基于ALOHA軟件城鎮天然氣管道泄漏后果分析

金友平, 單 克, 周吉祥, 王文想, 黃亞海

(深圳市燃氣集團股份有限公司, 廣東 深圳 518049)

1 概述

據國家能源局發布的《中國天然氣發展報告(2023)》[1],截至2022年底,我國長輸天然氣管道總里程達到11.8×104km,“全國一張網”建設工作正在加快推進。然而,燃氣管道之間或燃氣管道和其他管道之間的相互交織,風險也越來越高,燃氣管道泄漏產生的后果也很嚴重。2017年7月,位于貴州省黔西南州晴隆縣的中石油燃氣管道發生全管徑斷裂引發燃燒爆炸,據事故調查報告,死亡8人,重傷35人[2]。2018年6月,中石油中緬天然氣輸氣管道因管道焊接失效引發管道斷裂,發生重大管道燃爆,造成1人死亡,23人受傷[3]。2019年3月,中石油泰青威天然氣管道發生泄漏,引發燃氣爆炸事故,事故沒有造成人員傷亡,但造成直接經濟損失905×104元[4]。燃氣管道的泄漏會造成人員傷亡和大量財產損失,爆炸產生的有害氣體會嚴重污染環境,對社會造成一定的恐慌。

國內有諸多學者對燃氣管道泄漏后果進行了深入的研究。崔紅偉等人[5]對天然氣管道工程案例運用ALOHA軟件模擬了泄漏后果,證明了ALOHA軟件對燃氣管道泄漏后果分析的可行性。王嵩梅等人[6]對城鎮地區的燃氣管道進行泄漏后果研究,運用ALOHA軟件對事故后果進行了模擬驗證,并結合個人風險等值線提出安全防控措施。馬慶春等人[7]研究了管道泄漏的多種后果,并將模擬結果直接顯示在地圖上,更加清晰地描述了管道的泄漏情況。李云濤等人[8]對天然氣管道全管徑斷裂泄漏運用多種模擬軟件進行驗證,并對比了軟件之間的差異,得出了天然氣管道全管徑斷裂的事故影響范圍。

對燃氣管道泄漏的研究,主流軟件有很多,如三維軟件FLACS、FDS、FLUENT等,基于簡化模型、經驗公式的二維軟件如DNV-PHAST、ALOHA、TNO-EFFECTS等。三維軟件和二維軟件各有優缺點,三維軟件能夠考慮地形和建筑物對擴散的影響,計算的精度較高,但計算時間長,不能適用突發的應急狀況。二維軟件計算速度快,在短時間內就能給出影響范圍,但計算的精度較低,也未能考慮地形和建筑物的影響。基于以上分析,本文選擇ALOHA軟件對燃氣管道泄漏的后果進行分析,ALOHA軟件在計算泄漏后果影響區域方面具有顯著優勢,能夠快速給出影響范圍,對爆炸、燃燒和泄漏都能快速得出結果[9]。

2 ALOHA軟件介紹

ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)軟件中設置了約1 000種常見的化學品,并且考慮了環境條件,如風速、大氣濕度、是否有建筑物遮擋等。軟件中氣體泄漏有多種模型,如氣體閃蒸模型、噴射火燃燒模型、氣云混合爆炸模型等[10]。另外,軟件中化學品泄漏有管道泄漏、儲罐泄漏以及直接點燃泄漏3種方式可模擬,其結果主要通過風險區域等級劃分來呈現。ALOHA軟件在氣體泄漏后果研究中被廣泛使用,其簡單的操作流程、清晰明了的結果受到眾多科技工作者的青睞。本文以ALOHA軟件為基礎,對燃氣管道的泄漏后果進行了研究。

3 事故情景構建

本文選取國內某城市天然氣管道進行泄漏后果研究。天然氣管道總體線路圖見圖1,圖中藍線為天然氣管道,紅線為輕軌。從圖1可以觀察到,天然氣管道穿越城市中心區,并且還穿越了輕軌和鐵路。處于人員密集地區的天然氣管道一旦發生泄漏,遇靜電火花、點火源可能發生燃燒或爆炸。從管道中泄漏的天然氣如果隨即被點燃將會發生噴射火燃燒,噴射火對人體產生傷害的形式主要是熱輻射。如果泄漏的天然氣未被立即點燃,而是逸散到空氣中,遇到點火源,會發生蒸氣云燃燒或蒸氣云爆炸。本文主要分析管道泄漏后產生噴射火的后果區域、天然氣體積分數和蒸氣云燃燒的風險、蒸氣云爆炸后果影響范圍,并提出管道保護區域建議。

圖1 天然氣管道總體線路圖(軟件截圖)

3.1 環境條件

ALOHA軟件相對于其他軟件一個顯著優勢就是可以自行設置全球各個地方的環境。本文所模擬的位置為天然氣管道和輕軌交叉處。假定建筑都是單層建筑,也沒有其他遮蓋物遮擋周圍環境,風速設定為5 m/s,風向為東南風。大氣環境溫度設置為20 ℃,大氣壓力為101 325 Pa,大氣相對濕度為50%,云量為50%,大氣穩定度為D級。

3.2 管道本體條件

在ALOHA軟件中,泄漏源選擇天然氣管道,天然氣組成為純甲烷。天然氣管道外直徑為150 mm,不考慮壁厚。管道運行壓力為0.4 MPa,管道長度為1 000 m,為直管段,水平放置在地表,兩端密封。假定管道內壁為光滑壁面,天然氣溫度設置為20 ℃。管道泄漏選擇全管徑斷裂泄漏方式,在管道中點位置豎直方向整體斷裂,氣流豎直向上噴出。泄漏天然氣質量流量見圖2。泄漏過程結束的條件是管道壓力達到大氣壓力。ALOHA軟件為二維分析軟件,觀測管道上方3 m處平面泄漏后果影響范圍,以管道中點豎直向上3 m的位置為原點,x軸正向與風向相同。

圖2 泄漏天然氣質量流量

4 事故后果分析

4.1 噴射火后果分析

天然氣管道發生全管徑斷裂后,天然氣泄漏出來被立即點燃從而形成噴射火,噴射火主要以熱輻射形式對人體產生危害。根據軟件中自帶的評價標準,熱流密度在60 s內超過10.0 kW/m2將會對人員產生致命危險。當熱流密度在60 s內超過5.0 kW/m2但不大于10.0 kW/m2,相當于對人體產生二度燒傷的危害。當熱流密度在60 s內超過2.0 kW/m2但不大于5.0 kW/m2,會使人體產生皮膚疼痛感。噴射火的后果區域見圖3。從該圖可以觀察出,最里層紅色區域為致命區域,其最遠距離在14 m;中層區域為產生二度燒傷區域,其最遠距離為19 m;最外層黃色區域為產生皮膚疼痛感區域,其最遠距離為30 m。從該模擬結果可知,該管道周邊應該設置30 m管道保護區域。

圖3 噴射火的后果區域(軟件截圖)

4.2 泄漏天然氣體積分數分析和發生蒸氣云燃燒的風險

ALOHA軟件計算出的泄漏時間(記為tout)內天然氣體積分數平均值(記為φ)是時間tout內平均的結果,在泄漏初期的某些時刻,天然氣體積分數仍有可能超過爆炸下限,有發生蒸氣云燃燒或蒸氣云爆炸的可能。因此將爆炸下限的10%和60%劃分為兩個不同風險的等級,φ大于爆炸下限的60%時,發生蒸氣云燃燒的風險較大;φ大于爆炸下限的10%時,發生蒸氣云燃燒的風險較小。模擬得到的蒸氣云天然氣體積分數區域見圖4。由圖4可知,在泄漏點下風向86 m范圍內,存在較小的風險可能會發生蒸氣云燃燒。在此范圍內應提高可燃物的防護等級,不應建設會產生靜電火花或明火的設施。

圖4 蒸氣云天然氣體積分數區域(軟件截圖)

4.3 蒸氣云爆炸后果分析

蒸氣云爆炸的衡量指標主要是沖擊波超壓,沖擊波超壓有3種評價等級,大于55.16 kPa可能造成建筑物破壞,超過24.13 kPa但不大于55.16 kPa可能造成人員的嚴重傷害,超過6.89 kPa但不大于24.13 kPa可能造成玻璃震碎的傷害。若泄漏后某時刻蒸氣云天然氣體積分數瞬時值進入爆炸極限范圍,被點燃后會發生蒸氣云爆炸。將所有可能發生爆炸的爆炸后果區域進行疊加,得到圖5。從該圖可以分析出,蒸氣云爆炸沿著風向進行,并且呈現出一個由內向外的鼓包形式,沖擊波超壓在6.89 kPa以上,意味著該管道發生蒸氣云爆炸將使泄漏點附近的建筑物玻璃被震碎。在距離泄漏點31 m內爆炸沖擊波會產生危害,因此需要設置31 m的保護區域。

圖5 蒸氣云爆炸后果區域(軟件截圖)

4.4 管道保護區域

根據上文得出的噴射火、蒸氣云爆炸的后果區域,結合實際情況,提出建議按照30 m設置管道保護區域。建議在管道保護區域內,設置燃氣管道安全警示標志,標明保護范圍。提高可燃物的防護等級,不建設會產生靜電火花或明火的設施。

5 結論

① 天然氣管道泄漏后,若被立即點燃,會產生噴射火,其后果區域最遠達30 m。

② 若泄漏后某時刻蒸氣云天然氣體積分數進入爆炸極限范圍,被點燃后會發生蒸氣云爆炸,最大后果區域達到31 m。

③ 根據天然氣管道泄漏后果分析,建議設置30 m的管道保護區域,并采取保護措施。