基于控制室爆炸載荷的可燃?xì)庠频葍r(jià)尺寸閾值

齊心歌，王海清，宋賢生，陳國(guó)明

（1中國(guó)石油大學(xué)（華東）安全科學(xué)與工程系，山東 青島 266580；2勞氏瑞安咨詢有限公司，上海 200001）

基于控制室爆炸載荷的可燃?xì)庠频葍r(jià)尺寸閾值

齊心歌1，王海清1，宋賢生2，陳國(guó)明1

（1中國(guó)石油大學(xué)（華東）安全科學(xué)與工程系，山東 青島 266580；2勞氏瑞安咨詢有限公司，上海 200001）

火氣系統(tǒng)是防控氣體泄漏災(zāi)害的重要安全屏障?？扇?xì)怏w泄漏后與空氣混合形成可燃?xì)庠?，其爆炸屬于體積爆炸，具有復(fù)雜性和多變性，因此將其折算為等價(jià)氣云并提出閾值尺寸計(jì)算方法，是實(shí)現(xiàn)火氣系統(tǒng)探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)量化布設(shè)的關(guān)鍵輸入指標(biāo)。選取控制室為受體，以載荷作為爆炸沖擊波超壓的臨界值，運(yùn)用多能法倒序計(jì)算，逆推得到對(duì)應(yīng)的等價(jià)氣云尺寸作為探測(cè)閾值，進(jìn)而利用等價(jià)氣云方法與高斯擴(kuò)散模型得到火氣系統(tǒng)探測(cè)臨界時(shí)間。通過某 LNG罐區(qū)案例分析，定量確定了該罐區(qū)可承載的氣云尺寸最大值及擴(kuò)散臨界時(shí)間。數(shù)值計(jì)算表明，等價(jià)氣云尺寸閾值不僅可以作為火氣系統(tǒng)探測(cè)設(shè)計(jì)的量化輸入指標(biāo)依據(jù)，并可對(duì)探測(cè)時(shí)間設(shè)置以及氣體泄漏及爆炸的防控措施提供理論支持。

氣云；爆炸；火氣系統(tǒng)；爆炸載荷；等價(jià)氣云尺寸；閾值；安全；模擬

引 言

可燃?xì)怏w泄漏后，與空氣混合形成可燃?xì)庠?，遇點(diǎn)火源后易發(fā)生爆炸事故，對(duì)人員、設(shè)備、環(huán)境等造成嚴(yán)重危害。通過分析已經(jīng)發(fā)生的氣云爆炸事故，可以得到氣云爆炸的主要傷害形式為沖擊波超壓與熱輻射。由于沖擊波超壓的傷害半徑較大、損傷更嚴(yán)重，因此本文主要研究沖擊波超壓的影響[1-3]。

氣云爆炸屬于體積爆炸，與凝聚相點(diǎn)源爆炸在燃燒速率、爆炸形式、點(diǎn)火概率、造成后果的嚴(yán)重程度等方面均有很大區(qū)別[4-5]。氣云爆炸受到多種因素影響，主要包括內(nèi)部因素如可燃?xì)怏w密度、反應(yīng)活性、可燃?xì)怏w與空氣混合的均勻程度、形成可燃?xì)庠频捏w積大小等；外部因素如點(diǎn)火時(shí)間、概率與地點(diǎn)、障礙物的大小與形狀、大氣環(huán)境的改變等[6]。利用火氣系統(tǒng)對(duì)氣體泄漏進(jìn)行探測(cè)，達(dá)到對(duì)氣云爆炸預(yù)防與控制的目的；針對(duì)氣云擴(kuò)散情形復(fù)雜且多變的特點(diǎn)，提出等價(jià)氣云的概念。等價(jià)氣云就是將一定空間范圍內(nèi)，形狀不規(guī)則，密度、濃度不均勻的非均相氣云，用理想的均相單位立方體氣云代替，均相單位立方體組成的氣云即為等價(jià)氣云[7-8]。可燃物料質(zhì)量或體積一定的情況下，不同尺寸的氣云爆炸導(dǎo)致的后果嚴(yán)重程度不同，因此等價(jià)氣云的尺寸對(duì)爆炸后果具有重大影響。

1 火氣系統(tǒng)對(duì)氣云的探測(cè)現(xiàn)狀

火氣系統(tǒng)是針對(duì)可燃和有毒氣體泄漏及燃燒等具有探測(cè)、報(bào)警并能采取一定控制措施的完整的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，探測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到氣體泄漏，邏輯運(yùn)算系統(tǒng)接收到探測(cè)系統(tǒng)信號(hào)，計(jì)算等價(jià)氣云體積或濃度，若超過初始設(shè)定閾值，則信號(hào)傳遞到報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，并啟動(dòng)消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)采取控制措施，防止事故發(fā)生造成嚴(yán)重后果，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)人員、裝置、設(shè)備、管道、建筑等在危險(xiǎn)環(huán)境下的監(jiān)測(cè)及保護(hù)作用[9]。

調(diào)查結(jié)果顯示，氣體泄漏是大多數(shù)火災(zāi)爆炸事故的誘因，因此對(duì)可燃?xì)怏w泄漏進(jìn)行探測(cè)并及時(shí)采取防控措施，對(duì)于火災(zāi)爆炸事故的預(yù)防以及保障正常生產(chǎn)活動(dòng)的順利進(jìn)行具有重要意義。目前已有多種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)石化企業(yè)作業(yè)區(qū)的可燃?xì)怏w探測(cè)器以及火災(zāi)探測(cè)器做了明確規(guī)定，如GB 50493—2009、GB 50116—2013等[10-11]，對(duì)探測(cè)點(diǎn)的布置、針對(duì)不同氣體的探測(cè)濃度范圍等做了規(guī)定，因此對(duì)FGS的設(shè)計(jì)需依據(jù)上述規(guī)范以及探測(cè)器的探測(cè)半徑，對(duì)探測(cè)器位置進(jìn)行定性布設(shè)，并設(shè)定不同等級(jí)的報(bào)警閾值。

火氣系統(tǒng)的有效性取決于探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)、火氣硬件連鎖的安全可用性，以及觸發(fā)減緩系統(tǒng)的有效性[12]，其中如何實(shí)現(xiàn)探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)的定量化部署設(shè)計(jì)是源頭關(guān)鍵?，F(xiàn)有的研究從多個(gè)層面對(duì)探測(cè)器的定量布設(shè)進(jìn)行了優(yōu)化，如ISA（International Society of Automation）[13]以及 Defriend 等[14]和 Seo 等[15]從風(fēng)險(xiǎn)的角度對(duì)探測(cè)器位置進(jìn)行了優(yōu)化，Gimenes等[16]對(duì)場(chǎng)景采用網(wǎng)格數(shù)字化處理方法，章博等[17]針對(duì)具體場(chǎng)景分析了泄漏概率和后果，王海清等[12,18]、Legg等[19-20]利用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法優(yōu)化了探測(cè)器布設(shè)網(wǎng)絡(luò)。

本研究主要針對(duì)可燃?xì)庠频谋ㄊ鹿?，若氣云濃度在爆炸極限范圍內(nèi)，遇到燃燒火源后極易發(fā)生爆炸，因此需要及時(shí)準(zhǔn)確地探測(cè)到可燃?xì)庠?。目前?duì)可燃?xì)庠频奶綔y(cè)主要基于氣體濃度，但是在氣體擴(kuò)散過程中，在非理想狀態(tài)下，可燃?xì)怏w與空氣混合不均勻時(shí)，不同位置的探頭探測(cè)到的濃度不同，如依據(jù)濃度探測(cè)，不能反映出不同泄漏場(chǎng)景氣云的爆炸載荷。

為增加氣云探測(cè)的準(zhǔn)確性，本文將等價(jià)氣云理論應(yīng)用于火氣系統(tǒng)的探測(cè)輸入。目前已有研究將等價(jià)氣云的概念用于預(yù)測(cè)爆炸后果，但針對(duì)具體場(chǎng)景下受體載荷的氣云閾值尺寸尚未提出確定的算法。因此通過研究受體的爆炸載荷，利用氣云爆炸危害評(píng)估方法分析等價(jià)氣云的爆炸后果，氣云爆炸產(chǎn)生的沖擊波效應(yīng)達(dá)到受體載荷時(shí)對(duì)應(yīng)的氣云尺寸作為等價(jià)氣云尺寸閾值，進(jìn)而通過氣體泄漏擴(kuò)散模型得到擴(kuò)散臨界時(shí)間，并在氣云到達(dá)閾值尺寸之前采取措施，達(dá)到事故防控的目的。

2 控制室爆炸載荷計(jì)算

控制室是石化行業(yè)作業(yè)區(qū)的生產(chǎn)和安全的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，是安全生產(chǎn)和操作指揮的中樞，對(duì)于維持設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)、生產(chǎn)作業(yè)正常進(jìn)行、人員正常工作有至關(guān)重要的作用?；饸庀到y(tǒng)的核心裝置——控制系統(tǒng)通常設(shè)置在中心控制室內(nèi)，因此控制室的安全是維持整個(gè)作業(yè)區(qū)安全及火氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。氣云爆炸后果在控制室載荷范圍內(nèi)時(shí)[21-22]，可保證控制室不遭受破壞，維持火氣系統(tǒng)及作業(yè)區(qū)繼續(xù)運(yùn)行。本文以控制室能夠承受的爆炸載荷作為事故后果沖擊波閾值，通過事故后果計(jì)算方法逆推計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的等價(jià)氣云尺寸。

對(duì)控制室爆炸載荷的計(jì)算選取控制室設(shè)計(jì)防爆載荷的計(jì)算方法，在國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 ASCE 41088、GB 50779—2012[23-24]中均進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

若把控制室等效為封閉的矩形，作用在控制室前墻、后墻、側(cè)墻及屋面的載荷分別計(jì)算如下。

（1）前墻載荷

① 峰值壓力

式中，pSO為峰值入射超壓，kPa，應(yīng)根據(jù)石化裝置的性質(zhì)或裝置布局等因素進(jìn)行安全評(píng)估來確定，若未進(jìn)行評(píng)估，也可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確定[12]。

② 停滯壓力

式中，Cd為阻力系數(shù)，取決于對(duì)象的表面形狀及朝向，對(duì)于控制室等矩形建筑物，前墻的阻力系數(shù)取+1.0，側(cè)墻及屋面、后墻取-0.4；q0為峰值動(dòng)壓，kPa，由式(3)計(jì)算得到

式中，patm為環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，kPa。

③ 前墻正壓等效作用時(shí)間

式中，Iw為正壓沖量；S為停滯壓力點(diǎn)至建筑物邊緣的最小值，取H或B/2的較小值，其中H為建筑物高度，B為建筑物長(zhǎng)度；tc為反射壓持續(xù)時(shí)間，s；td為正壓作用時(shí)間，與峰值入射超壓一起經(jīng)安全評(píng)估得到或者依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確定，s；te為前墻正壓等效作用時(shí)間，s。

（2）側(cè)墻及屋面載荷

作用在側(cè)墻及屋面上的有效沖擊波超壓及其超壓時(shí)間按式（7）、式（8）計(jì)算

式中，pa為作用在側(cè)墻及屋面上的有效沖擊波超壓，kPa；tr為側(cè)墻及屋面有效沖擊波超壓升壓時(shí)間，s；Cd為側(cè)墻及屋面阻力系數(shù)，取-0.4；U為波速，m·s-1，由式(9)計(jì)算得到

Ce為側(cè)墻及屋面載荷等效系數(shù)，按Lw/L值查文獻(xiàn)[24]5.4節(jié)圖5.4.3，其中Lw(m)為沖擊波波長(zhǎng)，由式 (10)計(jì)算得到，L(m)為控制室寬度。

（3）后墻載荷

作用在后墻上的有效沖擊波超壓及其作用時(shí)間

式中，pb為作用在后墻上的有效沖擊波超壓，kPa；ta為沖擊波到達(dá)后墻時(shí)間，s；trb為后墻上的有效沖擊波超壓升壓時(shí)間，s；Cd為后墻阻力系數(shù)，取-0.4；Ce為后墻載荷等效系數(shù)，按Lw/L值查文獻(xiàn)[24]第5.4節(jié)圖5.4.3；D為沖擊波前進(jìn)方向建筑物寬度，后墻計(jì)算時(shí)，取建筑物高度H，m。

本文對(duì)控制室載荷的計(jì)算分析應(yīng)用于火氣系統(tǒng)探測(cè)，為避免控制室受到事故損傷，探測(cè)時(shí)間應(yīng)盡量提前，因此在控制室設(shè)計(jì)載荷的基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮載荷保守系數(shù)k。綜合考慮氣體擴(kuò)散速率、大氣環(huán)境影響等各方面因素，k取0.9，因此控制室載荷應(yīng)為

式中，pload為控制室爆炸載荷，kPa；pcr為取前墻載荷ps或側(cè)墻載荷pa、后墻載荷pb的較小值，kPa。

3 基于多能法的氣云爆炸后果計(jì)算

針對(duì)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用爆炸破壞效應(yīng)的模型主要有多能法、TNT當(dāng)量法、SHELL法、CAM法等[25]，其中多能法[26]被認(rèn)為是目前國(guó)內(nèi)外較先進(jìn)的適用于氣云爆炸后果預(yù)測(cè)的模型，綜合考慮了爆燃過程中的局部加速、障礙物的局部約束以及氣體活性等各種因素，其基本思想認(rèn)為只有在約束的條件下，氣云燃燒爆炸才能產(chǎn)生具有破壞性的沖擊波超壓，并根據(jù)氣云受到約束的程度確定相應(yīng)的爆炸源強(qiáng)度等級(jí)，基于量綱1距離與量綱1峰值超壓得到氣云爆炸的峰值超壓。

在已知控制室載荷求等價(jià)氣云體積的情況下，采用倒序逆推的方法，利用多能法進(jìn)行計(jì)算，步驟如下。

（1）將控制室能夠承受的爆炸沖擊波載荷作為峰值超壓，根據(jù)式(15)可得到量綱1比擬峰值超壓

式中，p'為量綱1比擬峰值超壓；pS為峰值超壓，即控制室載荷，kPa；patm為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?，一般可取?01.325 kPa。

（2）采用Kinsella方法確定爆炸源強(qiáng)度的指數(shù)(1～10)，從1到10依次增強(qiáng)，爆炸源強(qiáng)度與氣云受到約束的程度有關(guān)，1對(duì)應(yīng)無約束的氣云爆炸，10對(duì)應(yīng)氣云爆轟。3個(gè)主要影響因素分別為：點(diǎn)火能量大小、障礙物情況、約束情況。點(diǎn)火能量若小于100 MJ，則判定為弱，反之則為強(qiáng)；障礙物擁塞度的判斷需依據(jù)兩個(gè)條件：一是障礙物體積大于整體擁擠區(qū)域的30%，二是障礙物之間的距離小于3 m，若同時(shí)滿足以下兩者則判定為強(qiáng)，若不同時(shí)包含則判定為弱，若無障礙物則判定為不存在；約束存在代表氣云被2～3個(gè)固體表面限制，若只被地表1個(gè)固體表面限制則判定約束不存在。具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見文獻(xiàn)[26]。

（3）根據(jù)步驟(1)得到的量綱1比擬峰值超壓與步驟（2）得到的爆炸源強(qiáng)度，依據(jù)超壓峰值與量綱1距離擬合公式或查文獻(xiàn)[26]中超壓峰值隨量綱 1距離變化曲線圖可得到對(duì)應(yīng)的量綱1距離R'。

（4）計(jì)算得到當(dāng)量燃料——空氣混合物釋放的能量E（kJ）

式中，R'為量綱1距離；z為控制室與爆炸中心的距離，m。

（5）計(jì)算氣云體積。當(dāng)量燃料-空氣混合物所釋放的能量估算方法為：可燃物質(zhì)氣云體積與同化學(xué)計(jì)量濃度下烴-空氣混合物的典型燃燒熱值（約為3.5×103kJ·m-3）相乘，因此在控制室載荷下，氣云體積閾值Vc（m3）即為

式中各參數(shù)意義同前文。

（6）在給定的空間內(nèi)，判斷氣云是否受到約束。

式中，VF為場(chǎng)景內(nèi)自由體積，m3；VH為場(chǎng)景整體體積，m3；VE為場(chǎng)景內(nèi)設(shè)備體積，m3。若氣云體積Vc＜VF，則認(rèn)為不存在不受約束的氣云，在該場(chǎng)景下氣云均對(duì)爆炸沖擊波產(chǎn)生貢獻(xiàn)。

4 基于高斯擴(kuò)散模型的氣體泄漏時(shí)間計(jì)算

根據(jù)等價(jià)氣云閾值體積，需分析氣體泄漏時(shí)間，為火氣系統(tǒng)探測(cè)時(shí)間提供參考。選取高斯擴(kuò)散模型，已知等價(jià)氣云尺寸閾值的情況下，通過高斯模型模擬得到泄漏時(shí)間[27-29]。

高斯模型平均濃度方程為

基于高斯擴(kuò)散模型，等價(jià)氣云的體積計(jì)算步驟如下。

（1）網(wǎng)格劃分：建立氣體泄漏場(chǎng)景，將待分析區(qū)域劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格密度可自定義，精度越高，計(jì)算越精確，但耗時(shí)較長(zhǎng)，因此需要根據(jù)模擬場(chǎng)景的復(fù)雜程度選擇合適的網(wǎng)格密度。本文選擇10×10×10網(wǎng)格。

（2）單元網(wǎng)格等價(jià)云體積計(jì)算

① 單元網(wǎng)格氣體平均體積濃度計(jì)算 利用高斯模型即式(19)計(jì)算得到網(wǎng)格內(nèi)8個(gè)頂點(diǎn)的濃度值，擬合單元網(wǎng)格體積濃度Cv關(guān)于(x,y,z)的四維方程計(jì)算得到氣體體積濃度均值

② 模擬場(chǎng)景內(nèi)等價(jià)氣云整體體積計(jì)算

式中，Vgas為氣體泄漏擴(kuò)散形成的等價(jià)氣云體積，m3；i為網(wǎng)格數(shù)量，取值為1,2,3,…,n，其中n為網(wǎng)格整體數(shù)量；其他符號(hào)同上。

綜上，在對(duì)可燃?xì)庠频葍r(jià)尺寸的閾值研究中，采用倒序逆推的方法，選取控制室為受體并計(jì)算其爆炸載荷作為爆炸后果，依次逆推得到等價(jià)氣云閾值尺寸以及火氣系統(tǒng)探測(cè)時(shí)間即氣體泄漏時(shí)間，整體分析流程如圖1所示。

圖1 整體分析流程Fig.1 Overall analysis process

5 案例計(jì)算分析

5.1 案例簡(jiǎn)介

某液化天然氣（LNG）罐區(qū)為梯形，平面尺寸為：上底180 m，下底240 m，寬度為280 m。左側(cè)為兩個(gè)液態(tài)LNG儲(chǔ)罐，容量為1.6×105m3，裝量系數(shù)不超過80%，底面直徑82 m，高度40 m；右側(cè)為控制室，尺寸為48 m×24 m×4 m；管廊高度約為 10 m。罐區(qū)安全距離設(shè)置需根據(jù) HG/T 20508—2014等標(biāo)準(zhǔn)[31]，其中儲(chǔ)罐中心與控制室距離為100 m。具體分布情況如圖2所示，以某一LNG儲(chǔ)罐底部管線破裂導(dǎo)致氣體泄漏為例進(jìn)行計(jì)算模擬。假定其他條件一定時(shí)，分別研究泄漏量及風(fēng)速等泄漏條件改變對(duì)等價(jià)氣云尺寸及火氣系統(tǒng)探測(cè)臨界時(shí)間的影響。

圖2 某LNG罐區(qū)儲(chǔ)罐與控制室分布Fig.2 Layout of storage tank and control room in LNG tank industry

5.2 控制室爆炸載荷計(jì)算

控制室載荷設(shè)計(jì)采用的峰值入射超壓及對(duì)應(yīng)的正壓作用時(shí)間，需根據(jù)裝置性質(zhì)及平面布局等因素進(jìn)行安全評(píng)估來確定，未進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)，應(yīng)根據(jù)GB 50779—2012等標(biāo)準(zhǔn)[24]來確定：沖擊波峰值入射超壓可取為21 kPa，正壓作用時(shí)間可取為100 ms。根據(jù)式(1)～式(13)，控制室載荷計(jì)算見表1。

表1 控制室載荷計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of control room load

計(jì)算得到前墻載荷為22.4 kPa，后墻、側(cè)墻及屋面載荷為12.04 kPa，由于側(cè)墻及后墻載荷較低，因此在氣云爆炸后果的計(jì)算中應(yīng)根據(jù)側(cè)墻及后期載荷保守取值，由式(14)得到控制室載荷為10.84 kPa。

5.3 氣云尺寸計(jì)算

（1）量綱1比擬峰值超壓 以控制室載荷作為氣云的實(shí)際峰值超壓，根據(jù)式(15)計(jì)算得到量綱 1比擬峰值超壓為0.221。

（2）爆炸源強(qiáng)度指數(shù)的確定 基于場(chǎng)景的以下因素來選擇：點(diǎn)火能、爆炸源內(nèi)擁塞度、約束，見表2。

該場(chǎng)景下選取點(diǎn)火能強(qiáng)度小于100 MJ，判斷點(diǎn)火能為弱；罐區(qū)整體作為擁擠區(qū)域，體積為5.88×105m3（高度取管廊高度為10 m），設(shè)備（儲(chǔ)罐與控制室）體積為1.102×105m3，得到擁塞度為18.74%，判定擁塞程度為弱。由于點(diǎn)火能——弱，擁塞度——弱，約束——存在，根據(jù)文獻(xiàn)[26]得到爆炸源強(qiáng)度等級(jí)為3～5，保守取值為5。

表2 爆炸源強(qiáng)度指數(shù)影響因素Table 2 Influence factors of explosion source intensity index

爆炸源強(qiáng)度為5時(shí)，量綱1超壓與量綱1距離的曲線擬合方程

（3）氣云體積閾值計(jì)算 根據(jù)量綱 1比擬峰值超壓與爆炸源強(qiáng)度等級(jí)，依據(jù)式(22)或文獻(xiàn)[26]得到量綱1距離為1.11。根據(jù)式(16)、式(17)得到爆炸能量為 7.33×107kJ，對(duì)應(yīng)的氣云體積為2.09×104m3。

5.4 判斷氣云是否受到約束

氣云體積2.09×104m3小于擁擠區(qū)域內(nèi)自由體積4.78×105m3，不存在不受約束的氣云，該場(chǎng)景下的氣云均對(duì)爆炸沖擊波產(chǎn)生貢獻(xiàn)，因此所求氣云尺寸即為可燃?xì)庠票ê罂刂剖逸d荷能夠承受的閾值尺寸。

5.5 泄漏時(shí)間計(jì)算

根據(jù)高斯擴(kuò)散模型及等價(jià)氣云體積計(jì)算模型即式(19)～式(21)，應(yīng)用MATLAB軟件，進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，得到如圖3、圖4所示的等價(jià)氣云體積隨時(shí)間變化曲線。圖3中，假定風(fēng)速恒為2 m·s-1，泄漏量分別為3×105～7×105kg時(shí)，對(duì)應(yīng)探測(cè)臨界時(shí)間由 28～44 s逐漸增大；圖 4中，假定泄漏量為3×105kg，當(dāng)風(fēng)速分別由2～5 m·s-1變化時(shí)，對(duì)應(yīng)探測(cè)臨界時(shí)間由17～44 s逐漸增大?？梢?，受體爆炸載荷一定時(shí)，針對(duì)不同的泄漏場(chǎng)景，火氣系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間隨之改變。

在上述場(chǎng)景下，氣體擴(kuò)散速度較快，火氣系統(tǒng)需要在臨界時(shí)間內(nèi)，探測(cè)到氣云并及時(shí)采取相應(yīng)的防控措施，方可將氣云泄漏導(dǎo)致爆炸的事故后果限制在控制室爆炸載荷范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制室保護(hù)的目的。氣云易受到氣象、地形、障礙物等各種因素的影響而發(fā)生改變，將其折算為等價(jià)氣云并作為火氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入量，具有重要的工程意義。

圖3 泄漏量改變時(shí)等價(jià)氣云體積-時(shí)間曲線Fig.3 Volume-time curve of equivalent gas cloud when leakage quality changes

圖4 風(fēng)速改變時(shí)等價(jià)氣云體積-時(shí)間曲線Fig.4 Volume-time curve of equivalent gas cloud when wind speed changes

6 結(jié) 論

利用火氣系統(tǒng)對(duì)氣體泄漏及與空氣混合形成可燃?xì)庠频倪^程進(jìn)行探測(cè)，可及時(shí)檢測(cè)到可燃?xì)怏w泄漏并采用防控措施。針對(duì)可燃?xì)庠瓢l(fā)生爆炸事故的復(fù)雜性與多變性，將其折算為等價(jià)氣云尺寸，并作為火氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入。等價(jià)氣云概念為火氣系統(tǒng)的探測(cè)提供了理論依據(jù)，等價(jià)氣云尺寸閾值的提出為火氣系統(tǒng)的應(yīng)用提供了技術(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，依據(jù)閾值尺寸得到探測(cè)臨界時(shí)間亦可為火氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論支持，具有一定的工程實(shí)踐價(jià)值。通過對(duì)某LNG罐區(qū)控制室爆炸載荷計(jì)算，得到該罐區(qū)的等價(jià)氣云尺寸閾值以及臨界時(shí)間，證明了提出的方法具有合理性與工程應(yīng)用價(jià)值。

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date:2017-04-24.

Prof.WANG Haiqing,wanghaiqing@upc.edu.cn

supported by the National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China(D719-ZGSY-555) and the Central Universities Fundamental Research Funds Project (17CX06004).

Threshold of equivalent gas cloud size based on explosion load of control room

QI Xinge1,WANG Haiqing1,SONG Xiansheng2,CHEN Guoming1
(1Department of Safety Science and Engineering,China University of Petroleum,Qingdao266580,Shandong,China;2Lloyd’s Register Consulting-Energy Incorporated,Shanghai200001,China)

Fire alarm and gas detector system (FGS) is the important safety barrier to prevent gas leakage.Combustible gas leaks and forms combustible gas cloud mixing with air,and its explosion belongs to volume explosion.The gas cloud has complexity and variability subject to a variety of factors,so it is converted into equivalent gas cloud and the threshold size calculation method is proposed.The threshold is key input index to realize the quantitative layout of detector network of FGS.The control room is selected as a receptor for analysis.Based on the critical value of shock wave overpressure which takes load of control room,the corresponding equivalent gas cloud size is calculated as the detecting threshold of combustible gas cloud by using multi-energy method in reverse order.Then the critical detecting time of the FGS is calculated by using equivalent air cloud computing method and Gaussian diffusion model.Through one LNG tank industry case analysis,the maximum cloud size which can be carried by the industry and the critical time of diffusion can be quantitatively determined.The numerical calculation shows that the equivalent gas cloud size threshold can not only be used as the quantitative input indicators for detector design of FGS,but also provide theoretical support for the detection time setting and the prevention and control measures of gas leakage and explosion.

gas cloud; explosion; fire alarm and gas detector system; explosive load; equivalent gas cloud size;threshold size; safety; simulation

X 937

A

0438—1157（2017）12—4857—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20170458

2017-04-24收到初稿，2017-08-28收到修改稿。

聯(lián)系人：王海清。

齊心歌（1991—），女，博士研究生。

國(guó)家重大科技專項(xiàng)子課題項(xiàng)目（D719-ZGSY-555）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（17CX06004）。