基于PHAST 的儲氣庫注采管道泄漏爆炸模擬分析

陳 磊 ，張 哲，張新鵬，劉 茜，陳桂芳

1.中國石油新疆油田儲氣庫有限公司，新疆 克拉瑪依834000

2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都610500

引言

隨著對清潔能源天然氣的需求量快速增長，地下儲氣庫在儲存天然氣的環(huán)節(jié)中發(fā)揮著愈加突出的作用[1]。儲氣庫“強(qiáng)注強(qiáng)采”的生產(chǎn)模式使其注采集輸管道長期處于短距高壓的運(yùn)行狀態(tài)，并且常伴有凝析油以濕氣輸送的方式，存在一系列安全隱患。

目前，針對集輸管道泄漏爆炸的研究主要是以站場內(nèi)的管線為例來模擬分析事故后果。肖惠蘭[2]應(yīng)用噴射火模型對場站天然氣管道發(fā)生泄漏火災(zāi)的熱輻射危害程度及區(qū)域進(jìn)行了定量模擬分析，確定了事故的安全防護(hù)距離。張?zhí)恋萚3]應(yīng)用FLUENT研究了站內(nèi)管道小孔的泄漏模型，分析了風(fēng)速、泄漏孔徑大小及泄漏時間等因素對泄漏事故危險程度的影響。胡百中等[4]構(gòu)建了高后果區(qū)集氣干線的三維場景模型，并運(yùn)用Flacs 定量分析管道泄漏擴(kuò)散事故的危害影響范圍。錢程等[5]利用FLUENT確定了集輸管道在不同影響因素下的泄漏流場分布規(guī)律；蔣立軍等[6]采用PHAST 模擬計(jì)算某站天然氣泄漏擴(kuò)散和火災(zāi)爆炸的影響范圍，得出個人風(fēng)險圖。

基于現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)前人對站場集輸管道泄漏爆炸事故的研究結(jié)論并不完全適用于地下儲氣庫的注采集輸管道，缺乏針對儲氣庫注采集輸管道發(fā)生泄漏爆炸事故的風(fēng)險進(jìn)行系統(tǒng)識別，對構(gòu)建多種事故后果的模型研究相對較少。為此，本文建立儲氣庫注采集輸管道泄漏事故樹模型，對其進(jìn)行事故風(fēng)險識別；并基于已有的天然氣管道泄漏源模型，利用PHAST 定量評估儲氣庫的注采集輸管道發(fā)生泄漏事故時的危險區(qū)域，得出儲氣庫年平均氣候情況下的風(fēng)險曲線圖，以期為企業(yè)的應(yīng)急防控及管道的安全運(yùn)行提供參考。

1 儲氣庫注采集輸管道的風(fēng)險識別

1.1 儲氣庫敷設(shè)管道的基本情況

H 儲氣庫作業(yè)區(qū)采用二級布站方式，共設(shè)置3 座集配站和1 座集注站。井口采出物通過單井注采管線送入集配站，之后通過注采干線送入集注站進(jìn)行處理。單井注采管線共41 條，總長約為44.146 km，注采干線共7 條，總長15.400 km，外輸管線共2 條，總長45.720 km。管道全部埋地敷設(shè)，運(yùn)行壓力均高于10.5 MPa，有7 條注采集輸管道位于高后果識別區(qū)，兩條外輸管線均起自集注站。

1.2 風(fēng)險因素識別及其評價

風(fēng)險識別即采用事故樹分析法整理和剖析造成儲氣庫注采集輸管道失效的風(fēng)險因素[7]。

1.2.1 儲氣庫注采集輸管道風(fēng)險因素分類

根據(jù)國際管道技術(shù)委員會（PRCI）給輸氣管道風(fēng)險因素分類的方法[8]，將H 儲氣庫注采集輸管道的事故根源分為27 類，如表1 所示。

表1 儲氣庫注采集輸管道的風(fēng)險因素分類Tab.1 Classification of risk factors of injection,production and gathering pipeline in gas storage

1.2.2 建立事故樹模型

基于上述對儲氣庫注采集輸管道風(fēng)險因素的分類，并結(jié)合作業(yè)區(qū)現(xiàn)場生產(chǎn)特點(diǎn)，應(yīng)用事故樹法分析管道泄漏爆炸事故的主要影響因素，如圖1所示。

圖1 儲氣庫注采集輸管道泄漏事故樹Fig.1 Leakage accident tree of injection,production and gathering pipeline in gas storage

1.2.3 主要風(fēng)險

據(jù)分析，H 儲氣庫管道泄漏事故的風(fēng)險因素主要包括腐蝕、疲勞、材料及設(shè)備缺陷、第三方破壞、自然災(zāi)害和誤操作。

H 儲氣庫天然氣H2S 含量低于20 mg/m3，注采管線的腐蝕以CO2腐蝕和應(yīng)力腐蝕為主。若防腐設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能導(dǎo)致采用濕氣輸送模式的采氣管線發(fā)生局部腐蝕穿孔事故。天然氣注采集輸管線為高壓管線，進(jìn)出井站的管段長期處于應(yīng)力集中或震動的狀態(tài)，當(dāng)管路焊接有缺陷或運(yùn)行控制不當(dāng)，可導(dǎo)致管線超壓爆炸。

2 數(shù)學(xué)模型

天然氣集輸管道事故的后果類型及危害如圖2所示[9]。

圖2 天然氣注采管道事故后果及危害Fig.2 Consequences and hazards of natural gas injection and production pipeline accidents

2.1 泄漏擴(kuò)散模型[10]

對比分析多種氣體泄漏擴(kuò)散計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)使用統(tǒng)一擴(kuò)散模型（Unified Dispersion Model，UDM）中的氣體瞬時泄漏和持續(xù)泄漏模型，能夠有效運(yùn)用PHAST 研究天然氣注采管道氣體泄漏擴(kuò)散的過程及其典型事故后果。圖3 為天然氣注采管道泄漏擴(kuò)散示意圖。

圖3 注采氣管道泄漏擴(kuò)散示意Fig.3 Schematic diagram of leakage and diffusion of gas injection and production pipeline

2.1.1 瞬時泄漏擴(kuò)散模型

天然氣混入大氣的質(zhì)量濃度C1由式（1）得到

式中：

C0—中心線質(zhì)量濃度，kg/m3；

x—下風(fēng)向水平距離，m；

y—側(cè)風(fēng)向距離，m；

z—豎直風(fēng)向距離，m；

σz—垂直擴(kuò)散系數(shù)，無因次；

σy—水平擴(kuò)散系數(shù)，無因次；

n(x)--垂直方向分布的函數(shù)指數(shù)，無因次；

m(x)--水平方向分布的函數(shù)指數(shù)，無因次。

2.1.2 持續(xù)泄漏擴(kuò)散模型

天然氣混入大氣的質(zhì)量濃度C2由式（2）得到

式中：

ξ—距煙羽中心線的距離，m；

xcld(t)--t時刻氣云中心傳播的下風(fēng)向距離，m；

Rx(t)—t時刻氣云在下風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù)；

Ry(t)—t時刻氣云在側(cè)風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù)。

2.2 熱輻射危害模型

管道孔隙泄漏處形成高壓天然氣噴射流，被靜電能量引燃形成火災(zāi)事故[11]，產(chǎn)生熱輻射危害，由Tornton 模型[12]計(jì)算得到噴射火的熱輻射通量

式中：

I—噴射火的熱輻射通量，kW/m2；

Q--質(zhì)量釋放流量，kg/s；

Hc—燃燒熱，甲烷取5.56×107J/kg；

Tjet—輻射率系數(shù)，Tjet=1；

r—傷害半徑，m。

2.3 蒸氣云爆炸模型

2.3.1 TNT 當(dāng)量

定量模擬計(jì)算蒸氣云爆炸的模型主要有TNT當(dāng)量模型、Baker-Strehlow 模型和多能模型等[13]。一般情況下，采用式（4）的TNT 當(dāng)量模型[14]計(jì)算蒸氣云爆炸

式中：WTNT—爆炸TNT 當(dāng)量，kg；

αTNT—當(dāng)量系數(shù)，α=4%；

W--燃爆氣云總質(zhì)量，kg；

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。當(dāng)今時代，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，思想政治工作作為一項(xiàng)需要創(chuàng)新創(chuàng)意的工作，必須不斷創(chuàng)新工作的內(nèi)容、方法、手段等，尊重和關(guān)愛學(xué)生的需求，這樣輔導(dǎo)員才能將有意義的事情做得有意思，將意思的事情做得有意義。雖然常規(guī)的工作中沿用老辦法、老路子是比較保險，不容易出差錯，但是對于新時代輔導(dǎo)員老師來說，千萬要杜絕這種墨守成規(guī)的思想，要運(yùn)用創(chuàng)新思維開創(chuàng)工作的新局面，破除思維創(chuàng)新的枷鎖，善于發(fā)現(xiàn)問題，將自己的聰明才智和本職崗位巧妙結(jié)合，創(chuàng)造性的解決工作中遇到的問題。

QTNT—每千克TNT 的爆炸熱量，MJ/kg，QTNT=4.52 MJ/kg。

2.3.2 爆炸超壓

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)爆炸源在地面發(fā)生爆炸的TNT 當(dāng)量為WTNT時，其爆炸超壓為

式中：

?p--爆炸沖擊波的最大超壓，MPa；

L—某物所在地到爆炸源的距離，m。

2.3.3 爆炸半徑

蒸氣云爆炸半徑與爆炸當(dāng)量的關(guān)系如式（6）所示，在爆炸區(qū)域內(nèi)的人員會受到嚴(yán)重傷害甚至死亡。

式中：R—蒸氣云爆炸半徑，m。

3 事故后果模擬分析

3.1 模擬參數(shù)選取

本文所進(jìn)行的事故后果模擬主要考慮儲氣庫注采氣集輸管道由于腐蝕穿孔及超壓破裂而導(dǎo)致其發(fā)生泄漏爆炸。運(yùn)用PHAST 模擬分析管道注采氣期的運(yùn)行壓力和管輸介質(zhì)對井站集輸管道泄漏爆炸事故危害程度的影響[15]。

3.1.1 模擬管段的選取

根據(jù)儲氣庫現(xiàn)場的考察情況及管道風(fēng)險識別的結(jié)果，本研究將重點(diǎn)模擬分析儲氣庫HUHWK3井注采氣管線的泄漏爆炸事故后果，管道的設(shè)計(jì)壓力為32 MPa，管徑為168 mm，采氣期輸送濕天然氣，管道運(yùn)行溫度為40.0～45.5?C，流量為（31.5～82.1）×104m3/d；注氣期輸送干天然氣，管道運(yùn)行溫度為45.0～60.0?C，流量為（45.6～62.0）×104m3/d；管段地處2 級地區(qū)，管道兩側(cè)的50 m 內(nèi)有省道，750 m 處有燃?xì)夤镜奶烊粴忾T站，位于高后果區(qū)內(nèi)。

3.1.2 參數(shù)的設(shè)定

H 儲氣庫位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣，建設(shè)區(qū)域內(nèi)自然植被稀疏，項(xiàng)目庫區(qū)內(nèi)基本無地表水體，可設(shè)定土地表面粗糙度長度為30 mm。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳镜慕y(tǒng)計(jì)資料，該儲氣庫所處地年均風(fēng)速為1.9 m/s，年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅逼黠L(fēng)，年平均氣溫為8.1?C，大氣環(huán)境較穩(wěn)定，屬于大氣穩(wěn)定度D 級；本次評估的泄漏情景選取斷裂模式。

3.2 事故后果的模擬分析

3.2.1 氣云擴(kuò)散影響區(qū)域

注采氣管道泄漏形成的蒸氣云團(tuán)在大氣中不同的擴(kuò)散程度造成的事故后果差異性如表2所示。

表2 氣云擴(kuò)散濃度影響區(qū)域劃分[8]Tab.2 Gas cloud diffusion concentration affects regional division[8]

1）不同管道壓力下的擴(kuò)散影響

利用PHAST 模擬分析注采管道運(yùn)行壓力分別為12，20，28 和32 MPa 輸送干天然氣時對蒸氣云擴(kuò)散的影響，氣云擴(kuò)散影響范圍結(jié)果見圖4 和圖5。

圖4 不同管道運(yùn)行壓力的氣云擴(kuò)散影響范圍Fig.4 Range of gas cloud diffusion influence of different pipeline operating pressure

圖5 注采氣管道運(yùn)行壓力對氣云擴(kuò)散范圍的影響Fig.5 Effect of operating pressure of gas injection and production pipeline on the diffusion range of gas cloud

分析可知，隨注采氣管道運(yùn)行壓力增大，氣云擴(kuò)散范圍變大，其中，安全區(qū)域的范圍變化最明顯，而高危區(qū)域變化最小，當(dāng)運(yùn)行壓力從12 MPa 增至32 MPa，不受蒸氣云團(tuán)擴(kuò)散影響的距離從268 m 增至427 m。這表明在固有的空間內(nèi)，隨著管道運(yùn)行壓力的增大，泄漏事故的安全區(qū)域明顯縮小。儲氣庫應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注注氣期的管道運(yùn)行壓力，劃定管道泄漏事故的三級區(qū)域，及時排查易燃易爆區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)火源；嚴(yán)禁人員隨意進(jìn)入高危險區(qū)，避免造成人員中毒。

2）不同管輸介質(zhì)下的擴(kuò)散影響

考慮管輸介質(zhì)分別為干氣（注氣期）及濕氣（采氣期），天然氣泄漏后擴(kuò)散的模擬結(jié)果見圖6。分析可知，采氣期的濕天然氣泄漏后，在距泄漏點(diǎn)49.3 m處氣云擴(kuò)散濃度達(dá)到44 000 mg/L，并且在小于在46.8 m 范圍內(nèi)會發(fā)生液池的蒸發(fā)擴(kuò)散，當(dāng)泄漏源被引燃后會導(dǎo)致池火災(zāi)事故，造成多種事故后果。注氣期的干天然氣發(fā)生泄漏，不會造成池液蒸發(fā)和池火事故，地表處距管道45～212 m 屬于易燃易爆區(qū)域。為此，需要嚴(yán)格規(guī)范采氣期的管道運(yùn)行，避免濕天然氣泄漏事故的發(fā)生。

圖6 不同管輸介質(zhì)的氣云擴(kuò)散影響范圍Fig.6 Range of gas cloud diffusion influence of different pipe transmission media

3.2.2 熱輻射危害區(qū)域

穩(wěn)定火災(zāi)下不同臨界值熱輻射通量的傷害效應(yīng)如表3 所示。

表3 不同臨界值熱輻射通量的傷害效應(yīng)[16]Tab.3 Injury effect of thermal radiation fluxes with different critical values

1）不同管道壓力下的熱輻射影響

基于不同運(yùn)行壓力的干天然氣管道，其發(fā)生噴射火事故產(chǎn)生的熱輻射危害模擬結(jié)果如圖7 所示。管道的噴射火熱輻射強(qiáng)度半徑明顯隨著運(yùn)行壓力的增大而增大。在距泄漏點(diǎn)133～173 m（采氣期），150～195 m（注氣期），熱輻射強(qiáng)度超過12.5 kW/m2，對人體造成嚴(yán)重的危害，即對人員輻射超過20 s 會造成人體燒傷[17-18]，因此，在該區(qū)域活動的工作人員應(yīng)穿著專業(yè)防護(hù)服，并且在該輻射強(qiáng)度內(nèi)應(yīng)避免木質(zhì)設(shè)備。

圖7 不同運(yùn)行壓力的熱輻射強(qiáng)度半徑變化范圍Fig.7 Thermal radiation intensity radius change range of different operating pressures

2）不同管輸介質(zhì)下的熱輻射影響

考慮管輸介質(zhì)分別為注氣期的干氣及采氣期的濕氣，火災(zāi)的熱輻射危害模擬結(jié)果如圖8 所示。從圖8 可以看出，在相同的模擬參數(shù)下，濕天然氣噴射火事故的熱輻射強(qiáng)度半徑比干天然氣的危害半徑小，而濕天然氣泄漏除了有噴射火事故外還會造成池火災(zāi)事故，池火災(zāi)的危害范圍從早期的25.3 m 增至晚期的85.3 m。

圖8 不同管輸介質(zhì)的熱輻射強(qiáng)度半徑變化范圍Fig.8 Variation range of heat radiation intensity radius of different pipeline transmission medium

3.2.3 沖擊波危害區(qū)域

事故天然氣管道泄漏的氣體接觸到火源時將發(fā)生燃爆，主要向外釋放超壓沖擊波。表4 表5分別列出了爆炸超壓沖擊波對人體和建筑物的危害。

表4 超壓沖擊波對人體[19-20]Tab.4 Hazard of overpressure shock waves to human body

表5 超壓沖擊波對建筑物的危害[19-20]Tab.5 Hazard of overpressure shock waves to buildings

1）不同管道壓力下的沖擊波影響

不同注采管道運(yùn)行壓力下干天然氣爆炸沖擊波的影響范圍PHAST 模擬見圖9 和圖10。

圖9 管道不同運(yùn)行壓力的爆炸沖擊波影響范圍Fig.9 Range of explosion shock wave influence of different operating pressure of the pipeline

圖10 注采氣管道運(yùn)行壓力對沖擊波危害范圍的影響Fig.10 Influence of operating pressure of gas injection and production pipeline on hazard range of shock wave

分析發(fā)現(xiàn)，在管道泄漏發(fā)生爆炸事故后，隨運(yùn)行壓力增大，爆炸影響區(qū)域明顯擴(kuò)大，造成人員重傷的區(qū)域小，輕傷的范圍大。在設(shè)定的模擬條件下，最遠(yuǎn)的安全距離為838.2 m，最遠(yuǎn)的人員致死距離為519.5 m，爆炸的危害范圍非常廣。為保證儲氣庫及周邊企業(yè)的安全生產(chǎn)，應(yīng)及時劃分地區(qū)安全等級，將儲氣庫站場的電氣儀表和設(shè)備置于爆炸危害范圍外，并明確周邊企業(yè)必須建于安全范圍內(nèi)。

2）不同管輸介質(zhì)下的沖擊波影響

考慮管輸介質(zhì)為干氣、濕氣，天然氣泄漏爆炸的破壞區(qū)域模擬結(jié)果見圖11 和圖12。由圖可知，濕天然氣泄漏爆炸事故造成的沖擊波危害范圍比干天然氣小，濕天然氣蒸氣云爆炸的安全距離為640 m，干天然氣蒸氣云爆炸的安全距離為819 m，兩種介質(zhì)的爆炸沖擊波造成人員重傷的后果區(qū)域均較小。

圖11 不同管輸介質(zhì)的爆炸沖擊波影響范圍Fig.11 Range of explosion shock wave influence of different pipeline transmission medium

圖12 管輸介質(zhì)對爆炸超壓危害范圍的影響Fig.12 Influence of pipeline transmission medium on the hazard range of explosion overpressure

3.3 風(fēng)險評價

基于建立的儲氣庫注采集輸管道泄漏爆炸事故模型，并結(jié)合儲氣庫部分井場與站場的平面布置圖，運(yùn)用SAFETI 模擬，可以得出風(fēng)速為1.9 m/s，大氣穩(wěn)定度為D 時的個人風(fēng)險等高線圖和社會可接受風(fēng)險曲線圖[21]，結(jié)果分別如圖13 和圖14所示。

圖13 個人風(fēng)險等高線圖Fig.13 Individual risk contour plot

圖14 社會可接受風(fēng)險曲線圖Fig.14 Socially acceptable risk curve

3.3.1 個人風(fēng)險評價

由圖13 個人風(fēng)險等高線可知，儲氣庫注采氣管道發(fā)生泄漏爆炸事故后，會使井場與站場之間的某些企業(yè)處于危險區(qū)域內(nèi)，儲氣庫集注站與集配站的工程作業(yè)人員會受到管道爆炸事故的影響，管道西側(cè)雖然會受到影響，但其是流動人口少的區(qū)域，所以事故危害性較低。因此，應(yīng)重點(diǎn)規(guī)劃井場與站場之間的企業(yè)建設(shè)及加強(qiáng)儲氣庫地面工程的應(yīng)急救援研究。

3.3.2 社會風(fēng)險評價

社會風(fēng)險是指能夠引起大于等于N人死亡的事故累積頻率F，一般由F?N曲線表示。分析圖14可知，該儲氣庫部分注采氣集輸管道事故的社會風(fēng)險曲線大部分落于社會風(fēng)險不可接受區(qū)域內(nèi)。儲氣庫雖位于遠(yuǎn)離城市人口集中的地區(qū)，但仍有少量工業(yè)企業(yè)建于儲氣庫井場與站場周圍，使部分儲氣庫注采集輸管道處于高后果區(qū)域內(nèi)。該儲氣庫注采集輸管道對周邊環(huán)境及周邊企業(yè)建筑會造成影響，需要加強(qiáng)對管道保護(hù)區(qū)附近人員和事件的監(jiān)管，加強(qiáng)巡線，增設(shè)警示牌等使風(fēng)險降至社會可接受范圍內(nèi)[22]。

4 結(jié)論

1）通過建立儲氣庫注采集輸管道泄漏事故樹分析模型，得出管道泄漏事故的風(fēng)險因素主要包括腐蝕、疲勞、材料及設(shè)備缺陷、誤操作、第三方破壞及自然災(zāi)害。注采管線的腐蝕以CO2腐蝕和應(yīng)力腐蝕為主。

2）利用PHAST 對儲氣庫注采集輸管道泄漏爆炸事故后果進(jìn)行模擬分析，氣云擴(kuò)散、火災(zāi)熱輻射及超壓沖擊波的危害范圍均隨管道運(yùn)行壓力的增加呈增大趨勢；且氣云擴(kuò)散及爆炸沖擊波形成的高度危險區(qū)域均較小。因此，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注采氣期的管道運(yùn)行壓力，及時劃定管道泄漏事故的三級區(qū)域并進(jìn)行安全防控。

3）儲氣庫采用濕氣輸送模式的采氣管線在發(fā)生管道泄漏時，除有可燃蒸氣云團(tuán)擴(kuò)散還會伴隨發(fā)生液池的蒸發(fā)擴(kuò)散，導(dǎo)致噴射火事故和池火事故同時發(fā)生，造成多種類型的事故后果；而濕天然氣泄漏爆炸事故造成的沖擊波危害范圍比干天然氣小。

4）在選定的儲氣庫注采集輸管道發(fā)生泄漏事故時，會對井場及站場周圍企業(yè)人員、建筑以及儲氣庫現(xiàn)場作業(yè)人員造成嚴(yán)重的危害。應(yīng)及時劃定安全逃生路線，將儲氣庫作業(yè)區(qū)及其他企業(yè)人員迅速撤離至安全范圍，且后建企業(yè)的選址和總圖布置應(yīng)滿足相關(guān)安全間距要求，降低發(fā)生連鎖事故的概率。