應用計算流體動力學模擬液化氣裝卸站的爆炸影響

權 紅 旗

(中國石油化工股份有限公司煉油事業(yè)部，北京 100728)

石化企業(yè)液化氣通常通過槽車運輸。受歷史原因影響，部分企業(yè)在用的液化氣汽車裝卸區(qū)域，構筑物設計主要滿足石化企業(yè)防火設計規(guī)范(GB 50160)防火標準要求，對防爆要求考慮不夠。液化氣汽車裝卸區(qū)域如果發(fā)生爆炸事故，往往會波及周圍的控制室、值班室和配電室等建筑物，極有可能造成部分非防爆設計的建筑物嚴重破壞，從而造成群死群傷等次生事故[1-2]。傳統(tǒng)的可燃氣體爆炸評估方法，包括TNT當量法、Baker-Strehlow模型、TNO多能量法等，僅基于簡單的經驗式進行爆炸能力的評估，對于設備管道密集、危險物品繁多的液化氣裝卸區(qū)，爆炸近場預測和空間預測等方面更顯不足[3-4]?；鹧婕铀倌M器(FLACS)是三維計算流體動力學(CFD)氣體流通與擴散、蒸氣爆炸和爆破過程模擬仿真工具，在化工領域有著廣泛應用[5-7]。本研究采用CFD模擬技術，對某企業(yè)液化氣裝卸區(qū)進行泄漏爆炸事故模擬，對現有控制室進行爆炸荷載作用下的損壞程度進行分析，提出優(yōu)化裝卸區(qū)平面布局、控制室抗爆改造設計以及應急響應方面提出相應建議。

1 模型構建

某企業(yè)液化氣汽車裝卸臺共有8臺汽車裝車鶴位，汽車充裝車輛單臺容積為156 m3(16.5 m×2.5 m×3.8 m)。裝卸區(qū)有一處供車輛停靠的停車場(65 m×104 m)，可同時停放車輛30輛。裝卸臺的主要建筑物包括控制室、門衛(wèi)室，一座丙烯變電站等。裝卸臺位于控制室西側約56 m；停車場位于控制室北側并與控制室緊鄰，停車位與控制室最小距離約5 m；丙烯變電站距離裝卸臺41 m。裝卸臺東側民房距離裝卸臺140 m。參照現場實際情況，利用FLACS前處理軟件CASD建立液化氣汽車裝卸區(qū)全尺寸三維物理模型，如圖1所示。

圖1 液化氣汽車裝車臺三維模型

2 模擬計算

模擬場景：液化氣汽車裝卸臺在裝卸過程中，鶴管與槽車接口泄漏，泄漏出的液化氣形成蒸氣云團隨北風飄到停車場上方，遇到點火源發(fā)生爆炸。本研究主要考察爆炸對周圍建筑物的影響。

2.1 鶴管與槽車接口泄漏

該裝車臺主使用的鶴管為下裝式鶴管，鶴管直徑選用DN50，裝車過程中，需要人工操作將鶴管與槽車液相管對接后充裝。在使用過程中，由于人為因素和設備質量等問題，裝卸過程中容易發(fā)生鶴管接口與罐車未可靠連接導致液化氣泄漏事故。以鶴管直徑作為泄漏孔徑，取丙烷作為模擬計算介質，得到液化氣泄漏速率為59.72 kgs，該速率下不同事故場景(西南風或北風)下最大等效化學當量比濃度云團體積(Q9)隨泄漏時間的變化如圖2所示。

圖2 不同場景下Q9隨泄漏時間的變化

由液化氣泄漏擴散模擬結果可知，裝卸臂接口脫落后液化氣大量泄漏并急劇閃蒸汽化，泄漏時間為3 min時，西南風時最大泄漏量即能達到73 606 m3，北風情況下即可達到84 450 m3，泄漏氣云團擴散范圍已可覆蓋整個停車場。

2.2 停車場不同地點爆炸的影響

以泄漏的蒸氣云覆蓋整個停車場，氣體云團體積為77 520 m3，停車場車輛為30輛，點火源位置分別為氣體云團的南側、北側及中心部位來考察不同地點爆炸的影響。停車場區(qū)域氣云點火點示意見圖3。

圖3 停車場區(qū)域氣云點火點示意

計算過程共設置了約200個監(jiān)測點，分別布置在裝車臺內的關鍵場所及區(qū)域內，用于監(jiān)測該區(qū)域范圍內的爆炸超壓及爆炸沖擊對控制室、變電站和居民樓的影響。

停車場中心點火時爆炸沖擊波傳播過程模擬圖見圖4。由圖4可以看出：中心點火時控制室處和丙烯變電站處最大爆炸超壓分別為37.4 kPa和4 kPa。

圖4 停車場中心點火時爆炸沖擊波傳播示意

南側點火時控制室處和丙烯變電站處最大爆炸超壓分別為20.2 kPa和2.3 kPa；北側點火時控制室處和丙烯變電站處最大爆炸超壓分別為23.9 kPa和8.6 kPa。中心點火時控制室處最大爆炸超壓最大，北側點火時丙烯變電站峰值超壓最大。相比于控制室，由于丙烯變電站距離爆炸源較遠，其最大爆炸超壓顯著降低。根據同樣的方法，計算出西側點火時居民樓處最大爆炸超壓最大，為11.2 kPa。

2.3 建筑物損壞程度分析

文獻[8]給出了不同爆炸超壓下各類型建筑物的受損程度，如表1所示。其中：A類建筑物為鋼結構廠房等鋼框架、輕鋼護結構建筑物；B類建筑物為未配筋砌體墻建筑物；C類建筑物為鋼結構或混凝土框架，未配筋砌體填充墻建筑物；D類建筑物為鋼筋混凝土或配筋砌體剪力墻建筑物。由表1可以看出，對于混凝土框架、未配筋砌體填充墻建筑物，爆炸產生的峰值超壓超過20 kPa時，框架即發(fā)生倒塌，峰值超壓達到34.5 kPa時，整個建筑物會完全坍塌，從而對建筑物內的人員和設施造成嚴重傷害。對比中心點爆炸的模擬計算結果，可以看出：采用鋼筋混凝土或配筋砌體剪力墻建筑物的控制室，在發(fā)生停車場蒸氣云中心爆炸時，能造成屋面及墻體變形，內部墻體被破壞；采用混凝土框架、未配筋砌體填充墻建筑物時，則會造成建筑物完全坍塌，后果非常嚴重。對于民房建筑，西側發(fā)生爆炸時，也可能造成墻體坍塌，甚至造成完全坍塌的嚴重后果。

表1 不同類型建筑物在不同爆炸超壓下的損壞程度

2.4 停車數量與爆炸超壓的關系

在上述條件不變的情況下，分別考慮停車場停車數量不同時，槽車發(fā)生沸騰液體蒸氣云爆炸的影響。計算過程共設置了54個監(jiān)測點，布置在裝車臺控制室區(qū)域內，用于監(jiān)測該區(qū)域范圍內的爆炸超壓及爆炸沖擊。模擬計算結果見圖5。由圖5可以看出，同時停放車輛與爆炸超壓呈線性關系，隨著同時停車數量的減少，控制室處爆炸超壓顯著下降，從37.4 kPa(30輛車)減小到9.0 kPa(5輛車)?？扇細怏w組成、濃度、阻塞度、氣云大小是影響蒸氣云爆炸的主要因素[9]，在其他條件不變的情況下，減少停車數量，也就是減少了氣云內部阻塞程度，能有效降低氣體爆炸超壓。因此減少停車場槽車數量，可降低液化氣蒸氣云爆炸后果嚴重程度。

圖5 停車數量與控制室處爆炸超壓關系曲線

裝有液化氣的槽車在外部火災的長時間烘烤下，極有可能發(fā)生沸騰液體爆炸事故，無論是在液化氣裝卸區(qū)還是停車區(qū)，都會造成災難性的后果。2017年某石化公司“6.5”重大爆炸著火事故[1]，裝卸區(qū)內液化氣罐車相繼被引爆，事故造成企業(yè)內外500 m范圍內的建筑物及其門窗不同程度損壞，其中控制室、機柜間、配電室、辦公室、化驗室、值班室、倉庫等廠區(qū)內建筑物墻體斷裂或坍塌，裝卸區(qū)夷為平地，水泥地面被燒成琉璃狀，車輛鋁合金輪轂被熔融；事故罐車及周邊多臺車輛完全解體，裝卸設施、廠內管廊、壓縮機等設備設施變形燒毀，裝置設備外保溫全部撕開、懸掛。受運輸罐車罐體爆炸飛出的殘片、殘骸、飛火等影響，距離裝卸區(qū)爆炸中心160 m處1臺1 000 m3液化氣球罐坍塌、180 m處3臺停運的液化氣運輸半掛車燒毀、205 m處5 000 m3消防水罐砸壞、312 m處2臺2 000 m3異辛烷儲罐燒毀、6臺1 000 m3液化氣球罐全部過火。除此之外，周邊500 m以外的建筑物也受到爆炸沖擊波的影響?？梢钥闯鲆夯瘹獠圮嚢l(fā)生沸騰液體蒸氣云爆炸后的影響范圍之大、后果之嚴重。

3 結 論

(1)液化氣停車場在設計布局時，應充分考慮防爆設計的要求，特別是一些建設年代較早、周圍環(huán)境復雜的裝卸臺，應通過計算、評估后，確定安全距離和建筑物的設計標準。

(2)蒸氣云爆炸超壓不僅與蒸氣云組成、濃度等化學特性相關，氣云覆蓋區(qū)域的堵塞程度、點火源位置也是影響蒸氣云爆炸威力的重要因素。

(3)車輛與控制室處爆炸超壓呈線性關系，隨著同時停車數量的減少，控制室處爆炸超壓顯著下降，從37.4 kPa減小到9 kPa。因此減少同時停車數量，可降低液化氣蒸氣云爆炸后果的嚴重程度，設計時應盡量將停車場設置在裝卸區(qū)域外。

(4)沸騰液體蒸氣云爆炸現象的危害是災難性的，企業(yè)要在設計和管理上充分考慮應急措施，確保發(fā)生事故時人員迅速撤離。