo)準(zhǔn)工況下天然氣密度，kg/m3。

等效TNT質(zhì)量的換算公式為：

Qd=mdΔHd

式中 ΔHd——天然氣(甲烷)爆炸熱；

Qd——天然氣爆轟時放出的總能量，kJ；

QTNT——TNT標(biāo)準(zhǔn)爆源的爆熱值，取為4.5MJ/kg。

對于質(zhì)量為mTNT的TNT標(biāo)準(zhǔn)爆源，發(fā)生爆炸時，爆炸場沖擊波超壓計算公式為：

式中 Δp——爆炸波的入射超壓，Pa；

R——爆炸場某點至爆源的距離，m。

受沖擊波作用目標(biāo)的破壞程度直接取決于作用到目標(biāo)上的沖擊波特性和目標(biāo)自身的承載能力，三者之間的依賴關(guān)系通常統(tǒng)稱為沖擊波破壞準(zhǔn)則或標(biāo)準(zhǔn)。多數(shù)情況下，沖擊波的破壞傷害作用是由超壓引起的，當(dāng)受體接受的沖擊波超壓值超過其破壞的臨界超壓值時，即被破壞[5]。人體所能承受的沖擊波閾值為0.1MPa，沖擊波超壓對人體的損害情況見表1[2]。

表1 沖擊波閾值對人體的損害情況

1.2火球熱輻射事故模型

火球危害評價包括兩部分，即火球性質(zhì)參數(shù)和火球熱輻射影響半徑的計算[6]。

火球性質(zhì)參數(shù)主要有火球半徑、火球持續(xù)時間及火球高度等，其中火球半徑和火球持續(xù)時間計算公式為：

R=1.85ω0.325

t=0.25ω0.349

式中R——火球半徑，m；

t——火球持續(xù)時間，s；

ω——燃燒量(參與燃燒反應(yīng)的天然氣與氧氣質(zhì)量之和)，kg。

根據(jù)目標(biāo)接受的熱輻射劑量公式可推導(dǎo)出目標(biāo)物距離火球中心的水平距離[7]：

Qt=m1Hc=0.9mHc

式中Hc——天然氣(甲烷)的燃燒熱；

[10] 溫廣益：《1967年以來印尼華文教育的沉浮》，《華僑華人歷史研究》1997年第3期，第58頁。

m1——參與燃燒的擴散天然氣，m1=0.9m；

q——目標(biāo)接受的熱輻射劑量，J/m2；

Qt——火球的總輻射量，J；

Tc——熱傳導(dǎo)系數(shù)，一般保守取值1.0；

x——目標(biāo)物距離火球中心的水平距離，m。

在熱輻射作用下目標(biāo)可能被破壞，這里的目標(biāo)指的是可能被燒壞的任何客體，如人員、建筑物及木材等。國內(nèi)外研究機構(gòu)給出了相應(yīng)的熱輻射破壞準(zhǔn)則，分別為：熱輻射劑量準(zhǔn)則、熱輻射強度準(zhǔn)則和熱劑量-熱強度準(zhǔn)則[8]。其中熱劑量為熱通量與熱輻射作用時間(即暴露時間，亦即火球持續(xù)時間)的乘積[9]。

熱劑量準(zhǔn)則的適用范圍為：作用于目標(biāo)的熱通量持續(xù)時間非常短，以至于目標(biāo)接收到的熱量來不及散失掉。而天然氣-空氣預(yù)混氣云形成的火球燃燒可以認(rèn)為是瞬態(tài)燃燒(持續(xù)時間一般只有幾秒)，因此采用熱劑量準(zhǔn)則[10]，熱劑量閾值對人體的傷害見表2。

表2 熱劑量閾值與人體的傷害

2 火災(zāi)爆炸模擬分析

2.1天然氣擴散數(shù)值模擬

采用FLUENT 軟件對放空系統(tǒng)放空管放空氣體的擴散進(jìn)行模擬，分別以：平坦地形下，放空量37 400Nm3/h(8kg/s)、風(fēng)速為5m/s；平坦地形下，放空量23 400Nm3/h(5kg/s)、風(fēng)速為5m/s；平坦地形下，放空量23 400Nm3/h(5kg/s)、風(fēng)速為17m/s為例，放空一段時間后擴散達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，爆炸下限濃度對應(yīng)范圍不變，甲烷濃度分布如圖1所示(由于在側(cè)風(fēng)向上甲烷濃度范圍較小，因此只顯示二維的濃度分布)，確定質(zhì)心位置分別為(11.95，24.45)，(8.35，26.50)，(11.95，24.45)。

a. 平坦，37 400Nm3/h，5m/s

b. 平坦，23 400Nm3/h，5m/s

c. 平坦，23 400Nm3/h，17m/s

2.2火災(zāi)爆炸數(shù)值模擬

爆炸沖擊波采用PHAST軟件中自帶的TNT Explosion模型進(jìn)行模擬，火球熱輻射模擬采用PHAST軟件中自帶的Fireball模型進(jìn)行模擬[11,12]，模擬得到火球熱輻射強度半徑和爆炸沖擊波超壓半徑如圖2、3所示。

a. 平坦，37 400Nm3/h，5m/s

b. 平坦，23 400Nm3/h，5m/s

c. 平坦，23 400Nm3/h，17m/s

a. 平坦，37 400Nm3/h，5m/s

b. 平坦，23 400Nm3/h，5m/s

c. 平坦，23 400Nm3/h，17m/s

根據(jù)上述擴散模擬和火災(zāi)爆炸模擬結(jié)果確定距離地面1.5m高上爆炸沖擊波和火球熱輻射影響范圍，如圖4～6所示。

a. 火球熱輻射影響

b. 爆炸沖擊波影響

a. 火球熱輻射影響

b. 爆炸沖擊波影響

a. 火球熱輻射影響

b. 爆炸沖擊波影響

從圖4～6可以看出：

放空擴散氣體發(fā)生火災(zāi)爆炸時，火球熱輻射和爆炸沖擊波產(chǎn)生的影響范圍由風(fēng)速和放空量共同決定，當(dāng)放空量一定時，風(fēng)速越大，影響范圍越大；當(dāng)風(fēng)速一定時，放空量越大，影響范圍越大。

火球熱輻射的影響范圍大于爆炸沖擊波所產(chǎn)生的影響范圍。當(dāng)放空管以放空量為37 400Nm3/h、風(fēng)速為5m/s進(jìn)行放空時，火球熱輻射最大影響范圍為88.07m，爆炸沖擊波最大影響范圍為18m，建議下方距離的人員撤出88.07m范圍的區(qū)域。

對比不同風(fēng)速下火球熱輻射和爆炸沖擊波影響范圍可知，火球熱輻射和爆炸沖擊波基本不受風(fēng)速的影響，風(fēng)速將主要影響云團的質(zhì)心即火球中心，隨著風(fēng)速的增大云團的質(zhì)心將向下偏移，對地面產(chǎn)生的影響范圍將增加。

3 結(jié)論

3.1放空擴散氣體發(fā)生火災(zāi)爆炸時，火球熱輻射和爆炸沖擊波產(chǎn)生的影響范圍由風(fēng)速和放空量共同決定，當(dāng)放空量一定時，風(fēng)速越大，影響范圍越大；當(dāng)風(fēng)速一定時，放空量越大，影響范圍越大。

3.2火球燃燒產(chǎn)生的危害要大于爆炸且危害半徑基本不受風(fēng)速的影響，但風(fēng)速影響云團的質(zhì)心即火球爆炸中心，隨著風(fēng)速的增大云團的質(zhì)心將向下偏移，對地面產(chǎn)生的影響范圍將增加。

3.3放空系統(tǒng)擴散氣體火災(zāi)爆炸事故具有不確定性，因此運用PHAST軟件對可能發(fā)生的事故后果進(jìn)行定量計算和評估，模擬結(jié)果對放空系統(tǒng)的安全設(shè)計和事故預(yù)防具有一定的指導(dǎo)意義。

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FireExplosionConsequenceAssessmentforGasTransmissionLineVentingSystem

XU Juan1, JIA Yan-jie1, XU Li1, CHEN Qi-qi1,YANG Si2, BAI Xue3

(1.KunmingPetroleumGasTransportationBranch,PetroChinaSouthwestPipelineCo.,Kunming650000,China;2.ChinaandMyanmarProjectDepartment,PetroChinaPipelineConstructionProjectManagerBranch,Kunming650000,China; 3.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Making use of FLUENT software to quantitatively calculate the venting gas diffusion and to determine fire explosion’s center was implemented, including applying PHAST software to quantitatively calculate and analyze potential fire explosion’s scope of influence so that the heat radiation above the ground incurred by the explosion accident at different venting amount and wind speeds can be determined. This has certain significance for venting system security design and emergency rescue.

gas transmission line,venting system, FLUENT, PHAST software, fire explosion, consequence assessment

*許 娟，女，1986年2月生，工程師。云南省昆明市，650000。

TQ055.8

A

0254-6094(2016)03-0329-05

2015-09-22，

2015-10-20)