大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)氮?dú)庖绯龇治雠c測(cè)試

吳明軍 王澤強(qiáng) 馮仕君 胡源亮

1.油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.威特龍消防安全集團(tuán)股份公司

近年來(lái)，為了預(yù)防大型浮頂油罐在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中可能因雷擊、靜電、著火引發(fā)的火災(zāi)爆炸事故[1-4]，國(guó)內(nèi)已有100多座大型浮頂油罐安裝了大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用在線(xiàn)氣體分析系統(tǒng)與主動(dòng)惰化保護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合的閉環(huán)控制方式對(duì)外浮頂油罐一、二密封裝置間的環(huán)形區(qū)域進(jìn)行主動(dòng)防護(hù)[5-9]。大型浮頂油罐安裝該系統(tǒng)后，其分析檢測(cè)數(shù)據(jù)有效，主動(dòng)防護(hù)效果顯著，較好地解決了大型浮頂油罐安全防護(hù)的難題[7-9]。但是，由于該系統(tǒng)在主動(dòng)保護(hù)過(guò)程中會(huì)往油罐密封圈內(nèi)注入較多氮?dú)猓紤]到密封圈可能存在密封不良等因素造成氮?dú)鈴亩蚊芊庖绯?，有可能?huì)對(duì)浮頂上操作人員的人身安全造成一定威脅[10]。為此，有必要對(duì)大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中的氮?dú)庖绯鰯U(kuò)散進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

1 仿真模擬分析

1.1 氮?dú)鈹U(kuò)散模型的確定

常見(jiàn)的有害氣體擴(kuò)散模型有高斯模型、重氣云擴(kuò)散模型等。高斯模型常用于描述危險(xiǎn)物質(zhì)泄漏形成的非重氣云擴(kuò)散行為[11]。氮?dú)饷芏壬孕∮诳諝?，在主?dòng)保護(hù)過(guò)程中會(huì)連續(xù)從二次密封溢出，溢出后不會(huì)與外界發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不會(huì)被油罐吸取，自身也不會(huì)產(chǎn)生解析現(xiàn)象；浮頂罐內(nèi)部空間的環(huán)境條件相對(duì)變化較小。因此，對(duì)氮?dú)庑孤U(kuò)散分析適合采用高斯擴(kuò)散模型。

為了計(jì)算氮?dú)庖绯鲇绊懛秶鷥?nèi)某一點(diǎn)的質(zhì)量濃度，首先以氮?dú)獬跏家绯鲋行脑谟凸薷№斆娴耐队包c(diǎn)O為原點(diǎn)建立如圖1所示的空間坐標(biāo)系，X軸沿油罐徑向方向水平延伸，Y軸沿油罐罐壁切線(xiàn)方向延伸且在水平面上，Z軸垂直向上延伸[12]。

設(shè)氮?dú)庖绯龅挠?jì)算高度為H，主風(fēng)向?yàn)檠赜凸迯较蚍较?，則空間坐標(biāo)系中的某一點(diǎn)(x、y、z)處的氮?dú)赓|(zhì)量濃度計(jì)算如式(1)[13]。

(1)

式中：c(x、y、z、H)為坐標(biāo)內(nèi)某點(diǎn)氮?dú)獾馁|(zhì)量濃度，kg/m3；Q為溢出源強(qiáng), kg/s；V為平均風(fēng)速,m/s；σx、σy、σz為x、y、z方向的蔓延系數(shù)；H為計(jì)算高度,m,等于初始溢出高度與提升高度之和，即：H=H0+ΔH；H0為初始溢出高度，m；ΔH為提升高度,m。

1.2 溢出源強(qiáng)的確定

氮?dú)庖绯鲋饕l(fā)生在二次密封處，從最不利原則考慮，假設(shè)二次密封處有一段弧長(zhǎng)為10 m、縫隙寬度為10 mm的狹長(zhǎng)縫隙，溢出后氮?dú)庵饕峭鶅蛇厰U(kuò)散，少量會(huì)往中間擴(kuò)散，如圖2所示。

以10×104m3油罐為例，油罐直徑80 m，油罐在安裝大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)后，油罐一、二密封裝置內(nèi)環(huán)形空間沿圓周等分均布設(shè)置32個(gè)Pt05型專(zhuān)用噴頭，其額定流量為4.5 m3/h(1.25 L/s)。因此，在10 m長(zhǎng)的溢出段上安裝有2個(gè)噴頭，從最不利原則考慮，注氮保護(hù)時(shí)，與溢出段兩端相鄰的噴頭氣體也從此處溢出，即：共有4個(gè)噴頭的氮?dú)鈴拇硕我绯鲋镣饨纭?/p>

注氮保護(hù)時(shí)的氮?dú)庖绯鲈磸?qiáng)計(jì)算如式(2)。

Q=n×q×ρ

(2)

式中：Q為溢出源強(qiáng), kg/s；n為噴頭數(shù)量，個(gè)；q為噴頭額定流量，L/s；ρ為氮?dú)饷芏龋?.16×10-3kg/L。代入以上數(shù)據(jù)，即Q=4×1.25×1.16×10-3=5.8×10-3kg/s。

1.3 蔓延系數(shù)的確定

蔓延參數(shù)是影響高斯擴(kuò)散模型分析結(jié)果的主要參數(shù),而蔓延參數(shù)則直接受大氣穩(wěn)定度的影響。通常，將大氣穩(wěn)定度根據(jù)氣象環(huán)境條件分為6 個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表1)[11]。在選取了大氣穩(wěn)定度后，再按表2選擇各方向上的蔓延參數(shù)。

表1 Pasquill大氣穩(wěn)定度級(jí)別參考表Table 1 Reference table of Pasquill atmospheric stability level地面風(fēng)速/(m·s-1)白天太陽(yáng)輻射強(qiáng)中弱陰天(晝夜)有云的夜晚薄云遮天或低云覆蓋率≥50%云層覆蓋率≤40%<2AA～BBD2～<3BBCDEF3～<5B～CB～CCDDE5～6C～DC～DDDDD>6CDDDDD

表2 Hanna & Drivas蔓延系數(shù)Table 2 Coefficent of Hanna & Drivas diffusion 大氣穩(wěn)定度①σy②σz②A0.22x(1+0.000 1x)1/20.2xB0.16x(1+0.000 1x)1/20..12xC0.11x(1+0.000 1x)1/20.08x(1+0.000 2x)1/2D0.08x(1+0.000 1x)1/20.06x(1+0.001 5x)1/2E0.06x(1+0.000 1x)1/20.03x(1+0.000 3x)F0.04x(1+0.000 1x)1/20.016x(1+0.000 3x) 注:①100 m

大型石油儲(chǔ)罐的浮頂上部空間的形狀為盆形，且氮?dú)馐枪薇诘亩蚊芊庖绯?，受環(huán)境風(fēng)速影響較小，因此在模擬分析時(shí)假設(shè)風(fēng)速為1 m/s。大氣穩(wěn)定度越高，溢出的氮?dú)庠讲灰茁?，造成的事故后果可能?huì)更嚴(yán)重。因此，在模擬分析時(shí)假設(shè)大氣穩(wěn)定度為B級(jí)。

1.4 溢出計(jì)算高度的確定

在氮?dú)庖绯龊螅罱K會(huì)形成水平云狀物，氮?dú)庖绯鲇?jì)算高度是指云羽中心的離地高度。在大多數(shù)情況下,氮?dú)庖绯鲇?jì)算高度會(huì)大于初始溢出高度，為初始溢出高度與提升高度之和。而提升高度會(huì)受到諸多因素的干擾，主要包括：擴(kuò)散氣體的初始速度和方向、初始溫度、泄漏口直徑、環(huán)境風(fēng)速及風(fēng)速隨高度的變化率、環(huán)境溫度以及大氣溫度[12]。本研究采用Wilson管道破裂泄漏經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算提升高度，如式(3)。

式中： ΔH為提升高度，m；d為泄漏截面當(dāng)量直徑，m；Vs為溢出氣體初始速度，m/s；u為環(huán)境風(fēng)速，m/s。

根據(jù)泄漏截面10 m×0.01 m換算成等面積的圓形截面后取d= 0.36 m，按4只噴頭噴出的氮?dú)馊繌男孤┙孛嫱ㄟ^(guò)計(jì)算后取Vs=0.05 m/s，環(huán)境風(fēng)速取u=1 m/s，計(jì)算得到提升高度ΔH=0.043 2 m。

取初始溢出高度H0(即二次密封擋板與罐壁接觸處距浮頂上表面的距離)=0.8 m；溢出計(jì)算高度H=H0+ΔH=0.804 3 m。

1.5 采用Matlab軟件進(jìn)行仿真模擬

根據(jù)式(1)，利用Matlab軟件模擬氮?dú)庖绯鰯U(kuò)散后質(zhì)量濃度分布圖，如圖3所示。

圖3中橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)表示氮?dú)獾綔y(cè)量點(diǎn)的距離，涂色部分表示氮?dú)赓|(zhì)量濃度。

通過(guò)圖3的仿真分析可知，在最不利原則下，泄漏源中心處的氮?dú)赓|(zhì)量濃度最高(975.16 g/m3)；在泄漏源兩端擴(kuò)散過(guò)程中，氮?dú)赓|(zhì)量濃度快速降低；在泄漏源兩端橫向距離10 m和徑向距離1 m的區(qū)域外幾乎無(wú)氮?dú)饩奂?/p>

1.6 安全狀態(tài)評(píng)價(jià)

據(jù)美國(guó)職業(yè)安全與衛(wèi)生署(OSHA)相關(guān)資料，空氣中氧氣含量對(duì)人體影響見(jiàn)表3[14]。氮?dú)庖绯龊髮?duì)人體的影響可按表3分為4個(gè)區(qū)域(見(jiàn)圖4)，即：安全區(qū)(氧氣體積分?jǐn)?shù)≥19.5%)、吸入反應(yīng)區(qū)(損害判斷力，氧氣體積分?jǐn)?shù)為19.5%～17%)、致傷區(qū)(缺氧、肌肉受損、呼吸紊亂，氧氣體積分?jǐn)?shù)為17%～12%)和致死區(qū)(重傷或死亡，氧氣體積分?jǐn)?shù)<10%);其氮?dú)赓|(zhì)量濃度的極限判別值分別為：安全區(qū)為≤922 g/m3、吸入反應(yīng)區(qū)為≤963 g/m3、致傷區(qū)為≤1 032 g/m3、致死區(qū)為≤1 079 g/m3。

表3 空氣中氧氣含量對(duì)人體的影響Table 3 Effect of oxygen content in the air on the human bodyφ(氧氣)/%影響程度φ(氮?dú)?/%ρ(氮?dú)?/(g·m-3)20.9正常氧氣含量78.090519.5安全水平79.592217.0開(kāi)始檢測(cè)對(duì)判斷力的損害82.095116.0初期缺氧癥狀開(kāi)始出現(xiàn)83.096316.0～12.0呼吸頻率及脈率增加,肌肉協(xié)調(diào)能力輕微受損83.0～87.0963～1 00914.0～<10.0意識(shí)持續(xù),情緒低落,用力后出現(xiàn)異常疲憊感,呼吸紊亂85.0～<89.0986～<1 03210.0～6.0惡心及嘔吐,無(wú)法自由活動(dòng),并可能喪失意識(shí)89.0～93.01 032～1 079<6.0身體出現(xiàn)抽搐,氣喘;呼吸停止,若干分鐘后心跳停止>93.0>1 079

根據(jù)圖3的仿真分析結(jié)果，對(duì)照?qǐng)D4氮?dú)庖绯鰯U(kuò)散影響區(qū)，可知大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)在主動(dòng)惰化保護(hù)過(guò)程中不存在致傷區(qū)域和致死區(qū)域，僅在泄漏源兩端橫向距離10 m和徑向距離1 m內(nèi)存在吸入反應(yīng)區(qū)，而其他區(qū)域?qū)θ梭w幾乎無(wú)影響。

2 實(shí)體模型試驗(yàn)

為了更真實(shí)地驗(yàn)證大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下的氮?dú)庖绯鰯U(kuò)散情況，在油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)體模型惰化保護(hù)試驗(yàn)，以觀(guān)察在最不利擴(kuò)散狀態(tài)下二次密封外部空間氧氣含量的變化以及氮?dú)獾臄U(kuò)散情況。

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置按照10×104m3外浮頂石油儲(chǔ)罐周長(zhǎng)的1/12段制作, 弧長(zhǎng)為22 m，模型的一、二次密封空間與真實(shí)油罐同結(jié)構(gòu)、同尺寸(見(jiàn)圖5)，實(shí)體模型的一、二次密封空間安裝了4個(gè)Pt05型專(zhuān)用噴頭和3個(gè)樣氣分析探頭。

2.2 試驗(yàn)方法

采用大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)實(shí)體模型進(jìn)行手動(dòng)惰化保護(hù)，取弧長(zhǎng)4 m的試驗(yàn)段營(yíng)造成最不利條件，即：在二次密封外的空間設(shè)置了密封膜，以減小空氣流動(dòng)對(duì)擴(kuò)散的影響，在二次密封上部距浮頂高度1.7 m處設(shè)置了氮?dú)夥治鎏筋^和氧氣分析探頭(見(jiàn)圖6)。采用大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)上的氣體分析儀檢測(cè)一、二次密封空間內(nèi)氧氣含量，采用實(shí)驗(yàn)段密封膜外部的氣體分析儀測(cè)試氮?dú)夂亢脱鯕夂俊．?dāng)密封空間內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)在20%以上時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)注氮，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，停止注氮，同時(shí)記錄各氣體含量及注入氮?dú)獾睦鄯e流量。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.3.1試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中，密封圈內(nèi)部及外部的氣體含量見(jiàn)表4。

表4 氮?dú)庖绯鲈囼?yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Test data of nitrogen spillage%密封圈內(nèi)φ(氧氣)二次密封外φ(氧氣)二次密封外φ(氮?dú)?備注20.120.878.1818.020.778.2516.020.578.4114.020.478.7013.020.478.6512.020.378.6611.020.178.7510.020.378.739.020.278.748.020.078.80系統(tǒng)運(yùn)行9.020.278.7110.020.278.6711.020.278.7512.020.378.66系統(tǒng)停止 注:氮?dú)饫塾?jì)消耗量為 10.26 m3,注氮時(shí)長(zhǎng)為30 min。

2.3.2試驗(yàn)討論

通過(guò)表4數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)密封空間內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，密封泄漏源外的氧氣體積分?jǐn)?shù)最低為20%。停止注氮后，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為78%～79%，無(wú)明顯積聚現(xiàn)象。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)實(shí)際工作狀態(tài)下，氮?dú)獾男孤?qiáng)度遠(yuǎn)小于仿真分析時(shí)的泄漏強(qiáng)度，對(duì)泄漏源附近的人體安全不會(huì)造成影響。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)罐測(cè)試

大型石油儲(chǔ)罐在增設(shè)了主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)后，一些使用單位對(duì)主動(dòng)防護(hù)過(guò)程中氮?dú)饧坝蜌庖绯龅陌踩匀源嬖趽?dān)憂(yōu)。大連港油品碼頭公司T50和T51油罐已運(yùn)行多年，一次密封結(jié)構(gòu)為機(jī)械密封，罐內(nèi)儲(chǔ)存了輕質(zhì)原油，經(jīng)主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)在線(xiàn)檢測(cè)到密封圈內(nèi)的油氣含量一直高于100%LEL(爆炸下限體積分?jǐn)?shù))。為消除隱患，該公司組織了氣體溢出測(cè)試驗(yàn)證工作。

3.1 測(cè)試方法

在被測(cè)試儲(chǔ)罐上選取6個(gè)氣體溢出情況較為明顯的縫隙作為測(cè)試區(qū)域，以縫隙中心為第1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，以離第1測(cè)試點(diǎn)約0.3 m，等距依次選取第2、3、4、5測(cè)試點(diǎn)(見(jiàn)圖7)。啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)注氮，檢測(cè)人員在浮頂上采用手持式氣體檢測(cè)儀依次測(cè)量各點(diǎn)氧氣含量和可燃?xì)怏w含量，并記錄該點(diǎn)數(shù)值(見(jiàn)表5)，測(cè)試完畢后再停止注氮。

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

3.2.1測(cè)試結(jié)果

各點(diǎn)氧氣與可燃?xì)怏w含量的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

3.2.2測(cè)試分析

通過(guò)表5可看出，氮?dú)饧翱扇細(xì)怏w在距泄漏中心0.3 m范圍外無(wú)集聚；泄漏點(diǎn)中心處溢出的可燃?xì)怏w含量均低于10%LEL，無(wú)火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)；泄漏點(diǎn)中心處的氧氣體積分?jǐn)?shù)為16.1%，除極端情況外，不會(huì)導(dǎo)致人體致傷。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用仿真模擬分析、實(shí)體模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)罐測(cè)試3種方法對(duì)大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)氮?dú)獾囊绯鰯U(kuò)散進(jìn)行了分析和測(cè)試，并對(duì)其安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

表5 油罐T51氣體溢出測(cè)試數(shù)據(jù)Table 5 Test data of tank T51 gas spillage%測(cè)試區(qū)域測(cè)試點(diǎn)1測(cè)試點(diǎn)2測(cè)試點(diǎn)3測(cè)試點(diǎn)4測(cè)試點(diǎn)5φ(氧氣)可燃?xì)?LEL)φ(氧氣)可燃?xì)?LEL)φ(氧氣)可燃?xì)?LEL)φ(氧氣)可燃?xì)?LEL)φ(氧氣)可燃?xì)?LEL)區(qū)域一19.5520.6020.6020.6020.60區(qū)域二16.11220.3020.1020.3020.00區(qū)域三19.2320.6020.4020.6020.60區(qū)域四17.8720.6020.4020.6020.30區(qū)域五17.2620.5020.6020.6020.50區(qū)域六19.8320.6020.5020.6020.30 注:測(cè)試環(huán)境條件為溫度26.4 ℃、濕度57.3%、浮頂中心風(fēng)速3 m/s。

通過(guò)Matlab軟件對(duì)大量氮?dú)庖绯鰯U(kuò)散進(jìn)行了定量分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)不會(huì)給浮頂油罐帶來(lái)致傷區(qū)域和致死區(qū)域，可能會(huì)存在部分人體吸入反應(yīng)區(qū)域，安全風(fēng)險(xiǎn)到達(dá)可以接受的程度。

通過(guò)實(shí)體模型試驗(yàn)測(cè)試了在最不利擴(kuò)散狀態(tài)下的氮?dú)庖绯龊髮?duì)臨近區(qū)域的氧氣含量影響，驗(yàn)證了在大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)工作時(shí)，氮?dú)獾男孤?qiáng)度遠(yuǎn)小于仿真分析時(shí)的泄漏強(qiáng)度，對(duì)泄漏源附近的人體安全不會(huì)造成影響。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)罐測(cè)試結(jié)果表明，在正常工作狀態(tài)下，距泄漏中心0.3 m范圍外無(wú)氮?dú)夂涂扇細(xì)怏w集聚現(xiàn)象。

多種分析結(jié)果表明，大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)在采用氮?dú)膺M(jìn)行主動(dòng)防護(hù)過(guò)程中，不會(huì)使儲(chǔ)罐產(chǎn)生新的危險(xiǎn)區(qū)域。由于該系統(tǒng)采用了在線(xiàn)氣體分析系統(tǒng)與主動(dòng)惰化保護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合的閉環(huán)控制方式，只是在檢測(cè)到密封圈內(nèi)部的氧氣和可燃?xì)怏w混合物處于爆炸臨界狀態(tài)時(shí)才啟動(dòng)注氮保護(hù)，當(dāng)爆炸臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)換為安全狀態(tài)后就停止注氮保護(hù)，注氮持續(xù)時(shí)間短。因此，不會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐浮頂?shù)獨(dú)饣蚩扇細(xì)怏w聚集現(xiàn)象。

大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)除了通過(guò)在線(xiàn)氣體分析對(duì)氮?dú)庾⑷肓髁窟M(jìn)行閉環(huán)控制外，還設(shè)置了氮?dú)庾⑷霑r(shí)間、氮?dú)饬髁考暗獨(dú)鈮毫Φ膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，確保密封圈內(nèi)可燃?xì)怏w的含量處于爆炸下限以下。如果出現(xiàn)氮?dú)庾⑷肓髁渴Э氐臉O端情況，一方面密封圈內(nèi)可燃?xì)怏w和氧氣將會(huì)被迅速置換，消除了儲(chǔ)罐密封圈火災(zāi)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面系統(tǒng)會(huì)發(fā)出現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警信號(hào)和遠(yuǎn)程報(bào)警信號(hào)，操作人員可以分別在浮盤(pán)上、油罐頂平臺(tái)、防護(hù)裝置內(nèi)部、遠(yuǎn)程控制中心等多個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)緊急切斷，多種應(yīng)急處置方式確保了系統(tǒng)注氮區(qū)域操作人員的人身安全。

大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)創(chuàng)建了外浮頂油罐安全運(yùn)行的新模式，將傳統(tǒng)的事后滅火搶險(xiǎn)轉(zhuǎn)換為事前主動(dòng)預(yù)防，填補(bǔ)了油氣防火抑爆技術(shù)領(lǐng)域的重要空白,先進(jìn)的技術(shù)手段保證了系統(tǒng)的實(shí)用性和安全性。

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