基于風(fēng)險的控制室抗爆評估及工程應(yīng)用*

吳 巖，凌曉東，滕 瀟，張 英，王 達

(1.中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司，北京 102104 2.中石化安全工程研究院有限公司化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266104 3.中石化國家石化項目風(fēng)險評估技術(shù)中心有限公司，山東青島 266104) 4.中國化學(xué)品安全協(xié)會，北京 100711)

0 前言

可燃氣體泄漏與空氣混合形成的可燃氣云遇點火源后易發(fā)生爆炸事故，對人員、設(shè)備、環(huán)境等造成嚴重危害，為了保護工作人員的安全，石化企業(yè)人員集中場所一般會設(shè)置較大的防護距離。若設(shè)施布置不合理，一旦發(fā)生事故可能導(dǎo)致群死群傷，如：2016年湖北某地高壓蒸汽管道爆裂，中央控制室21人死亡；2015年揚子某公司環(huán)氧乙烷精制塔爆炸，造成環(huán)氧乙烷精制塔嚴重損壞，1人輕傷；2005年BP德克薩斯煉油廠易燃蒸氣云爆炸火災(zāi)，16人死亡、170人受傷；1974年英國弗利克斯堡大爆炸，建筑物內(nèi)28人死亡[1-5]等多起事故。

國外如Exxon Mobile、BASF、SW等各大石油公司均基于API752—2009《過程工廠永久性建筑物危害管理》標準建立了石油化工廠內(nèi)相關(guān)的建筑物安全抗爆標準。Exxon Mobile制訂了有關(guān)人員密集場所建筑物分類與可燃蒸氣云(VCE)爆炸源強度分類相對應(yīng)的建筑物抗爆設(shè)計標準，BASF也制訂了爆炸源分類與不同人員密集度的建筑物相對應(yīng)的建筑物加強設(shè)計要求。在這兩個公司的標準和要求中規(guī)定，如果人員密集性建筑物為非加強型，則與VCE爆炸源的安全距離均應(yīng)大于200 m。美國化學(xué)工業(yè)協(xié)會發(fā)布的SG-22《化工裝置新建控制室布置和建造指南》從設(shè)計意圖、原理、裝置分類、控制室布置考慮的因素以及建筑、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)方面的構(gòu)造要求等方面對化工裝置新建控制室進行了闡述和規(guī)定。

國內(nèi)一些新建大型石化企業(yè)的工廠設(shè)計中，除防火要求外，已經(jīng)將人員集中場所的防爆、抗爆安全作為一項重要的設(shè)計要求，并執(zhí)行GB50984—2014《石油化工工廠布置設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定。在GB50779—2012《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》和SH/T 3160—2009《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》中沒有明確規(guī)定控制室什么情況下需要進行抗爆設(shè)計，僅對抗爆控制室的爆炸載荷提出要求，即：控制室抗爆設(shè)計采用的峰值入射超壓及相應(yīng)的正壓作用時間，應(yīng)根據(jù)石油化工裝置性質(zhì)以及平面布置等因素進行安全分析綜合評估確定；未進行評估時，按下列規(guī)定確定：①沖擊波峰值入射超壓最大值可取21 kPa(3psi)，正壓作用時間可為100 ms，也可沖擊波峰值入射超壓最大值取69 kPa(10psi)，正壓作用時間取20 ms；②爆炸沖擊波形取時間為零至正壓作用時間，峰值入射超壓從最大到零的三角形分布。新建控制室是否采用抗爆設(shè)計一直是相關(guān)專業(yè)無法量化解決的問題，原因是缺乏相關(guān)依據(jù)：①從距離上量化，即控制室距離裝置多少米可以采用非抗爆結(jié)構(gòu)。裝置的規(guī)模大小、物料特性、操作條件等諸多因素有關(guān)，距離相同時，不同裝置產(chǎn)生的爆炸力不同，需要安全專業(yè)進行抗爆強度計算，因此采用距離區(qū)分是否抗爆缺乏依據(jù)。②爆炸力的量化，即裝置的爆炸力小于多少值可以采用非抗爆結(jié)構(gòu)。由于目前建筑專業(yè)無驗證不同量值的爆炸力與建筑物不同破壞程度的對應(yīng)關(guān)系，因此無法確定抗爆結(jié)構(gòu)的爆炸力限值。

1 評估方法

采用定量風(fēng)險評估方法，對裝置區(qū)總圖工藝控制設(shè)備進行分析，識別危險物料并劃分泄漏單元，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)、自控水平、泄漏概率、點火源分布等因素確定爆炸發(fā)生概率。同時識別爆炸源，確定爆炸源強度以及參與爆炸的危險物質(zhì)的量，考慮不同的點火源位置，確定爆炸載荷。綜合爆炸概率和爆炸載荷的計算結(jié)果，得到控制室爆炸風(fēng)險，從而提出建筑物抗爆設(shè)防載荷，主要包含爆炸事故發(fā)生概率、確定爆炸載荷、建筑物爆炸設(shè)防載荷的確定等3部分內(nèi)容。以某煉化企業(yè)硫黃裝置控制室抗爆評估為例，對控制室抗爆評估過程進行說明。

2 爆炸事故發(fā)生概率

爆炸事故發(fā)生概率評估主要依據(jù)工藝單元P&ID圖紙，和裝置內(nèi)的反應(yīng)器、塔器、泵、法蘭、閥門、管道等的數(shù)量及各設(shè)備的工藝參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1 泄漏單元劃分

參考荷蘭政府TNO紫皮書《Guidelines for the Quantitative Risk Assessment》中泄漏節(jié)點劃分原則：①以該部分發(fā)生泄漏時工藝前后所能關(guān)斷或緊急切斷的閥門位置為節(jié)點；②參照設(shè)施的區(qū)域位置布置；③參照工藝處理單元的特性；④參照操作參數(shù)(壓力和溫度等)的變化，以及設(shè)施中物料相位的變化。

2.2 失效事故分析

工藝失效事件的分析主要包括泄漏孔徑或尺寸的合理選擇和泄漏量的確定，這些數(shù)據(jù)都將作為失效事件后果模擬的基本輸入數(shù)據(jù)。參考SY/T 6714—2008《基于風(fēng)險檢驗的基礎(chǔ)方法》推薦作法和TNO風(fēng)險評價導(dǎo)則，泄漏失效事件的確定主要原則如下：

a) 泄漏部位。泄漏位置對失效事故占有重要的角色。儲罐、工藝管線、工藝設(shè)備及其相關(guān)設(shè)施操作作為物料的進口、儲存、處理和出口。本次失效事故模擬及其量化計算將按不同段位的事故情況進行。

b) 泄漏孔徑大小。失效事故根據(jù)泄漏孔徑大小可分為完全破裂以及孔泄漏兩大類，有代表性的泄漏場景見表1。當(dāng)設(shè)備(設(shè)施)直徑小于150 mm時，取小于設(shè)備(設(shè)施)直徑的孔泄漏場景以及完全破裂場景。

表1 泄漏孔徑的確定 mm

2.3 泄漏及失效事故頻率分析

每種泄漏可產(chǎn)生不同的后果，它們的頻率各不相同，因此可按每種泄漏時間進行分類事故模擬及其計算。泄漏頻率計算程序為：①辨識某工藝單元的設(shè)備種類，如壓力容器、工藝管線、閥門、法蘭、泵和烴壓機等；②計算工藝單元內(nèi)某種設(shè)備的數(shù)量；③提供設(shè)備的基本泄漏頻率；④根據(jù)設(shè)備的使用率，如運作時間，調(diào)整相關(guān)泄漏頻率；⑤為某工藝單元所有設(shè)備及各種不同的泄漏孔徑，估計泄漏頻率，見表2。

表2 工藝單元總體泄漏頻率統(tǒng)計 次/a

國內(nèi)外應(yīng)用爆炸破壞效應(yīng)的模型主要有TNO多能法、TNT當(dāng)量法、SHELL法、CAM法、CFD法等，對于TNT當(dāng)量法，由于無法考慮氣體受約束或受阻礙的程度，API752—2009等標準已明確規(guī)定TNT當(dāng)量法不宜用于危險工廠內(nèi)部部分受限或受阻礙的氣體爆炸評估；對于CFD方法，雖然可以對氣體爆炸的瞬態(tài)過程進行模擬，且能考慮氣體爆炸所處的具體環(huán)境、設(shè)備布置、點火位置、防爆設(shè)施等多種因素的影響，但這種方法需要建立與真實評估對象相接近或一致的三維幾何模型，才能得到較為精確的評估結(jié)果，受時間和資料的限制，本次評估沒有采用CFD方法；TNO多能法被認為是目前國內(nèi)外較先進的適用于氣云爆炸后果預(yù)測的模型，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)的爆炸源強度等級[6-9]。TNO計算流程如圖1所示。

圖1 TNO計算方法流程

3 確定爆炸載荷

3.1 爆炸源的辨識

爆炸源指某一區(qū)域儲存或加工大量可燃物質(zhì)，且可燃物周圍存在完全阻塞或部分阻塞空間[10]。根據(jù)某石化企業(yè)芳烴廠1#硫回收裝置和汽提裝置工藝設(shè)備及總圖布置情況，其站內(nèi)主要潛在的蒸氣云爆炸源包括燃料氣單元、酸性氣進料單元、硫冷器和反應(yīng)器單元、第三反應(yīng)器、汽提裝置硫化氫單元、汽提裝置氨氣側(cè)線抽出至壓縮機部分。

進行爆炸源的詳細分析，燃料氣單元、酸性氣進料單元、硫冷器和反應(yīng)器單元、第三反應(yīng)器屬于同一阻塞區(qū)，故整體劃分為一個爆炸源，即硫黃回收裝置爆炸源。

對于汽提裝置硫化氫單元、汽提裝置氨氣側(cè)線抽出至壓縮機部分屬于同一阻塞區(qū)，故整體劃分為一個爆炸源，即汽提裝置爆炸源。

綜上，可能引發(fā)氣體爆炸的爆炸源為硫黃回收裝置和汽提裝置。

3.2 泄漏擴散計算

根據(jù)某石化企業(yè)硫回收裝置和汽提裝置工藝設(shè)備資料，泄漏的氣體主要成分為甲烷、硫化氫、氨氣，發(fā)生泄漏時，設(shè)備泄漏的危險氣體量可以由設(shè)備的操作溫度、操作壓力等運行參數(shù)以及泄漏孔徑等因素確定。

裝置的實際操作條件基本維持穩(wěn)定狀態(tài)，泄漏量主要取決于泄漏孔徑的大小，考慮工藝管線發(fā)生小孔、中孔、大孔以及管線斷裂4種不同泄漏孔徑，利用Phast計算軟件，對每個泄漏工況下的燃料氣泄漏擴散過程進行計算，確定爆炸源內(nèi)參與爆炸的最大可燃物質(zhì)量。

以燃料氣單元為例，發(fā)生泄漏的主要危險物料為燃料氣，其主要成分為甲烷，泄漏出的燃料氣在硫黃回收單元內(nèi)擴散，形成爆炸環(huán)境。通過擴散計算，當(dāng)燃料氣單元中燃料氣發(fā)生管道斷裂泄漏后，形成的可燃氣云范圍如圖2所示，可燃氣體擴散示意如圖3所示。

圖2 燃料氣單元發(fā)生管道斷裂可燃氣體覆蓋范圍

由圖3擴散結(jié)果可以看出，燃料氣單元發(fā)生管道斷裂泄漏事故時，泄漏的燃料氣爆炸上限(UFL)、爆炸下限(LFL)和1/2爆炸下限(LFL)最大擴散距離分別為4.9，19.2，47.0 m。可燃氣云將進入硫黃回收單元，參與爆炸的燃料氣的質(zhì)量為2.1 kg。

3.3 爆炸危險性評估

燃料氣單元發(fā)生管道斷裂泄漏場景下，得到參與氣體爆炸的燃料氣的量為2.1 kg。計算氣體爆炸沖擊波超壓，結(jié)果如圖4～7所示。

由圖可以看出，當(dāng)燃料氣單元發(fā)生管道斷裂泄漏爆炸事故時，預(yù)設(shè)的5條爆炸超壓等高線2，5，14，20，30 kPa的影響距離分別是56.4，24.6，10.0，7.5，5.3 m。

圖5 管道斷裂泄漏爆炸半徑

圖6 管道斷裂泄漏時正壓持續(xù)時間與距離關(guān)系示意

4 建筑物爆炸設(shè)防載荷的確定

不同的風(fēng)向條件下可燃氣云團擴散的方向會有所不同?？紤]不同的風(fēng)向?qū)π孤U散的影響，結(jié)合某石化企業(yè)當(dāng)?shù)仫L(fēng)玫瑰圖，取風(fēng)頻較高的3個風(fēng)向(東風(fēng)、東北風(fēng)、東南風(fēng))下可燃氣體擴散結(jié)果進行爆炸概率計算。

對不同泄漏單元、泄漏孔徑、風(fēng)向下可燃氣體泄漏后，形成的可燃氣體云團在爆炸源內(nèi)發(fā)生VCE爆炸時，爆炸沖擊波對控制室的影響情況進行計算。同時結(jié)合不同泄漏場景的泄漏頻率及風(fēng)頻情況，得到不同泄漏場景的爆炸概率。

根據(jù)爆炸超壓的大小對不同泄漏場景下的爆炸超壓進行排序，并對排序后的爆炸超壓發(fā)生概率進行累加，得到爆炸超壓累積發(fā)生概率與爆炸超壓之間的關(guān)系，即爆炸超壓概率曲線，如圖8所示。

圖7 管道斷裂泄漏時爆炸超壓與距離關(guān)系示意

圖8 爆炸超壓概率曲線

對于控制室所處位置的爆炸累積概率為10-4次/a的風(fēng)險值對應(yīng)的爆炸超壓約為10.2 kPa，持續(xù)時間約為20.0 ms；爆炸累積概率為10-5次/a的風(fēng)險值對應(yīng)的爆炸超壓約為11.5 kPa，持續(xù)時間約為17.3 ms。

5 結(jié)論

a) 采用基于風(fēng)險的爆炸定量風(fēng)險評估技術(shù)，構(gòu)建了一套煉化企業(yè)控制室抗爆能力評估方法，能夠開展裝置區(qū)內(nèi)控制室、辦公樓等人員集中場所的抗爆能力評估工作。

b) 對每個工藝節(jié)點考慮不同的泄漏管徑、氣象條件對發(fā)生爆炸的影響，計算不同泄漏工況下的泄漏頻率、可燃氣體的擴散、點火概率及爆炸概率，得到控制室處的爆炸超壓曲線。

c) 對于控制室所處位置的爆炸累積概率風(fēng)險值對應(yīng)的爆炸超壓及持續(xù)時間的評估結(jié)果可為廠區(qū)內(nèi)控制室提供抗爆風(fēng)險閾值，同時為控制室的抗爆能力提升改造提供數(shù)據(jù)支撐。