基于數(shù)值模擬的儲(chǔ)罐事故影響后果分析

李鵬

摘要：作為天然氣供應(yīng)安全穩(wěn)定的重要設(shè)施，地下儲(chǔ)氣庫(kù)站場(chǎng)存在地面裝置壓力高，對(duì)于安全性的要求很高。針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)罐可能發(fā)生的各種事故及后果，利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了擴(kuò)散、火災(zāi)輻射熱、點(diǎn)火爆炸的后果計(jì)算，通過模擬計(jì)算得出不同事故的影響范圍，有利于工程設(shè)計(jì)綜合考慮設(shè)施設(shè)計(jì)、平面布局等安全措施，對(duì)于已建設(shè)施有利于運(yùn)營(yíng)單位直觀了解事故后果危害，進(jìn)而采取相應(yīng)安全對(duì)策措施。

關(guān)鍵詞：地下儲(chǔ)氣庫(kù);數(shù)值模擬;事故;泄漏;火災(zāi);爆炸

1?地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)罐概況及危險(xiǎn)性分析

根據(jù)采出氣組份、處理工藝和提高裝置收益等各類需要，油氣藏地下儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)置的儲(chǔ)罐主要有凝析油儲(chǔ)罐、輕烴儲(chǔ)罐、甲醇儲(chǔ)罐、乙二醇儲(chǔ)罐等。儲(chǔ)氣庫(kù)氣井井流物存儲(chǔ)在地下，由于地下溫度高，很多重組分大都以氣態(tài)形式存在，隨著地面的開采，井流物被開采至地面的過程中，溫度逐漸降低，重組分逐漸析出，成液態(tài)，稱之為凝析油，在進(jìn)一步處理和初加工過程中（比如降溫），從天然氣中析出的液體烴類混合物稱之為輕烴。甲醇乙二醇一般常規(guī)儲(chǔ)量較小，本文僅考慮儲(chǔ)量較大的輕烴和凝析油，且兩者性質(zhì)相近，以輕烴作為典型案例進(jìn)行研究。

根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品名錄》（2013年完整版）、《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50160-2008），地下儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)罐主要介質(zhì)危險(xiǎn)特性見表1所示。

從以上主要介質(zhì)危險(xiǎn)特性可知，地下儲(chǔ)氣庫(kù)站內(nèi)的可燃物質(zhì)火災(zāi)危險(xiǎn)性而言，氣體類屬于易燃?xì)怏w，甲類火災(zāi)危險(xiǎn)物質(zhì);液體類，包括了低閃點(diǎn)、中閃點(diǎn)的易燃液體，屬于甲類火災(zāi)危險(xiǎn)物質(zhì)，就站內(nèi)的生產(chǎn)過程火災(zāi)危險(xiǎn)性而言，屬于甲類火災(zāi)危險(xiǎn)性。

2?事故原因及后果分析流程

根據(jù)對(duì)大量典型泄漏事故的調(diào)查，儲(chǔ)氣庫(kù)各介質(zhì)儲(chǔ)罐周邊出事故可能發(fā)生的原因有：

（1）管線泄漏

管線泄漏沒有時(shí)間規(guī)律，往往由于管道焊接質(zhì)量問題或管材本身質(zhì)量問題導(dǎo)致管線凸緣、異徑接口、彎管、連接處等位置發(fā)生泄漏。

（2）閥門、法蘭泄漏

各種閥門、連接法蘭、泵的密封填料、活塞的堵塞等設(shè)備及部件發(fā)生泄漏，多數(shù)情況下導(dǎo)致是氣體的緩慢小量的泄漏。

（3）儲(chǔ)罐泄漏

大多發(fā)生在管線與罐體相接處，如進(jìn)出口、連通管口、注水口、脫水口、溫度計(jì)口等，由于組焊質(zhì)量或銹蝕等問題發(fā)生泄漏。

（4）人為誤操作

由于人工操作失誤導(dǎo)致充裝冒頂、閥門誤開等問題導(dǎo)致介質(zhì)泄漏。

在地下儲(chǔ)氣庫(kù)工程中，一旦發(fā)生泄漏事件，可能引起池火、爆炸、閃火、噴射火等。

3?后果模擬與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

下面以儲(chǔ)氣庫(kù)為例進(jìn)行火災(zāi)爆炸后果模擬與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并對(duì)其后果影響范圍進(jìn)行分析，以便進(jìn)一步提出安全的事故控制措施。

3.1 后果危害評(píng)定準(zhǔn)則

（1）擴(kuò)散

對(duì)液化石油氣的事故評(píng)定，一般有通風(fēng)條件的非危險(xiǎn)性建筑要求氣體擴(kuò)散濃度不能超過爆炸下限的50%（50% LEL）。本文考慮1/2 的爆炸下限（50%LEL）、爆炸下限（LEL）和爆炸上限（UEL）3個(gè)濃度等級(jí)。

（2）熱輻射

熱輻射對(duì)人體的影響與熱輻射強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間及人的年齡、性別、皮膚暴露程度、身體健康狀況有關(guān);熱輻射對(duì)設(shè)備的影響與破壞取決于作用時(shí)間的長(zhǎng)短。當(dāng)目標(biāo)接受到的熱通量大于或等于引起目標(biāo)破壞所需的臨界熱通量時(shí)，目標(biāo)被破壞;否則，目標(biāo)不被破壞。

（3）爆炸超壓

爆炸事故計(jì)算遵循沖擊波超壓傷害破壞準(zhǔn)則，主要選取3 種超壓情形，分別得出每種沖擊波超壓造成影響的距離范圍，為爆炸事故防護(hù)和應(yīng)急提供參考數(shù)據(jù)，分別是：① 0.02-0.03MPa（0.2068 bar）情形下，沖擊波超壓對(duì)人體造成傷害，可能造成建筑物墻壁裂縫或窗框損壞;② 0.006-0.015 MPa（0.1379 bar）超壓情形下，造成受壓面的門窗玻璃大部分破損，對(duì)人員傷害不大;③ 0.02068 bar 超壓影響范圍較大，可能造成玻璃窗破壞，但對(duì)人基本無(wú)傷害。

3.2 儲(chǔ)罐泄露影響區(qū)域計(jì)算

儲(chǔ)罐發(fā)生泄露后，如果沒有接觸到火源，則由于與空氣之間的換熱發(fā)生閃蒸無(wú)法點(diǎn)燃，氣象擴(kuò)散與空氣混合形成蒸汽云擴(kuò)散。利用PHAST模擬得到的儲(chǔ)罐泄露擴(kuò)散濃度范圍表如表2所示。

3.3 儲(chǔ)罐泄露火災(zāi)熱輻射區(qū)域計(jì)算

儲(chǔ)罐發(fā)生泄露閃蒸后，若遇到點(diǎn)火源極易發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)的熱輻射可能造成人員傷害或死亡，經(jīng)模擬計(jì)算儲(chǔ)罐泄露火災(zāi)輻射影響范圍表如表3所示。

3.4 儲(chǔ)罐泄露產(chǎn)生爆炸超壓區(qū)域計(jì)算

輕烴泄漏發(fā)生閃蒸后形成的可燃?xì)怏w與空氣混合形成蒸氣云擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程遇點(diǎn)火源，達(dá)到一定濃度范圍時(shí)，極容易形成爆炸。爆炸的傷害主要和爆炸超壓相關(guān)。PHAST 模擬儲(chǔ)罐泄漏導(dǎo)致爆炸超壓影響范圍表如表4所示。

4?結(jié)論及事故控制措施

經(jīng)過以上事故分析及模擬計(jì)算，可以看出，在儲(chǔ)氣庫(kù)罐區(qū)中從小孔泄漏到儲(chǔ)罐災(zāi)難性破裂，造成擴(kuò)散至1/2爆炸極限的距離最小為102.52m，最大為916.1m;火災(zāi)輻射熱造成死亡的距離最小為50.41m，最大為85.32m;擴(kuò)散與點(diǎn)火發(fā)生爆炸因沖擊波造成死亡的距離最小為117.14m，最大為1060.61m。從以上距離可以看出，儲(chǔ)罐一旦發(fā)生泄露、點(diǎn)火熱輻射、點(diǎn)火爆炸造成的范圍均很大，易造成站場(chǎng)內(nèi)操作人員的傷亡事故，造成的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)影響均極大。根據(jù)事故發(fā)展的流程可以看出，要保證儲(chǔ)氣庫(kù)各類介質(zhì)儲(chǔ)罐的安全水平，必須從防止儲(chǔ)罐泄露、點(diǎn)火源和安全間距控制三方面入手。

（1）儲(chǔ)罐泄露控制

制定完備的巡檢、檢查保養(yǎng)作業(yè)程序，定期對(duì)相關(guān)設(shè)施進(jìn)行檢查維護(hù);

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果或規(guī)范等制定完備的應(yīng)急預(yù)案，一旦發(fā)生事故根據(jù)應(yīng)急預(yù)案控制并消滅事故。

結(jié)合介質(zhì)性質(zhì)、風(fēng)向等因素合理設(shè)置可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警儀等監(jiān)控裝置并進(jìn)行定期檢測(cè)維護(hù)，在泄露事故初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)防止事故擴(kuò)大化。

（2）點(diǎn)火源控制

相關(guān)電氣設(shè)備采用防爆型并定期維護(hù)保養(yǎng);嚴(yán)格控制火種及可能產(chǎn)生火源的裝置設(shè)備進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)域;動(dòng)火作業(yè)嚴(yán)格制定作業(yè)程序并采取有效防范措施;嚴(yán)禁生產(chǎn)維護(hù)中不規(guī)范作業(yè)，例如敲打、拋擲設(shè)備等;防雷防靜電設(shè)備定期檢查維護(hù)等。

（3）安全間距控制

嚴(yán)格按照GB50183《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》等相關(guān)防火規(guī)范和法律法規(guī)的要求設(shè)置儲(chǔ)罐與其他設(shè)備設(shè)施和辦公場(chǎng)所的安全間距及方位，并考慮定量模擬后果影響距離等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《危險(xiǎn)化學(xué)品名錄》（2013年完整版）;

[2] 《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50160-2008）;

[3] 《甲醇儲(chǔ)罐泄漏事故后果模擬與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估》廣東化工，第41卷第16期;

[4] 《集輸場(chǎng)站量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)癥用研究》長(zhǎng)江大學(xué)，2 012，王明鳳;

[5] 《儲(chǔ)罐區(qū)重大火災(zāi)事故后果分析》內(nèi)蒙古石油化工，2014年第16期。