輸氣干線放空系統火災爆炸事故后果評估

許 娟 賈彥杰 徐 麗 陳崎奇 楊 斯 白 雪

(1. 中國石油西南管道昆明輸油氣分公司；2. 中國石油管道建設項目經理部中緬項目部；3. 中國石油大學儲運與建筑工程學院)

輸氣干線放空系統火災爆炸事故后果評估

許 娟*1賈彥杰1徐 麗1陳崎奇1楊 斯2白 雪3

(1. 中國石油西南管道昆明輸油氣分公司；2. 中國石油管道建設項目經理部中緬項目部；3. 中國石油大學儲運與建筑工程學院)

首先采用FLUENT軟件對放空氣體擴散進行定量計算，確定火災爆炸的中心，然后采用挪威船級社PHAST軟件對放空氣體可能產生的火災爆炸影響范圍進行定量計算和影響分析，最終確定不同放空量和風速下地面上火球事故爆炸和熱輻射范圍，對放空系統安全設計和應急救援具有一定的意義。

輸氣干線 放空系統 FLUENT PHAST 火災爆炸 后果評估

放空系統是天然氣站場安全設施的重要組成部分，其安全與否關系到輸氣管道和處理裝置的平穩運行和人民生命財產及國有資產的安全。在進行天然氣放空時，放空管天然氣擴散后與空氣混合形成天然氣-空氣預混氣云，當該氣云達到燃爆極限時，如遇火源就會發生火災或爆炸事故，其產生的巨大火焰熱輻射和爆炸沖擊波將嚴重威脅管道、生產設施和人員安全[1]。所以，對天然氣放空系統進行風險分析和事故后果模擬是一項具有現實應用價值的研究。

1 火災爆炸事故模型

在可燃氣云發生火災、爆炸時，約有10%可燃性混合氣體發生爆炸，并產生沖擊波；約90% 的可燃性混合氣體產生燃燒并形成火球。因此，在對可燃性混合氣體火災爆炸后果進行定量安全評價時，應分析發生爆炸的10%可燃性混合氣體產生的事故后果，以及90%的可燃性混合氣體產生燃燒、形成火球所產生的后果[2]。

1.1爆炸沖擊波事故模型

在進行爆炸沖擊波后果評價時，常常把可燃氣云爆炸的破壞作用轉化成TNT爆炸的破壞作用，按照參加爆轟的天然氣體積所占整個氣云體積的百分數即TNT收率將可燃氣云爆炸能量轉化為TNT當量質量[3]，然后按常用的TNT標準爆源爆炸后的計算公式求解爆炸場內各點的超壓值，再根據此爆炸場參數對目標的毀傷進行評估[4]。

本例中放空管高度20m，根據危害最大化原則，將TNT收率取為10%進行危害評價，則參加爆炸的天然氣質量為：

md=10%m

式中m——可燃性氣體質量，kg；

md——發生爆炸的氣體質量，kg。

其中，對于放空的可燃性氣體質量可根據放空的天然氣體積(標準狀況下)進行計算：

m=Qρ

式中Q——標準工況下放空天然氣體積，Nm3；

ρ——標準工況下天然氣密度，kg/m3。

等效TNT質量的換算公式為：

Qd=mdΔHd

式中 ΔHd——天然氣(甲烷)爆炸熱；

Qd——天然氣爆轟時放出的總能量，kJ；

QTNT——TNT標準爆源的爆熱值，取為4.5MJ/kg。

對于質量為mTNT的TNT標準爆源，發生爆炸時，爆炸場沖擊波超壓計算公式為：

式中 Δp——爆炸波的入射超壓，Pa；

R——爆炸場某點至爆源的距離，m。

受沖擊波作用目標的破壞程度直接取決于作用到目標上的沖擊波特性和目標自身的承載能力，三者之間的依賴關系通常統稱為沖擊波破壞準則或標準。多數情況下，沖擊波的破壞傷害作用是由超壓引起的，當受體接受的沖擊波超壓值超過其破壞的臨界超壓值時，即被破壞[5]。人體所能承受的沖擊波閾值為0.1MPa，沖擊波超壓對人體的損害情況見表1[2]。

表1 沖擊波閾值對人體的損害情況

1.2火球熱輻射事故模型

火球危害評價包括兩部分，即火球性質參數和火球熱輻射影響半徑的計算[6]。

火球性質參數主要有火球半徑、火球持續時間及火球高度等，其中火球半徑和火球持續時間計算公式為：

R=1.85ω0.325

t=0.25ω0.349

式中R——火球半徑，m；

t——火球持續時間，s；

ω——燃燒量(參與燃燒反應的天然氣與氧氣質量之和)，kg。

根據目標接受的熱輻射劑量公式可推導出目標物距離火球中心的水平距離[7]：

Qt=m1Hc=0.9mHc

式中Hc——天然氣(甲烷)的燃燒熱；

[10] 溫廣益：《1967年以來印尼華文教育的沉浮》，《華僑華人歷史研究》1997年第3期，第58頁。

m1——參與燃燒的擴散天然氣，m1=0.9m；

q——目標接受的熱輻射劑量，J/m2；

Qt——火球的總輻射量，J；

Tc——熱傳導系數，一般保守取值1.0；

x——目標物距離火球中心的水平距離，m。

在熱輻射作用下目標可能被破壞，這里的目標指的是可能被燒壞的任何客體，如人員、建筑物及木材等。國內外研究機構給出了相應的熱輻射破壞準則，分別為：熱輻射劑量準則、熱輻射強度準則和熱劑量-熱強度準則[8]。其中熱劑量為熱通量與熱輻射作用時間(即暴露時間，亦即火球持續時間)的乘積[9]。

熱劑量準則的適用范圍為：作用于目標的熱通量持續時間非常短，以至于目標接收到的熱量來不及散失掉。而天然氣-空氣預混氣云形成的火球燃燒可以認為是瞬態燃燒(持續時間一般只有幾秒)，因此采用熱劑量準則[10]，熱劑量閾值對人體的傷害見表2。

表2 熱劑量閾值與人體的傷害

2 火災爆炸模擬分析

2.1天然氣擴散數值模擬

采用FLUENT 軟件對放空系統放空管放空氣體的擴散進行模擬，分別以：平坦地形下，放空量37 400Nm3/h(8kg/s)、風速為5m/s；平坦地形下，放空量23 400Nm3/h(5kg/s)、風速為5m/s；平坦地形下，放空量23 400Nm3/h(5kg/s)、風速為17m/s為例，放空一段時間后擴散達到穩定狀態，爆炸下限濃度對應范圍不變，甲烷濃度分布如圖1所示(由于在側風向上甲烷濃度范圍較小，因此只顯示二維的濃度分布)，確定質心位置分別為(11.95，24.45)，(8.35，26.50)，(11.95，24.45)。

a. 平坦，37 400Nm3/h，5m/s

b. 平坦，23 400Nm3/h，5m/s

c. 平坦，23 400Nm3/h，17m/s

2.2火災爆炸數值模擬

爆炸沖擊波采用PHAST軟件中自帶的TNT Explosion模型進行模擬，火球熱輻射模擬采用PHAST軟件中自帶的Fireball模型進行模擬[11,12]，模擬得到火球熱輻射強度半徑和爆炸沖擊波超壓半徑如圖2、3所示。

a. 平坦，37 400Nm3/h，5m/s

b. 平坦，23 400Nm3/h，5m/s

c. 平坦，23 400Nm3/h，17m/s

a. 平坦，37 400Nm3/h，5m/s

b. 平坦，23 400Nm3/h，5m/s

c. 平坦，23 400Nm3/h，17m/s

根據上述擴散模擬和火災爆炸模擬結果確定距離地面1.5m高上爆炸沖擊波和火球熱輻射影響范圍，如圖4～6所示。

a. 火球熱輻射影響

b. 爆炸沖擊波影響

a. 火球熱輻射影響

b. 爆炸沖擊波影響

a. 火球熱輻射影響

b. 爆炸沖擊波影響

從圖4～6可以看出：

放空擴散氣體發生火災爆炸時，火球熱輻射和爆炸沖擊波產生的影響范圍由風速和放空量共同決定，當放空量一定時，風速越大，影響范圍越大；當風速一定時，放空量越大，影響范圍越大。

火球熱輻射的影響范圍大于爆炸沖擊波所產生的影響范圍。當放空管以放空量為37 400Nm3/h、風速為5m/s進行放空時，火球熱輻射最大影響范圍為88.07m，爆炸沖擊波最大影響范圍為18m，建議下方距離的人員撤出88.07m范圍的區域。

對比不同風速下火球熱輻射和爆炸沖擊波影響范圍可知，火球熱輻射和爆炸沖擊波基本不受風速的影響，風速將主要影響云團的質心即火球中心，隨著風速的增大云團的質心將向下偏移，對地面產生的影響范圍將增加。

3 結論

3.1放空擴散氣體發生火災爆炸時，火球熱輻射和爆炸沖擊波產生的影響范圍由風速和放空量共同決定，當放空量一定時，風速越大，影響范圍越大；當風速一定時，放空量越大，影響范圍越大。

3.2火球燃燒產生的危害要大于爆炸且危害半徑基本不受風速的影響，但風速影響云團的質心即火球爆炸中心，隨著風速的增大云團的質心將向下偏移，對地面產生的影響范圍將增加。

3.3放空系統擴散氣體火災爆炸事故具有不確定性，因此運用PHAST軟件對可能發生的事故后果進行定量計算和評估，模擬結果對放空系統的安全設計和事故預防具有一定的指導意義。

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FireExplosionConsequenceAssessmentforGasTransmissionLineVentingSystem

XU Juan1, JIA Yan-jie1, XU Li1, CHEN Qi-qi1,YANG Si2, BAI Xue3

(1.KunmingPetroleumGasTransportationBranch,PetroChinaSouthwestPipelineCo.,Kunming650000,China;2.ChinaandMyanmarProjectDepartment,PetroChinaPipelineConstructionProjectManagerBranch,Kunming650000,China; 3.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Making use of FLUENT software to quantitatively calculate the venting gas diffusion and to determine fire explosion’s center was implemented, including applying PHAST software to quantitatively calculate and analyze potential fire explosion’s scope of influence so that the heat radiation above the ground incurred by the explosion accident at different venting amount and wind speeds can be determined. This has certain significance for venting system security design and emergency rescue.

gas transmission line,venting system, FLUENT, PHAST software, fire explosion, consequence assessment

*許 娟，女，1986年2月生，工程師。云南省昆明市，650000。

TQ055.8

A

0254-6094(2016)03-0329-05

2015-09-22，

2015-10-20)