雷靜電作用下儲(chǔ)氣庫安全危害分析*

駱正山，劉 璐，張新生，王小完

(西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710055)

天然氣為作為一種綠色高效能源，在我國的能源結(jié)構(gòu)中占比較大[1]。儲(chǔ)氣庫是天然氣調(diào)峰的重要手段之一，近年來國內(nèi)外儲(chǔ)氣庫發(fā)生泄漏與爆炸的事故超過數(shù)十余起[2]，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅。美國加州Aliso Canyon儲(chǔ)氣庫發(fā)生天然氣泄漏，持續(xù)了111 d，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)3.3億美元[3]。因此，開展儲(chǔ)氣庫安全分析具有重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)儲(chǔ)氣庫安全的研究主要是對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和泄漏后果危害分析：采用單因素分析法[4]或借助Bow-tie[5]對(duì)天然氣泄漏影響因素及風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析；李麗鋒等[3]使用阻流模型和高斯煙羽模型對(duì)儲(chǔ)氣庫注采井泄漏后的泄漏速率和擴(kuò)散范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)，借助TNT當(dāng)量法計(jì)算爆炸危害范圍；劉狄龍[6]利用TNT當(dāng)量法對(duì)蒸氣云爆炸和沸騰液體蒸氣爆炸進(jìn)行定量的評(píng)估；陳國華等[7]對(duì)比分析TNT當(dāng)量法和TNO多能法預(yù)測(cè)蒸氣云爆炸危害范圍的結(jié)果，得TNO多能法在衡量爆炸后果方面準(zhǔn)確度較高；上述研究所采用的方法具有一定的局限性且精度不高，需要選擇合理有效的方法對(duì)儲(chǔ)氣庫安全進(jìn)行分析。同時(shí)，靜電是石油化工業(yè)火災(zāi)爆炸事故的主要成因，而對(duì)靜電的研究主要集中在事故原因分析和危險(xiǎn)性分析：從介紹靜電的產(chǎn)生和控制措施[8]，到采用模糊分析法和魚骨圖與層次分析法結(jié)合對(duì)靜電后果風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[9]，都未對(duì)靜電危害后果量化分析。加之，雷電是中國十大自然災(zāi)害，也會(huì)對(duì)儲(chǔ)氣庫安全產(chǎn)生很大影響。根據(jù)雷電致災(zāi)機(jī)理，對(duì)雷電進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和致災(zāi)因子相關(guān)性分析[10-11]，蘇伯尼等[12]對(duì)雷擊的全過程進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，得出雷擊后果的事故概率及危害范圍。

綜上，在研究?jī)?chǔ)氣庫安全時(shí)，主要考慮影響其泄漏的因素并對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和分析，未將具體的環(huán)境因素的影響考慮在內(nèi)。而對(duì)于雷電和靜電危害分析的研究均是對(duì)單個(gè)方面進(jìn)行分析，缺乏綜合考慮兩者共同作用在儲(chǔ)氣庫的后果。因此，本文提出對(duì)雷靜電影響下的儲(chǔ)氣庫泄漏后果進(jìn)行預(yù)測(cè)。

鑒于此，分析靜電聚集和雷電因素影響下儲(chǔ)氣庫泄漏后果，構(gòu)建雷靜電概率模型和儲(chǔ)氣庫泄漏后果模型，得出雷靜電對(duì)儲(chǔ)氣庫的影響概率，并對(duì)此情況下的儲(chǔ)氣庫泄漏后果分析。

1 理論分析

儲(chǔ)氣庫注采井泄漏包括井口泄漏和地層遷移泄漏。地層遷移泄漏分為遷移至其他地層和遷移后泄漏至大氣。不同情況導(dǎo)致的后果見圖1。

圖1 儲(chǔ)氣庫泄漏事故模擬圖

雷電是發(fā)生于大氣中的瞬時(shí)電壓和電流高、電磁輻射強(qiáng)的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象[13]。根據(jù)其種類不同造成的危害分別為直擊雷會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生破壞和感應(yīng)雷會(huì)通過室外的金屬線引燃室內(nèi)物體。雷電機(jī)理即在形成雷云的過程中，遇到地面較高的建筑物時(shí)，雷閃電流的電磁場(chǎng)作用導(dǎo)致建筑物外部的導(dǎo)體感應(yīng)產(chǎn)生電流或電壓進(jìn)入內(nèi)部，造成雷擊[14]。

2 建模

基于雷電機(jī)理和靜電聚集理論，建立雷靜電概率模型；基于高斯煙羽模型和CCPS-BST模型，建立儲(chǔ)氣庫泄漏后果模型。

2.1 雷靜電概率模型

計(jì)算閃電擊中儲(chǔ)氣庫及靜電引起火花的期望，得出雷靜電引發(fā)火災(zāi)的概率。

(1)雷電擊中儲(chǔ)氣庫概率。基于IEC(國際電工委員會(huì))提出的《IEC62305-2雷電防護(hù)第2部分：風(fēng)險(xiǎn)管理》，對(duì)儲(chǔ)氣庫年遭雷擊次數(shù)ND計(jì)算：

ND=NG×AD×CD×10-6。

(1)

式中：NG為雷擊大地密度：NG=0.1Td，Td為雷暴日數(shù)；AD為截收面積；CD為相對(duì)位置因子

(2)靜電引發(fā)火災(zāi)爆炸概率。靜電放電量是指通過火花放電釋放的能量。靜電放電量為：

事件懸念指的是在小說情節(jié)發(fā)展中所設(shè)置的疑團(tuán)，旨在引起讀者的好奇心和求知欲，激發(fā)讀者更強(qiáng)烈地讀下去的欲望。在閱讀過程中，事件懸念引起讀者對(duì)事件發(fā)展和人物命運(yùn)的急切關(guān)注，并使讀者產(chǎn)生心理移情和換位思考，引導(dǎo)讀者探知預(yù)設(shè)的謎底。（Cordle 2008：21）如果猜到的謎底與小說隨后出現(xiàn)的答案一致，讀者會(huì)產(chǎn)生領(lǐng)悟了故事情節(jié)的成就感；如果不吻合，讀者會(huì)對(duì)作者超凡的藝術(shù)設(shè)置產(chǎn)生欽佩之情，從而激發(fā)出更強(qiáng)烈的閱讀興趣和探究欲望。石黑一雄在《被掩埋的巨人》里所設(shè)置的事件懸念可以分為總體式懸念、頂針式懸念和切入式懸念。

(2)

式中：W為靜電放電量；C為靜電電容；V為帶電點(diǎn)位即靜電電位差。

儲(chǔ)氣庫庫體的導(dǎo)電片是火災(zāi)爆炸的主要點(diǎn)火源之一。實(shí)驗(yàn)測(cè)得通過電流達(dá)到400 A即可使得導(dǎo)電片產(chǎn)生點(diǎn)燃性火花[12]。若有n個(gè)導(dǎo)電片，庫體是等勢(shì)體則全部導(dǎo)電片是并聯(lián)的，因此，需約I≥n×400 A的電流使得靜電聚集產(chǎn)生火花。

閃電電流與負(fù)載電阻無關(guān)，基于國家標(biāo)準(zhǔn)《DL/T620—1997 交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》可得電流值:

(3)

式中：I為電流幅度值(kA)；P為雷電實(shí)際電流超過I的概率。

由式(3)得靜電電荷積累到期望值的概率，乘以每年閃電擊中儲(chǔ)氣庫的期望，即得閃電擊中儲(chǔ)氣庫并產(chǎn)生火花的概率。

2.2 泄漏后果模型

高斯煙羽模型預(yù)測(cè)天然氣擴(kuò)散質(zhì)量濃度分布，結(jié)合閃火的后果評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，確定閃火的危害范圍；采用CCPS-BST模型預(yù)測(cè)蒸氣云爆炸的危害范圍。

(1)高斯煙羽模型。在預(yù)測(cè)氣體擴(kuò)散范圍的模型中，DEGADIS模型適用重氣，BM模型適用中性氣體，高斯煙羽模型適用于中性氣體且周圍比較開闊的情況，具有簡(jiǎn)便易于理解和計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能較好吻合的優(yōu)點(diǎn)[15]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(4)

式中：C(x，y，z)為下風(fēng)向給定地點(diǎn)(x，y，z)處空氣中物質(zhì)的質(zhì)量濃度(g/m3)；H為泄漏源強(qiáng)的高度(m)；Q為泄漏速率(源強(qiáng))(g/s)；u為風(fēng)速(m/s)；x為下風(fēng)向距離(m)；y為側(cè)向風(fēng)距離(m)；z為垂直風(fēng)向距離(m)；σy、σz分別為側(cè)向風(fēng)向和垂直風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[16]取值。

(2)閃火模型。閃火是種非爆炸性燃燒過程，即可燃?xì)怏w或蒸氣與空氣混合后被點(diǎn)燃，其主要危害是灼燒和熱輻射。由于其熱輻射造成的傷害不大，主要分析直接灼燒的危害后果。從歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)(EIGA) 4得閃火的危害后果可采用混合氣體濃度燃燒下限來衡量。

(3)CCPS-BST 爆炸模型。蒸氣云爆炸的危害范圍預(yù)測(cè)主要是通過利用關(guān)系模型，即：TNT當(dāng)量模型、TNO多能法和Baker-Strehlow-Tang模型等。TNT當(dāng)量模型的依據(jù)是高能炸藥爆炸，低估了遠(yuǎn)距離的破壞，且當(dāng)距離爆炸波中心的距離接近零時(shí)，超壓會(huì)接近無限大，即高估了近距離的傷害范圍[17]。TNO多能法需要選擇合適的爆源強(qiáng)度，但缺少定量選擇的原則，也并未考慮不同可燃物對(duì)爆炸波的影響。Baker-Strehlow-Tang(BST)模型是由一組無量綱距離、無量綱峰值側(cè)向超壓的曲線組成，是根據(jù)火焰?zhèn)鞑ニ俣葋磉x取不同的爆炸波強(qiáng)度曲線，從而得出數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際較為接近。

因此，建立CCPS-BST模型對(duì)爆炸危害范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過CCPS模型得爆炸的總能量，BST確定爆炸超壓，以超壓為后果評(píng)價(jià)準(zhǔn)則確定爆炸的危害范圍。

CCPS蒸氣云爆炸模型的計(jì)算公式如下：

E=ref×ef×He×Mass。

(5)

式中：E為爆炸總能量(MJ)；ref為地面反射因子；He為蒸氣的燃燒熱(MJ/kg)；Mass為蒸氣云爆炸的總質(zhì)量(kg)。

由式(5)得爆炸總能量E，通過BST計(jì)算爆炸沖擊波超壓：

(6)

(7)

式中：r為距爆炸中心的距離(m)；patm為大氣壓強(qiáng)(MPa)；A、B、D、x0為常數(shù)，其取值參考文獻(xiàn)[18]。

3 實(shí)例分析

雷雨天氣下，某儲(chǔ)氣庫發(fā)生泄漏，占地面積約2.8×105m2，天然氣的儲(chǔ)藏溫度為-18℃，壓力為4.6 MPa。假定儲(chǔ)氣庫中裝有天然氣60 t，發(fā)生泄漏事故時(shí)一半，即泄漏量為30 t，室外平均氣溫為28℃，風(fēng)速在2～6 m/s間變化。所在地的大氣穩(wěn)定度頻率用帕斯奎爾( Passquil)分級(jí)法[19]表示，將大氣的擴(kuò)散能力分為6個(gè)穩(wěn)定度級(jí)別: 從A到F級(jí)表示氣象逐漸穩(wěn)定。經(jīng)調(diào)查得，當(dāng)?shù)卮髿夥€(wěn)定度主要集中在B、C、D三個(gè)等級(jí)。

3.1 ALOHA及范圍確定

ALOHA具有較強(qiáng)的通用性，含多種擴(kuò)散和爆炸模型，能全面較好的模擬天然氣泄漏后果、閃火及蒸氣云爆炸危害范圍。閃火的危害主要考慮火焰直接灼燒，以氣體爆炸下限(Lower Explosive Limit，LEL)來確定閃火的危害后果和范圍，具體如表1所示。蒸氣云爆炸的危害后果以超壓準(zhǔn)則來確定，不同超壓值對(duì)目標(biāo)物的損害對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表1 閃火危害范圍劃分[20]

表2 蒸氣云爆炸的危害范圍劃分[21]

3.2 研究結(jié)果

通過ALOHA模擬大氣穩(wěn)定度為C，風(fēng)速為4 m/s的氣體擴(kuò)散范圍、閃火及爆炸的危害范圍及不同風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度對(duì)泄漏后果的影響如下圖所示。

(1)雷靜電對(duì)泄漏影響概率。根據(jù)式(1)得儲(chǔ)氣庫的年遭雷擊次數(shù)的期望ND為 0.899 6。若庫體有30個(gè)導(dǎo)電片，引發(fā)火花所需電流為12 kA，則靜電聚集產(chǎn)生火災(zāi)的概率為0.73，雷電擊中儲(chǔ)氣庫產(chǎn)生火花次數(shù)的期望為0.657 7。

由此可見，在雷電產(chǎn)生火花的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于50%，在雷電和靜電的共同作用下，產(chǎn)生火花，導(dǎo)致天然氣在泄漏后由簡(jiǎn)單的泄漏變成閃火或爆炸的概率極大。

(2)氣體擴(kuò)散范圍。由圖2得，氣體擴(kuò)散范圍沿著主導(dǎo)風(fēng)向呈梭形分布，沿下風(fēng)向的擴(kuò)散距離大于下風(fēng)向兩側(cè)的距離，且濃度隨著距離的增加而逐漸降低。圖3可知天然氣的擴(kuò)散距離隨著風(fēng)速的增加而減小，大氣越穩(wěn)定，天然氣不易擴(kuò)散，相同濃度下的擴(kuò)散范圍大。

圖2 儲(chǔ)氣庫泄漏后的氣體擴(kuò)散分布

圖3 不同大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速對(duì)應(yīng)的TEEL-1距離

(3)閃火的危害范圍。從圖4中可得閃火危害范圍沿風(fēng)向呈梭形分布，與天然氣擴(kuò)散規(guī)律相似，在主導(dǎo)風(fēng)向的危害距離大于主導(dǎo)風(fēng)向兩側(cè)。風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度對(duì)易于發(fā)生閃火范圍(圖5)的影響規(guī)律相似，即風(fēng)速越低，氣體越易聚集，閃火的危害距離越大；大氣越穩(wěn)定，氣云易聚集且擴(kuò)散緩慢，閃火危害范圍增加。

圖4 儲(chǔ)氣庫泄漏后的閃火危害范圍

圖5 不同風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度的易于發(fā)生閃火半徑

(4)蒸氣云爆炸的危害范圍。由圖6得蒸氣云危害范圍由中心開始向四周擴(kuò)散。同時(shí)，隨著風(fēng)速由2 m/s增加到6 m/s，對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散形成的氣云擾動(dòng)加強(qiáng)，天然氣難以聚集，使得蒸氣云爆炸的傷害半徑顯著減小，爆炸的危害范圍隨著大氣穩(wěn)定度的降低而減小(圖7)。

圖6 蒸氣云爆炸的危害范圍

圖7 不同風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度下爆炸死亡區(qū)半徑

4 討論

通過不同擴(kuò)散模型和爆炸模型得出的氣體擴(kuò)散范圍和爆炸危害距離見表3、表4。與BM模型和DEGADIS模型比較，高斯煙羽模型所得結(jié)果較為全面，更加適用于模擬天然氣的擴(kuò)散范圍。CCPS-BST模型彌補(bǔ)了TNT當(dāng)量法局限性及TNO多能法結(jié)果相對(duì)比較保守的缺陷，預(yù)測(cè)的爆炸危害范圍較為準(zhǔn)確和全面。

表3 不同模型得出天然氣擴(kuò)散距離

表4 不同模型得出蒸氣云爆炸危害距離

5 結(jié)論

針對(duì)雷靜電作用下的儲(chǔ)氣庫泄漏情況，通過ALOHA模擬天然氣泄漏導(dǎo)致的閃火和蒸氣云爆炸危害范圍，可得以下結(jié)論：

(1)本研究建立雷靜電概率模型和儲(chǔ)氣庫泄漏后果模型，能更好的對(duì)雷靜電影響下的儲(chǔ)氣庫泄漏后果進(jìn)行全面有效的評(píng)價(jià)。在雷電和靜電的共同作用下，儲(chǔ)氣庫泄漏的概率大大增加。儲(chǔ)氣庫泄漏后的氣體擴(kuò)散范圍、閃火及爆炸的危害范圍都會(huì)受到風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度的影響，危害范圍隨著風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度的降低而增大。

(2)研究?jī)?chǔ)氣庫泄漏后果時(shí)考慮雷電和靜電的影響，具有顯著的科學(xué)價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義，也為儲(chǔ)氣庫泄漏的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和防范提供了較為可靠的理論支持，進(jìn)而豐富了對(duì)儲(chǔ)氣庫災(zāi)害后果研究的理論體系。