原油儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散影響因素分析

張偉鵬

(中油北京銷售有限公司，北京 100101)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)油庫(kù)的單罐庫(kù)容和總庫(kù)容量均在不斷提高。截止到2018年底，國(guó)內(nèi)原油和成品油庫(kù)總量為9.82×107m3，油庫(kù)的大型化將成為今后的發(fā)展趨勢(shì)。由于單罐庫(kù)容越來(lái)越大，一旦發(fā)生油品泄漏，會(huì)發(fā)生重大的火災(zāi)爆炸事故[1-2]。目前，針對(duì)儲(chǔ)罐的火災(zāi)爆炸研究主要集中在室內(nèi)試驗(yàn)和模擬分析。魏東等[3]通過(guò)對(duì)三種不同直徑的儲(chǔ)罐進(jìn)行火災(zāi)燃燒試驗(yàn)，建立了穩(wěn)定的熱輻射模型，并根據(jù)熱通量準(zhǔn)則，預(yù)測(cè)了不同條件下的熱輻射規(guī)律；劉志勇[4]通過(guò)修正了池火災(zāi)的傷害機(jī)理，研究了不同因素對(duì)熱輻射通量的影響；趙承建等[5]利用軟件模擬和計(jì)算了儲(chǔ)罐發(fā)生池火災(zāi)時(shí)造成的熱輻射情況，得到了實(shí)際工況中儲(chǔ)罐的安全防火間距，具有一定的實(shí)際意義。綜上所述，科研人員研究了儲(chǔ)罐火災(zāi)爆炸的危害，但缺乏對(duì)各因素影響程度的定量分析，對(duì)主導(dǎo)因素的分析也較少。

因此，采用PHAST軟件模擬分析了儲(chǔ)罐的池火災(zāi)和蒸氣云爆炸事故后果，分析不同條件下的傷害范圍，并對(duì)數(shù)據(jù)采用綜合評(píng)價(jià)中的灰色關(guān)聯(lián)分析，得到影響傷害范圍的主導(dǎo)因素，以期為油氣站場(chǎng)內(nèi)的操作人員提供安全撤離的參考。

1 數(shù)學(xué)模型

儲(chǔ)罐泄漏后的形式主要有池火災(zāi)和蒸氣云爆炸兩種，池火災(zāi)產(chǎn)生的危害主要有熱輻射，當(dāng)目標(biāo)接收到的熱輻射通量超過(guò)引起目標(biāo)破壞的臨界值時(shí)，目標(biāo)被摧毀；蒸氣云爆炸的危害來(lái)自于由內(nèi)向外釋放的能量，以沖擊波、拋射物和壓力容器殘余變形三種形式表現(xiàn)，其中沖擊波占比較大，沖擊波的破壞作用由超壓值定量體現(xiàn)，不同的超壓值對(duì)建筑物和人體均有一定傷害[6-7]。

1.1 池火災(zāi)模型

PHAST軟件內(nèi)置了多種熱輻射通量的計(jì)算模型，在此選用點(diǎn)源模型進(jìn)行計(jì)算[8]。點(diǎn)源模型是假設(shè)熱量集中在液池軸線火焰的中心位置，并由此向外輻射熱量，則目標(biāo)接收到的熱輻射通量I為

(1)

式中：I——目標(biāo)接受到的熱輻射通量，kW/m2；K——大氣傳遞系數(shù)，量綱一的量；Q——火焰釋放速率，kW；R——目標(biāo)距離火焰中心點(diǎn)的距離，m。

采用Heskestad公式計(jì)算火焰高度H：

(2)

式中：D——液池流淌半徑，m；dS/dt——單位面積燃燒速度，kg/(m2·s)；ρ0——周圍空氣密度，kg/m3；g——重力加速度，9.8 m/s2。

1.2 蒸氣云爆炸模型

當(dāng)泄漏原油蒸氣經(jīng)過(guò)擴(kuò)散后，遇火點(diǎn)燃會(huì)形成蒸氣云，當(dāng)游離云團(tuán)處于低速燃燒時(shí)，云團(tuán)內(nèi)的壓力一般不超過(guò)5 kPa，不會(huì)對(duì)人造成傷害，但油庫(kù)往往布局緊湊，在狹小的空間內(nèi)，壓力值迅速上升。PHAST軟件內(nèi)置了TNT當(dāng)量模型、Baker-Strehlow模型和TNO multi-energy模型[9]，由于后兩種模型較為復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間也較長(zhǎng)，在此采用TNT當(dāng)量模型進(jìn)行計(jì)算。TNT當(dāng)量模型是將蒸氣云爆炸所產(chǎn)生的能量以當(dāng)量TNT的模式表現(xiàn)出來(lái)，公式如下：

(3)

式中：ηf——爆炸效率系數(shù)，在此取0.04；mf——泄漏油品的質(zhì)量，kg；Qf——泄漏油品的熱值，取低位熱值計(jì)算，MJ/kg；QTNT——TNT炸藥爆炸時(shí)的熱值，取4.56 MJ/kg。

2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證PHAST軟件所選模型的有效性，對(duì)比文獻(xiàn)[3]中的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，文獻(xiàn)中環(huán)境溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為50%，油罐直徑為2.7 m，泄漏點(diǎn)距離地面高度為0.4 m，得到池火災(zāi)對(duì)應(yīng)不同熱輻射的傷害距離l，熱輻射通量對(duì)比如圖1所示；蒸氣云爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓則采用the Kingerey and Bulmash經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行核算，超壓值p超壓對(duì)比如圖2所示。經(jīng)過(guò)對(duì)比，得到模型結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式擬合度較好，比試驗(yàn)值略大，主要是文獻(xiàn)[3]中的試驗(yàn)為工業(yè)級(jí)別，試驗(yàn)采用了雙爆破安全閥裝置使泄漏短管的沿程壓力分布不均勻，造成一定誤差，但誤差處于可控范圍內(nèi)，證明PHAST軟件所選模型可以進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

圖1 熱輻射強(qiáng)度值對(duì)比示意

圖2 p超壓對(duì)比示意

3 結(jié)果與討論

3.1 泄漏孔徑

自定義原油泄漏源模型，在風(fēng)速為2 m/s，大氣穩(wěn)定度為C的條件下，對(duì)容積為5×103m3的原油儲(chǔ)罐進(jìn)行泄漏模擬，對(duì)于池火災(zāi)熱輻射，主要模擬熱輻射通量為4 kW/m2時(shí)，火災(zāi)輕傷對(duì)應(yīng)的順風(fēng)風(fēng)向半軸距離；對(duì)于蒸氣云爆炸，主要模擬超壓13 kPa 時(shí)，爆炸輕傷對(duì)應(yīng)的順風(fēng)風(fēng)向半軸距離。按照API581《基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)》中對(duì)原油儲(chǔ)罐通用失效概率中定義的泄漏孔直徑50，100，150，200，300 mm進(jìn)行模擬，不同泄漏孔直徑對(duì)輕傷的傷害距離如圖3所示。隨著泄漏孔直徑的增加，火災(zāi)輕傷的傷害距離呈直線上升，爆炸輕傷的傷害距離在泄漏口直徑較小時(shí)變化不大，超過(guò)150 mm后呈直線上升，證明蒸氣云的傷害距離存在一個(gè)臨界泄漏孔直徑。但總體而言，在其他參數(shù)不變的情況下，泄漏孔徑的增加，泄漏量也增大，傷害距離增加。

圖3 不同d對(duì)輕傷的l示意

3.2 泄漏點(diǎn)離地高度

在風(fēng)速為2 m/s，大氣穩(wěn)定度為C的條件下，對(duì)泄漏點(diǎn)離地高度h為1，2，3，4，5 m進(jìn)行模擬，不同泄漏點(diǎn)離地高度對(duì)輕傷的傷害距離如圖4所示。隨著泄漏點(diǎn)離地高度的增加，火災(zāi)輕傷的傷害距離呈緩慢上升趨勢(shì)，離地高度從1 m到5 m，傷害距離僅從23.52 m上升到了34.67 m，上升幅度不大；爆炸輕傷的傷害距離呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在離地高度為3 m時(shí)，傷害距離達(dá)到最大值。

圖4 不同h對(duì)輕傷的l示意

3.3 風(fēng) 速

原油儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏后，事故的大小和發(fā)展趨勢(shì)與當(dāng)?shù)氐拇髿鈼l件關(guān)聯(lián)度較大，因此在大氣穩(wěn)定度C的條件下，對(duì)風(fēng)速2，4，6，8，10 m/s進(jìn)行模擬，不同風(fēng)速對(duì)輕傷的傷害距離如圖5所示。隨著風(fēng)速的增加，火災(zāi)輕傷的傷害距離不斷增大，這是由于在高風(fēng)速條件下，有利于池火災(zāi)的火焰向順風(fēng)風(fēng)向偏移；爆炸輕傷的傷害距離先大幅降低隨后變化平穩(wěn)，這是由于高風(fēng)速有利于稀釋泄漏出來(lái)的油品蒸氣的濃度，同時(shí)高風(fēng)速條件下的湍流作用加速了云團(tuán)與周圍空氣之間的熱交換，冷空氣上浮，蒸氣云密度和濃度下降，傷害距離大幅降低，但隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增加，擴(kuò)散過(guò)程由空氣卷吸轉(zhuǎn)為被動(dòng)擴(kuò)散階段，大氣湍流作用減弱，傷害距離下降的幅度減緩。

圖5 不同v風(fēng)對(duì)輕傷的l示意

3.4 大氣穩(wěn)定度

Pasquill-Gifford根據(jù)白天光照輻射的強(qiáng)度和夜晚云層的覆蓋程度劃分了大氣穩(wěn)定度，A為非常不穩(wěn)定，B為不穩(wěn)定，C為中等不穩(wěn)定，D為中等，E為中等穩(wěn)定，F(xiàn)為非常穩(wěn)定。因此，按照A～F大氣穩(wěn)定度等級(jí)進(jìn)行模擬，不同大氣穩(wěn)定度對(duì)輕傷的傷害距離如圖6所示。隨著大氣穩(wěn)定度等級(jí)的提高，對(duì)火災(zāi)輕傷的傷害距離幾乎沒(méi)有影響，因此可以忽略大氣穩(wěn)定度對(duì)池火災(zāi)的影響；對(duì)爆炸輕傷的傷害距離呈上升趨勢(shì)，證明穩(wěn)定的大氣對(duì)蒸氣云的擴(kuò)散有促進(jìn)作用。

圖6 不同大氣穩(wěn)定度對(duì)輕傷的l示意

3.5 空氣濕度

在風(fēng)速2 m/s，大氣穩(wěn)定度為C的條件下，對(duì)空氣濕度20%，40%，60%，80%進(jìn)行模擬，不同空氣濕度對(duì)輕傷的傷害距離如圖7所示。隨著空氣濕度的增加，火災(zāi)輕傷的傷害距離略有降低，爆炸輕傷的傷害距離基本不變，證明空氣濕度對(duì)池火災(zāi)有輕微抑制作用。

圖7 不同空氣濕度對(duì)輕傷的l示意

4 灰色關(guān)聯(lián)分析

為了明確不同因素對(duì)池火災(zāi)和蒸氣云爆炸傷害距離的影響程度，采用灰色關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，將傷害距離作為參考序列，泄漏孔徑、泄漏點(diǎn)離地高度、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、空氣濕度作為比較序列，利用前面的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，隨后求出各比較序列的差序列和關(guān)聯(lián)系數(shù)，最后對(duì)關(guān)聯(lián)系數(shù)取平均值后得到每個(gè)因素和傷害距離的關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度越大，表明對(duì)傷害距離的影響越大，綜合關(guān)聯(lián)度見(jiàn)表1所列。

表1 綜合關(guān)聯(lián)度

由表1可知，對(duì)池火災(zāi)輕傷傷害距離的影響因素為： 泄漏孔徑>泄漏點(diǎn)離地高度>風(fēng)速>空氣濕度>大氣穩(wěn)定度；對(duì)蒸氣云爆炸輕傷傷害距離的影響因素為： 泄漏孔徑>風(fēng)速>泄漏點(diǎn)離地高度>空氣濕度>大氣穩(wěn)定度。總之，對(duì)于初始條件，泄漏孔徑的影響程度比泄漏點(diǎn)離地高度更大；對(duì)于外部條件，風(fēng)速的影響程度比大氣穩(wěn)定度和空氣濕度更大。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)池火災(zāi)輕傷傷害距離隨著泄漏孔徑、泄漏點(diǎn)離地高度、風(fēng)速的增加而增大，隨空氣濕度的增加而略微減小，隨大氣穩(wěn)定度基本不變。

2)蒸氣云爆炸輕傷傷害距離隨泄漏孔徑、大氣穩(wěn)定度的增加而增大，隨泄漏點(diǎn)離地高度的增加先增大后減小，隨風(fēng)速的增加而減小，受空氣濕度的影響不大。

3)對(duì)不同因素的影響程度進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)分析，對(duì)于初始條件，泄漏孔徑的影響程度比泄漏點(diǎn)離地高度更大；對(duì)于外部條件，風(fēng)速的影響程度比大氣穩(wěn)定度和空氣濕度更大。