石化企業中心控制室的抗爆需求探討

張少鵬，劉秀琴(. 中國石油工程建設公司 華東設計分公司，山東 青島 6607；. 海工英派爾工程有限公司，山東 青島 6606)

石化企業中心控制室的抗爆需求探討

張少鵬1，劉秀琴2
(1. 中國石油工程建設公司 華東設計分公司，山東 青島 266071；2. 海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266061)

石油化工企業中心控制室通常采用抗爆結構，隨著企業規模的不斷擴大，中心控制室的生產管理功能逐漸增強，越來越多的企業希望中心控制室能采用非抗爆結構設計以滿足室內人員的舒適性要求。敘述了中心控制室的抗爆要求，并引用近年來爆炸超壓對建筑物的影響、蒸汽云爆炸超壓后果預測模型和空氣中爆炸沖擊波傳播規律等領域的一些研究成果，探討了爆炸沖擊波超壓與控制室抗爆結構之間的關系，商討如何根據距離判斷中心控制室是否可以選擇非抗爆結構，并給出了初步的量化指標，供自控設計人員參考。

中心控制室 抗爆結構 蒸汽云 爆炸沖擊波 超壓

中心控制室作為石化企業的控制中心和數據中心，正在發揮越來越大的作用。許多新建大型石化項目，要求中心控制室除了具備傳統的生產操作和過程控制功能外，還要承擔更多的生產管理功能，成為全廠的生產管理中心、安全環保管理中心和機動中心。

出于安全性的考慮，中心控制室通常設計成抗爆結構，但抗爆結構造價高、空間封閉、面積受限，難以滿足室內辦公人員對光照、通風等方面的舒適性要求。目前由于中心控制室功能提升，大量生產管理和技術人員進入辦公，要求控制室要像常規辦公室那樣在外墻開窗。因此，能否在保證安全性的前提下，進行人性化設計，選擇非抗爆結構的中心控制室，成為業內討論的重點話題。

一般認為，如果建筑物遠離爆炸源，建筑物受到的爆炸沖擊力可以忽略不計，就不必進行抗爆設計。但建筑物離爆炸源多遠、沖擊力多大可以不進行抗爆設計，尚無定論。

SH/T 3006—2012《石油化工控制室設計規范》第4.4條中規定“對于有爆炸危險的石油化工裝置，控制室建筑物的建筑、結構應根據抗爆強度計算、分析結果設計”。與SH 3006—1999《石油化工控制室和自動分析器室設計規范》相比，新版規范不再強調“聯合裝置的中央控制室建筑物應采用抗爆結構設計”，也沒有給出控制室是否應采用抗爆結構設計的量化判斷標準。按照新版規范的解釋，該問題應由安全、建筑和結構專業人員解決，但這些專業人員無論是從距離上量化，還是從爆炸力上量化，都缺少相關依據，因而未能有效解決該問題。

作為中心控制室的主體設計專業，自控專業的設計人員一直非常關心中心控制室是否需要采用抗爆結構設計，因為這對規劃中心控制室的位置和功能結構非常重要。針對該問題，筆者進行了一些探討，對控制室是否需要采用抗爆設計提出了初步的量化指標，供自控設計人員參考，以便在中心控制室設計中結合不同的需求，合理規劃其位置和功能。

1 中心控制室的抗爆需求

石油化工企業中可能存在的爆炸形式有蒸汽云爆炸VCE(Vapor Cloud Explosion)、壓力容器爆炸以及粉塵爆炸，但主要應考慮VCE。

爆炸時產生的高溫高壓氣體以極高的速度沿球面膨脹，把爆炸反應釋放出的部分能量傳遞給相鄰被壓縮的空氣層。空氣受沖擊而發生擾動，使其壓力、密度等產生突變，這種擾動在空氣中傳播被稱為沖擊波，沖擊波通過時產生的超過大氣壓的空氣壓力被稱為超壓。沖擊波產生的破壞作用主要是由其波陣面上的超壓引起的,在超壓作用下，建筑物可能被摧毀，設備、管道等可能會遭到破壞，人員也可能出現傷亡。

API RP554 PART2ProcessControlSystemDesign第13.3節中提出：“控制中心可能要建設成抗爆結構，以便在事故發生時能保護操作人員和計算機過程控制設備的安全，實現工藝過程的安全有序停車。”

由于操作人員和計算機設備都處于中心控制室建筑物保護之下，因而建筑物在爆炸事故下可能的破損程度，是判定中心控制室是否選擇抗爆結構設計的主要因素。

在爆炸中，建筑物的門窗玻璃通常比墻體更容易損壞。爆炸中，如果只損壞少量的玻璃，中心控制室的建筑物可以按照普通工業辦公建筑進行設計，但應采用安全玻璃；如果玻璃破損嚴重，需在建筑設計中考慮取消外墻上的玻璃窗；如果爆炸使建筑物結構損壞，就應合理采用抗爆結構設計。

當然，中心控制室建筑結構的破損不能危及室內人員的生命安全，人無傷的爆炸超壓上限是6.86 kPa[1]。

2 爆炸超壓與控制室結構選擇

爆炸沖擊波產生的破壞作用可用峰值超壓、持續時間和沖量3個特征參數衡量。其中，峰值超壓是衡量爆炸沖擊波的最重要參數。定量分析爆炸沖擊波的危害，最簡便的方法就是分析爆炸超壓與破壞作用的關系。

許多國際先進標準中提出了不同的爆炸超壓下，對中心控制室建筑結構的要求。ISA RP60.1ControlCenterFacilities，DEP34.17.10.30BlastResistantandBlastResistantControlBuildings/FieldAuxiliaryRooms等標準對爆炸超壓與抗爆結構設計的關系進行了描述[2]。DEP34.17.10.32DesignandEngineeringofBuildings進一步指出爆炸荷載(側/頂過壓)小于1 kPa時，建筑物無防爆要求；在1～5 kPa時，門窗應采用夾層安全玻璃。但是，在這些標準中，并沒有列出選定這些參數的依據。

DNV以表的形式說明爆炸超壓對建筑物的破壞影響，見表1和表2所列，該2組數據分別引自1972年Clancey VJ在蘇格蘭愛丁堡第六屆科學國際會議上的報告《爆炸破壞的判斷特點》和Stepgens在1970年的研究結果。

表1 爆炸超壓對受到沖擊的煉油設施的影響

表2 爆炸超壓造成的破壞影響

續 表 2

表3和表4列出了爆炸沖擊波超壓與建筑物破壞程度的對應關系。

表3 爆炸沖擊力對磚結構建筑物的破壞作用[3]

表4 1000 kg TNT地面爆炸時沖擊波超壓

續 表 4

綜合比較表1～表4爆炸沖擊波對建筑物部件、人員及儀表設備的危害情況，筆者認為可以選定1，5，20 kPa用于區分中心控制室的抗爆需求。

1) 在爆炸超壓小于1 kPa的區域，可能會造成有限玻璃破碎，建筑物結構并沒有被破壞，對人員不會造成危害，建筑物可以不用考慮抗爆的問題。

2) 在爆炸超壓介于1～5 kPa的區域，房屋的結構會造成可以修復的較小破壞，混凝土建筑物框架不會出現變形，門窗玻璃部分破碎，但人員不會受傷。在中心控制室設計中可以采用不設抗爆墻的鋼筋混凝土框架結構，但控制室的門窗不宜朝向爆炸危險區域，玻璃應采用安全玻璃，確保一旦門窗玻璃受爆炸沖擊破碎后，碎片不會四散傷人。

3) 在爆炸超壓介于5～20 kPa的區域，會導致受壓面的門窗玻璃粉碎，房屋結構部分毀壞或坍塌，沒有加固的空心磚墻壁粉碎，而且人員可能受傷。中心控制室的結構應按照可以承受20 kPa超壓設計，外墻不宜開窗，門窗應按照抗爆門窗設計，室內設備應牢固安裝，避免爆炸震動引起的損毀。

4) 在爆炸超壓大于20 kPa的區域，建筑物受損嚴重，甚至完全被損壞。雖然在一定的爆炸超壓范圍內，設計合理的鋼筋混凝土結構不會倒塌，但是如果條件允許，中心控制室不宜布置在該區域。

綜合上述分析，建議在爆炸超壓小于5 kPa的區域，中心控制室建筑物結構設計中不做額外的抗爆考慮，只按常規的鋼筋混凝土框架結構進行設計，但門窗應采用安全玻璃。

3 蒸汽云爆炸超壓后果的幾種預測模型比較

蒸汽云爆炸后果的預測模型主要有數值模型、物理模型和關系模型，其中關系模型應用最廣泛，包括有TNT等效當量法、TNO多能量法、Baker-strehlow法等。

API RP 752ManagementofHazardsAssociatedwithLocationofProcessPlantPermanentBuildings第6.3節指出：“在建筑物位置評估時，不能采用TNT等效法確定VCE荷載。TNT等效當量法對燃料反應差異或由于擁擠和限制造成的火焰擴散速度變化不加區別。并且所確定的TNT爆炸模型的當量和持續時間與VCE有顯著差異”。API RP 752推薦采用TNO多能量法、Baker-Strehlow-Tang法、CAM法和CFD法。

有些文獻對比了TNT等效當量法、TNO多能量法和Baker-strehlow法，發現與TNO多能量法和Baker-strehlow法相比，采用TNT等效當量法對爆炸后果的預測，在距離爆炸源較近時超壓偏大，而距離較遠時超壓偏小。但當超壓處于2.2～7.0 kPa時，三種模型計算出的距離相差不大[5]。TNT等效當量法適用于很強的VCE，且用以模擬爆炸遠場時偏差較小，模擬爆炸近場時可能會高估VCE產生的超壓[6]。

GB 50160—2008《石油化工企業設計防火規范》第4.2.12條規定中心控制室為石油化工企業第一類重要設施，與工藝裝置(單元)的距離應大于30 m，并且本文主要討論建筑物可能承受的爆炸超壓小于5 kPa的情況。因此，在本文討論的范圍內，采用TNT等效當量法得到的結果與其他VCE預測模型應基本一致。

API RP 752不推薦采用TNT等效當量法的原因，主要是由于VCE和TNT爆炸內部反應特征不同，用TNT等效當量法估算的爆炸當量、持續時間不準。本文不直接采用TNT等效當量法去估算石化裝置VCE的當量和持續時間，而是運用空氣中TNT爆炸沖擊波超壓衰減的規律，對不同規模VCE的沖擊波衰減情況進行運算，從而得出距離爆炸源特定距離的可能爆炸超壓值。

4 爆炸超壓預測公式

立方根比例定律(又稱為Hopkinson-Cranz比例定律)的內容： 兩個幾何形狀相似但尺寸不同的同種爆炸物在相同的大氣環境條件下爆炸，在相同的比例距離必然產生相似的沖擊波。比例距離的表達式為

(1)

式中：Z——比例距離；m——炸藥的TNT當量，kg；r——觀測點距離爆炸中心的距離，m。

空氣中爆炸沖擊波峰值超壓的常見預測經驗公式，多數限定了比例距離的數值。在比例距離小于10時，各個公式均適用，且比例距離為1～10時，各公式的預測結果接近[7]。當比例距離大于10后，只有個別公式可用。其中，Brode(1955)的公式對比例距離的范圍沒有限定，可用于討論距離爆炸中心較遠的情況，所以筆者選擇該公式計算沖擊波超壓與距離的關系，其公式如下：

(2)

(0.01≤Δp≤1)

式中： Δp——沖擊波超壓，MPa。

對于石化裝置常見的烴類物質，由于爆炸中心處的爆炸超壓一般在50～400 kPa，最高不會超過800 kPa[3]，因而選取Brode公式中爆炸沖擊波峰值在1 MPa以下的算式，并將比例距離代入，得到如下算式：

(3)

5 爆炸超壓與距離的關系

典型的化工裝置VCE中，離爆炸中心30 m處受到的爆炸超壓一般在200～800 kPa[3]。如果在式(3)中將該超壓范圍和距離代入核算，可得爆炸超壓為200 kPa時，TNT當量約為4.7 t；爆炸超壓為800 kPa時，TNT當量約為26 t。

API RP550第12.4.2條提到：抗爆結構的實際設計標準取決于存在的潛在條件和需要保護的程度。這種結構的定義就是建筑物能承受在30.48 m(100 in)以外裝置的爆炸(爆炸的能量相當于907.18 kg(1短噸)的TNT炸藥)，發生中等程度的結構損壞，但沒有倒塌[6]。

選擇TNT當量1，5，10，26 t，用式(3)計算爆炸沖擊波超壓(kPa)與距離(m)的對應關系，計算結果如圖1所示。

圖1 爆炸超壓與距離的關系

從圖1可以看出，對于典型裝置的不同程度爆炸，超壓1 kPa對應的距離約為350～1000 m，超壓5 kPa對應的距離約為160～470 m，超壓20 kPa對應的距離約為65～180 m。

石化裝置的蒸汽云位置具有一定的不確定性，較難衡量爆炸中心的具體位置。從較嚴格的角度考慮，可將石化裝置邊界內作為爆炸中心區域。

當距離爆炸危險裝置400 m以外時，筆者建議中心控制室采用非抗爆結構設計。因為文中對爆炸超壓危害程度以及VCE效果都選擇了較為苛刻的參數，所以當裝置發生VCE時，該距離以外的最大超壓一般會小于5 kPa，滿足了非抗爆結構的設計條件。

圖1中，在不同的爆炸規模下，超壓5 kPa對應的距離是變化的，400 m對應著較大的爆炸規模，相對較為保守。根據企業工藝裝置流程和平面布置的具體特點，在爆炸規模較小時，設計人員可以考慮選擇較近的距離。

當然，以上提到的方法和數據僅用于自控設計人員估算，具體的爆炸超壓數值應以安全專業人員提供的爆炸危險分析報告為準。

6 結束語

目前，越來越多的工程項目在建設中運用爆炸后果預測軟件來評估項目中不同建筑承受的爆炸風險，有些項目還邀請DNV等國際知名的安全咨詢公司從事該工作。

筆者沒有采用對VCE后果預測更為精確的幾種軟件，也未考慮爆炸沖擊波傳播過程中地面障礙物的影響，只是采用盡可能嚴苛的數據和方法，推導出“距離爆炸危險裝置400 m或爆炸超壓小于5 kPa”作為中心控制室選擇非抗爆結構的初步依據。這些數據只是初步估算，并且偏于保守。

每個項目的情況不同,在中心控制室的設計中，應根據安全專業人員提供的正式分析報告結果，合理選擇控制室是否需要采用抗爆結構。

隨著本質安全和人性化設計理念的逐步貫徹以及爆炸風險預測技術在國內的推廣應用，業內對該問題的認識會更加清晰。相信在不遠的將來，一定會出現更為準確和方便的方法來量化判斷控制室是否需要進行抗爆結構設計。

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[11]API. API RP 752 Management of Hazards Associated with Location of Process Plant Permanent Buildings[S]. Washington D C:API, 2009.

DiscussiononBlastResistantRequirementofCentralControlRoomforPetro-ChemicalEnterprise

Zhang Shaopeng1, Liu Xiuqin2

(1. CPECC East-China Design Branch, Qingdao, 266071, China；

2. Cooec-Enpal Engineering Co. Ltd., Qingdao, 266061, China)

The central control room (CCR) in petro-chemical enterprise is usually constructed with blast resistant. With the continuous expansion of enterprise，the production managerial functions of CCR are becoming more and more. To make indoor human comfortable, more and more enterprise prefer to use non-blast resistant structure for the CCR. The requirement of blast resistant for CCR has been disclosed in detail. With the quotation of some new research results in the fields of explosion overpressure effects on buildings, models for predicting the strength of vapor cloud explosion and propagation rule of explosion shock wave in the air, the relationship between explosion overpressure and blast resistant control room is discussed, and how to make the judgment on whether CCR could adopt non-blast-resistant structure based on the distance between CCR and explosion hazard plants are also discussed. Some preliminary parameters are recommended, and can be used as the reference for instrumentation designers.

central control room; blast-resistant structure; vapor cloud; blast shock wave; overpressure

稿件收到日期： 2013-04-15，修改稿收到日期2013-05-09。

張少鵬(1970—)，男，遼寧撫順人，1991年畢業于大連理工大學自動控制專業，現就職于中國石油工程建設公司華東設計分公司電控室，任主任工程師、高級工程師，曾在《石油化工自動化》、《自動化博覽》等刊物上發表論文多篇。

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1007-7324(2013)05-0007-05