基于ALOHA的城市燃?xì)夤艿佬孤┗馂?zāi)爆炸影響區(qū)域的數(shù)值模擬

馬慶春，張 博

基于ALOHA的城市燃?xì)夤艿佬孤┗馂?zāi)爆炸影響區(qū)域的數(shù)值模擬

馬慶春，張 博

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

針對(duì)城市燃?xì)夤艿佬孤┦鹿剩治隽巳細(xì)夤艿佬孤┖罂赡軙?huì)導(dǎo)致噴射火、氣云燃燒和氣云爆炸等事故后果類型，利用ALOHA模擬軟件中的噴射火模型、閃火模型和氣云爆炸模型對(duì)上述三種事故后果類型分別進(jìn)行數(shù)值模擬，得到每種事故可能的影響區(qū)域，并根據(jù)事故后果的嚴(yán)重程度，將危險(xiǎn)區(qū)域劃分為不同的等級(jí)。最后以北京市某次高壓燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏導(dǎo)致火災(zāi)爆炸事故為例，利用上述方法模擬可能導(dǎo)致的不同事故后果，得到事故的不同分區(qū)，并將圖表中的模擬結(jié)果定位在地圖中，實(shí)現(xiàn)了事故影響區(qū)域的直觀表現(xiàn)，有助于為事故后的應(yīng)急救援和人員緊急疏散提供地理位置信息。

ALOHA；燃?xì)夤艿佬孤换馂?zāi)爆炸；影響區(qū)域；數(shù)值模擬

近年來(lái)，我國(guó)發(fā)生了多起燃?xì)夤艿佬孤┦鹿剩瑖?yán)重時(shí)還導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故的發(fā)生，威脅著附近居民的生命及財(cái)產(chǎn)安全，給人們的正常生活帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在2015年3～5月期間，全國(guó)范圍內(nèi)共發(fā)生107次燃?xì)馐鹿剩渲腥細(xì)夤艿佬孤┦鹿收?0%左右。此外，近年來(lái)，北京市還發(fā)生多次燃?xì)夤艿佬孤?dǎo)致周邊居民緊急疏散的事故，如2005年4月12日，亦莊開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)施工不當(dāng)導(dǎo)致管道泄漏，附近600多戶居民被緊急疏散，2006年6月9日豐臺(tái)區(qū)玉泉營(yíng)附近燃?xì)夤艿涝獾绞┕て茐模浇儆嗑用癖皇枭1]。因此，對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┦鹿实挠绊憛^(qū)域進(jìn)行研究，預(yù)估城市燃?xì)夤艿佬孤┰斐傻奈：Ψ秶軌蚴箲?yīng)急管理人員明確危險(xiǎn)區(qū)域的范圍，以便組織該區(qū)域內(nèi)的人員按秩序安全撤離，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

綜合分析近年來(lái)發(fā)生的燃?xì)夤艿佬孤┦鹿剩艿佬孤┖蟮闹饕：κ腔馂?zāi)及爆炸。目前，針對(duì)燃?xì)庑孤┦鹿驶馂?zāi)爆炸的研究主要采用數(shù)學(xué)模型或數(shù)值模擬的方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。數(shù)學(xué)模型主要包括氣體泄漏數(shù)學(xué)模型、噴射火數(shù)學(xué)模型、氣云爆炸數(shù)學(xué)模型等[2-6]。如韓朱旸等[7]對(duì)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏后可能導(dǎo)致的不同事故后果及每種后果對(duì)應(yīng)的物理模型進(jìn)行了分析和綜述；牛偉偉[1]對(duì)城市天然氣管道泄漏的影響因素進(jìn)行了分析，并將天然氣管道泄漏后火災(zāi)爆炸數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到事故應(yīng)急救援系統(tǒng)中。數(shù)值模擬方法主要是利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┣闆r進(jìn)行模擬，如流體力學(xué)軟件Fluent、氣體泄漏擴(kuò)散及爆炸軟件FLACS、后果模擬軟件PHAST及SAFETI等[8-12]，但這些數(shù)值模擬方法一般為離線模擬，過(guò)程比較復(fù)雜，計(jì)算耗時(shí)，不能在事故發(fā)生后實(shí)時(shí)地得出模擬結(jié)果，不利于應(yīng)急人員及時(shí)做出疏散決策。

針對(duì)上述不足，本文通過(guò)ALOHA軟件對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┖蟮幕馂?zāi)爆炸情況進(jìn)行數(shù)值模擬，利用其中的噴射火模型、閃火模型和氣云爆炸模型對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┖罂赡軐?dǎo)致的噴射火、氣云燃燒和氣云爆炸事故的影響區(qū)域進(jìn)行計(jì)算與評(píng)估，且過(guò)程簡(jiǎn)單，事故影響區(qū)域明了，便于事故后人員應(yīng)急疏散時(shí)路徑的優(yōu)選。

1 城市燃?xì)夤艿佬孤┦鹿屎蠊愋?/h2>

城市燃?xì)夤艿佬孤┑脑蛲ǔ０ㄒ韵聨讉€(gè)方面：①管道腐蝕、老化出現(xiàn)小孔或裂紋，導(dǎo)致燃?xì)鈴男】谆蛄鸭y處泄漏；②管道受到第三方破壞，出現(xiàn)裂紋或斷裂，致使燃?xì)庑孤缭獾酵饬ψ矒艋蜍囕v碾壓等；③管道上的閥門(mén)或其他附件損壞，致使管線泄漏；④用戶在使用過(guò)程中私自改裝燃?xì)夤芫€，引起管道泄漏等。泄漏后的燃?xì)鈱?huì)與空氣混合形成爆炸性混合氣體，在遇到明火或其他點(diǎn)火源時(shí)很有可能發(fā)生火災(zāi)或爆炸[13-14]。

城市燃?xì)夤艿佬孤┖罂赡軙?huì)導(dǎo)致噴射火、氣云燃燒和氣云爆炸三種不同的事故后果類型。

(1) 噴射火。管道在腐蝕、老化或第三方破壞情況下發(fā)生泄漏，如果管道內(nèi)壓力較高，燃?xì)鈱?huì)在高壓作用下高速向外噴出。燃?xì)庠谙蛲鈬娚溥^(guò)程中產(chǎn)生靜電火花或遇到明火、電火花或其他點(diǎn)火源等，則很有可能形成向外噴射的火焰，導(dǎo)致發(fā)生噴射火，噴射火是燃?xì)夤艿佬孤┖蟊容^常見(jiàn)的一種事故后果類型。

(2) 氣云燃燒。正常運(yùn)行的管道或開(kāi)挖裸露在外的管道發(fā)生泄漏后，如果燃?xì)鉀](méi)有在泄漏口立即點(diǎn)燃，將會(huì)沿管溝或通風(fēng)口等向外擴(kuò)散，并與空氣充分混合形成爆炸性混合氣體，在遇到明火等點(diǎn)火源后，很有可能引發(fā)氣云燃燒或爆炸，氣云燃燒將會(huì)產(chǎn)生大量的熱輻射，對(duì)周邊人員及環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。

(3) 氣云爆炸。氣云爆炸發(fā)生的前提與氣云燃燒類似，也是燃?xì)庠谂c空氣充分混合后引起的，但氣云爆炸的最大危害是產(chǎn)生較大的爆炸沖擊波破壞。

雖然天然氣密度比空氣小，很難形成持續(xù)的氣云，發(fā)生氣云燃燒和氣云爆炸的機(jī)率相對(duì)較小，但是氣云燃燒和氣云爆炸將會(huì)給周邊居民的正常生活產(chǎn)生嚴(yán)重影響，造成一定危害，因此有必要對(duì)燃?xì)庑孤┛赡軐?dǎo)致的事故后果及其具體影響區(qū)域進(jìn)行評(píng)估。

2 ALOHA數(shù)值模擬方法

ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)是為應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏及應(yīng)急培訓(xùn)與演練開(kāi)發(fā)的一種計(jì)算機(jī)模擬軟件，其數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)包含千余種化學(xué)品的信息，主要用于模擬危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏后的有毒氣體擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸過(guò)程。ALOHA模擬軟件提供了氣體直接擴(kuò)散(Direct)、液池蒸發(fā)(Puddle)、儲(chǔ)罐泄漏(Tank)和氣體管道泄漏(Gas Pipeline)4種泄漏源形式，并通過(guò)一系列對(duì)話框的形式提示輸入場(chǎng)景信息(如危險(xiǎn)化學(xué)品信息、天氣情況、泄漏源等)及設(shè)備信息等之后，以圖表或文本框的形式輸出計(jì)算結(jié)果，其操作簡(jiǎn)便、結(jié)果形象直觀。ALOHA軟件中氣體管道泄漏源(Source)下的噴射火模型、閃火模型和氣云爆炸模型可用于模擬城市天然氣管道泄漏的火災(zāi)爆炸過(guò)程,其具體流程如下(見(jiàn)圖1)：

(1) 設(shè)置危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏的位置、時(shí)間及泄漏點(diǎn)周圍建筑物信息等。

(2) 在ALOHA數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)選擇具體的危險(xiǎn)化學(xué)品。

(3) 設(shè)置危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏時(shí)的大氣條件及其他環(huán)境信息，如環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、云層情況、地面粗糙程度等。

(4) 選擇泄漏源并設(shè)置泄漏設(shè)備的具體信息，如溫度、壓力等。

圖1 基于ALOHA的城市燃?xì)夤艿佬孤┗馂?zāi)爆炸數(shù)值模擬流程Fig.1 Flow chart of numerical simulation of fire and explosion caused by the urban natural gas pipeline leakage based on ALOHA

(5) 以圖表或文本的格式顯示泄漏事故影響區(qū)域。

3 實(shí)例應(yīng)用與分析

依據(jù)ALOHA對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┖蠡馂?zāi)爆炸的數(shù)值模擬流程，本文以北京市某段次高壓燃?xì)夤艿佬孤槔⑷細(xì)夤艿佬孤┖蠡馂?zāi)爆炸的基本模型，在此基礎(chǔ)上利用ALOHA軟件對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┗馂?zāi)爆炸事故的后果進(jìn)行數(shù)值模擬，并估算事故的大致影響區(qū)域。

3.1 燃?xì)夤艿佬孤┦鹿矢艣r

北京市某段次高壓燃?xì)夤艿腊l(fā)生管道破裂導(dǎo)致泄漏事故，其中事故發(fā)生地點(diǎn)具體位置如圖2所示。事故發(fā)生當(dāng)天為東風(fēng)，平均風(fēng)速為2 m/s，大氣溫度為20℃。泄漏管道全長(zhǎng)30 km，直徑為500 mm，管道的正常工作壓力為0.7 MPa，管道內(nèi)溫度為20℃，泄漏口直徑約為管道直徑的20%[15]。

圖2 燃?xì)夤艿佬孤c(diǎn)位置示意圖Fig.2 Schematic map of location of the natural gas pipeline leakage spot

3.2 燃?xì)夤艿佬孤┦鹿手饕獏?shù)設(shè)置

表1為ALOHA軟件模擬中的一些主要參數(shù)，包括泄漏物質(zhì)、地理位置、大氣環(huán)境和泄漏源等信息。

表1 燃?xì)夤艿佬孤┦鹿手饕獏?shù)

3.3 模型求解

本次模擬主要涉及到的模型有噴射火模型、閃火模型和蒸氣云爆炸模型。

3.3.1 噴射火

噴射火的主要危害是熱輻射對(duì)周圍人員的傷害及對(duì)建筑物的損害。ALOHA軟件中以噴射火模型對(duì)噴射火熱輻射進(jìn)行模擬，并以噴射火熱輻射在60 s內(nèi)對(duì)人體造成致命傷害(10 kW/m2)、二度燒傷(5 kW/m2)和皮膚疼痛傷害(2 kW/m2)作為劃分危險(xiǎn)區(qū)域的3個(gè)界限[16]。

3.3.2 氣云燃燒

氣云燃燒的危害也是產(chǎn)生大量的熱輻射。ALOHA軟件中以閃火模型對(duì)氣云燃燒進(jìn)行模擬，并以爆炸下限LEL(Lower Explosive Limit)(5%)、60%LEL(3%)作為劃分危險(xiǎn)區(qū)域的2個(gè)界限。

3.3.3 氣云爆炸

天然氣發(fā)生氣云爆炸的概率雖然小于氣云燃燒，但氣云爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊波不僅會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生致命傷害，而且對(duì)建筑物破壞也很大。ALOHA軟件中以蒸氣云爆炸模型對(duì)氣云爆炸產(chǎn)生的沖擊波進(jìn)行模擬，并以爆炸沖擊波對(duì)建筑物產(chǎn)生破壞(8.0psi)、人員嚴(yán)重傷害(3.5psi)和玻璃震碎(1.0psi)作為劃分危險(xiǎn)區(qū)域的3個(gè)界限。

3.4 模擬結(jié)果與分析

3.4.1 噴射火

該燃?xì)夤艿佬沟揽赡馨l(fā)生噴射火事故的影響區(qū)域數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表2,將燃?xì)夤艿佬孤┌l(fā)生噴射火的可能區(qū)域在地圖中的顯示見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，噴射火熱輻射的影響區(qū)域內(nèi)除了建筑工地以外，并沒(méi)有覆蓋其他人員密集場(chǎng)所；此外泄漏點(diǎn)位于交叉路口旁，因此如果天然氣泄漏后發(fā)生噴射火，將會(huì)對(duì)過(guò)往行人及靠近泄漏點(diǎn)的建筑工地內(nèi)的人員產(chǎn)生較大的傷害。

表2 燃?xì)夤艿佬孤┛赡馨l(fā)生噴射火事故的影響區(qū)域

圖3 燃?xì)夤艿佬孤┛赡馨l(fā)生噴射火事故的影響 區(qū)域示意圖Fig.3 Schematic diagram of the affected areas of the possible jet fire accident caused by the natural gas pipeline leakage

3.4.2 氣云燃燒

燃?xì)夤艿佬孤┛赡馨l(fā)生氣云燃燒的影響區(qū)域的數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表3。模擬所得數(shù)據(jù)是用2個(gè)小于或等于爆炸下限的值LEL和60%LEL作為劃分依據(jù)，因此得到的結(jié)果可能會(huì)略大于真實(shí)值，但并不影響考慮后續(xù)的應(yīng)急疏散等。燃?xì)夤艿佬孤┌l(fā)生氣云燃燒的可能區(qū)域在地圖中的顯示見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，泄漏點(diǎn)以西約78 m內(nèi)為危險(xiǎn)區(qū)，并且由于風(fēng)向的不確定性，天然氣可能還會(huì)向西北或西南方向擴(kuò)散。因此，為了防止發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故，應(yīng)該盡快通知危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)人員停止可能產(chǎn)生點(diǎn)火源的行為，并組織危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)居民向泄漏點(diǎn)以東方向疏散，以盡可能減小人員傷亡的可能。

表3 燃?xì)夤艿佬孤┛赡馨l(fā)生氣云燃燒事故的影響區(qū)域

圖4 燃?xì)夤艿佬孤┛赡馨l(fā)生氣云燃燒事故的影響 區(qū)域示意圖Fig.4 Schematic diagram of the affected areas of the possible vapor cloud fire caused by the natural gas pipeline leakage

3.4.3 氣云爆炸

燃?xì)夤艿佬孤┛赡馨l(fā)生氣云爆炸事故的影響區(qū)域的數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表4,燃?xì)夤艿佬孤┌l(fā)生氣云爆轟的可能區(qū)域在地圖上的顯示見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，燃?xì)夤艿佬孤┌l(fā)生氣云爆轟后對(duì)周圍80多米內(nèi)的區(qū)域都會(huì)產(chǎn)生影響，且危害較大，周圍31 m內(nèi)的非加固建筑物將會(huì)遭到毀壞，人員也會(huì)受到嚴(yán)重傷害。因此，一旦發(fā)生燃?xì)庑孤诒M量短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行人員疏散，以避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

表4 燃?xì)夤艿佬孤┛赡馨l(fā)生氣云爆炸事故的影響區(qū)域

圖5 燃?xì)夤艿佬孤┛赡馨l(fā)生氣云爆炸事故的影響 區(qū)域示意圖Fig.5 Schematic diagram of the affected areas of the possible vapor cloud fire caused by the natural gas pipeline leakage

4 結(jié)論與建議

本文針對(duì)城市燃?xì)夤艿佬孤┦鹿剩治隽巳細(xì)夤艿佬孤┖罂赡軐?dǎo)致的事故后果，利用ALOHA模擬軟件對(duì)不同的事故后果進(jìn)行了數(shù)值模擬，確定出事故可能的影響區(qū)域，并對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域劃分。通過(guò)實(shí)例應(yīng)用，利用上述方法模擬可能導(dǎo)致的不同事故后果，得到事故的不同分區(qū)，并實(shí)現(xiàn)了事故影響區(qū)域的直觀表現(xiàn)，從而驗(yàn)證了可將ALOHA軟件模擬作為確定城市燃?xì)夤艿佬孤┦鹿视绊憛^(qū)域的重要手段。此外，由于本文只是對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┖罂赡軐?dǎo)致的事故的影響區(qū)域進(jìn)行估計(jì)，并沒(méi)有對(duì)泄漏事故進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)分析，因此今后可以在此基礎(chǔ)上對(duì)燃?xì)夤艿佬孤┦鹿屎蠊M(jìn)行研究，為制定準(zhǔn)確的應(yīng)急救援預(yù)案奠定基礎(chǔ)。

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Numerical Simulation of Fire & Explosion-affected Areas Caused by the Urban Natural Gas Pipeline Leakage Based on ALOHA

MA Qingchun,ZHANG Bo

(CollegeofMechanicalandTransportationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China)

Aiming at the leakage accidents of the urban natural gas pipeline,this paper analyzes the types of accident consequences including jet fire,flash fire and vapor cloud explosion.Then the paper conducts numerical simulations of the above three types by applying the corresponding models in ALOHA to obtain the affected areas under each accident scenario.Next,the paper divides the dangerous areas into different levels based on accident consequences.Lastly,the paper takes the fire and explosion accidents caused by the leakage of a sub-high pressure natural gas pipeline in Beijing as an example,applies the above method to simulate the possible accident consequences and obtain the sub-regions.Besides,in order to realize the visualization of the affected areas,the paper shows the simulation results on Google Earth,which shall be helpful for emergency rescue and evacuation after accidents by providing geographical position information of the accidents.

ALOHA;natural gas pipeline leakage;fire and explosion;affected area;numerical simulation

張明廣(1981—)，男，副教授，主要從事化工園區(qū)風(fēng)險(xiǎn)分析方面的研究工作。E-mail：tianzhuima@sina.com

1671-1556(2016)02-0075-05

2015-07-27

2015-10-14

馬慶春(1972—)，女，博士，副教授，主要從事石油化工安全檢測(cè)與事故模擬技術(shù)等方面的研究。E-mail: maqingchun@cup.edu.cn

X928.7;TU996.7

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.02.015