PHAST軟件在輸氣站場泄漏事故后果評估中的應用

蔣立軍，劉 峰，高 震，高子惠

（1. 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順113000； 2. 中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井一公司， 遼寧 盤錦 124010）

PHAST軟件在輸氣站場泄漏事故后果評估中的應用

蔣立軍1，劉 峰1，高 震1，高子惠2

（1. 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順113000； 2. 中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井一公司， 遼寧 盤錦 124010）

天然氣輸氣站場是天然氣長輸管道系統(tǒng)重要組成部分，屬于易燃易爆場所，主要風險為可燃天然氣的擴散及其火災爆炸。采用挪威船級社的PHAST 軟件分別對西氣東輸某站天然氣擴散和火災爆炸影響進行了定量計算和影響分析，并得出此站場的個人風險圖表提出了風險防范依據(jù)，為提高天然氣輸氣站場安全管理水平，降低事故風險提供依據(jù)，為輸氣站的安全設計提供指導。

輸氣站場；PHAST軟件；泄漏爆炸；定量計算；后果評價

天然氣站場作為輸氣系統(tǒng)的重要組成部分，承擔著保障輸氣運行和管道安全平穩(wěn)的任務，但輸氣站場點多、面廣、環(huán)境偏遠、站場內(nèi)設備集中、人員結構復雜，一旦發(fā)生火災爆炸事故，不僅可能造成設備損壞、人員傷害，更可能致使整條管線癱瘓。所以，對天然氣長輸管道的輸氣站進行風險分析和事故后果模擬是一項具有現(xiàn)實應用價值的研究。

1 天然氣站場的危險有害分析及事故分類

1.1 天然氣站場的基本情況

某天然氣站場最大設計天然氣處理能力9 329 ×104Nm3/d，來氣經(jīng)氣質(zhì)在線分析、計量、過濾、聚結和增壓、冷卻后輸往下游。

主要工藝設施及系統(tǒng)包括：在線氣質(zhì)分析設備；計量設備；過濾、聚結設備(過濾分離器、氣-液聚結器各6臺)；增壓設備(采用4臺單機功率為30 MW等級的燃氣輪機驅(qū)動離心式壓縮機組按3用1備運行)；清管器發(fā)送設備；緊急截斷系統(tǒng)；自用氣處理橇；壓縮空氣系統(tǒng)；放空、排污系統(tǒng)等。對上游來氣進行總計量后，再進行氣體在線分析，然后通過匯氣管進入過濾分離器進行分離，之后進入離心式壓縮機組增壓。

1.2 危險性分析

西氣東輸二線工程氣源主要包括中亞土庫曼斯坦、哈薩克斯坦來氣和塔里木氣田來氣，主要成分為甲烷，在空氣中，天然氣的體積分數(shù)只要達到在通常環(huán)境中引起燃燒和爆炸。逸散的天然氣和空氣混合，當濃度達到爆炸下限時，如遇明火就會發(fā)生爆炸[1]，這是天然氣事故中危害與損失最大的一種；如果未達到爆炸下限，遇明火則會發(fā)生燃燒。

1.3 事故模擬分析

引發(fā)站場事故的主要危險、有害因素表現(xiàn)為站內(nèi)管道破裂、站場設備故障和設備泄漏等。一旦泄露會引起蒸氣云爆炸，閃火，噴火等事故[2]。

2 PHAST軟件模擬計算

2.1 PHAST軟件介紹

挪威DNV公司開發(fā)的量化風險評估計算軟件包括LEAK軟件包和PHAST軟件包兩部分[3]。

LEAK軟件包可以分別按泄漏孔徑和物料泄漏量兩種模式進行泄漏頻率計算，其結果可以為其他量化風險軟件的計算提供輸入?yún)?shù)。DNV公司通過對石油化工行業(yè)多年來所發(fā)生的災難事故的統(tǒng)計和分析，建立了泄漏事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，并定期更新，不斷對軟件進行升級。

PHAST軟件包可將事故發(fā)生的頻率與過程結合，根據(jù)泄漏介質(zhì)的特性、當?shù)貧鉁?、風速、點火源位置、人員分布等條件，計算模擬事故的火災熱輻射和爆炸沖擊波的范圍等。

2.2 參數(shù)設置

利用SAFETI軟件對該站場進行事故后果計算，該站場的基礎輸入?yún)?shù)為平均氣溫8.0℃，靜風風速1.5 m/s，平均風速2.1 m/s最大風速34 m/s，地面粗糙度0.09，占地面積4 2171 m2進站溫度20 ℃，進站壓力7.0 MPa，進站流量9 277(104m3/d)。其中，計算物質(zhì)選用甲烷，這是因為SAFETI軟件預設的物質(zhì)庫中沒有天然氣混合物，而本工程中天然氣組分中甲烷含量較高。地面粗糙度取0.09，是根據(jù)DNV公司風險分析軟件資料介紹，此值適用于露天場地。

2.3 事故模型建立

各站場存在著因高壓、腐蝕而造成天然氣泄漏、甚至破裂的危險，主要災害形式是火災和爆炸。因此，對該站場建立事故模型時，考慮了站內(nèi)天然氣泄漏和破裂兩種情況。輸入完畢計算所需參數(shù)后，SAFETI軟件根據(jù)建立的事故模型，計算出特定條件下的事故后果。由于管道破裂產(chǎn)生的后果大于火炬放空時的后果，因此，在事故模型建立時，不考慮火炬放空時出現(xiàn)的后果。

2.4 計算結果

2.4.1 事故頻率計算及結果

泄漏和破裂的事故頻率計算，用LEAK軟件包進行，計算結果該站的泄漏事故頻率為0.033 5(次/a)破裂事故頻率為0.004 1(次/a)這個結果也作為建立事故模型時的輸入?yún)?shù)。

2.4.2 事故后果計算及結果

站場事故后果計算結果見表1。

表1 站場事故后果計算結果Table 1 Transmission station accident consequence result

2.4.3 事故風險計算及結果

將該站場平面布置圖輸入作為圖形文件，定義原點和比例。在圖上標注站場內(nèi)的點火源與人員分布的區(qū)域。軟件根據(jù)輸入的這些參數(shù)，并自動結合前述事故頻率計算結果與事故后果，得到事故風險計算結果。該站場年個人風險[4]等高線(IRPA)計算結果見圖1。

圖1 年個人風險(IPRA)等高線分布Fig.1 The contour map of personal risk

3 事故后果分析

（1）該站場的工藝裝置區(qū)泄漏事故的頻率較高。這是因為各站場內(nèi)的設備、管線相對集中于工藝裝置區(qū)內(nèi)，而法蘭、閥門、接頭都是站內(nèi)天然氣易泄漏的部位。

（2）事故后果計算結果中的影響范圍指的是著火點與達到熱輻射強度或超壓沖擊波之間的直線距離。結合現(xiàn)場踏勘的情況，對各站場事故后果計算結果的分析如下：該站噴火、火球及爆炸影響范圍的計算結果見表2-5。

表2 泄漏噴火影響范圍［5］Table 2 The influence scope of leak eruption

從計算結果中看到，在平均風速2.1 m/s、大氣穩(wěn)定度D條件下，因天然氣泄漏而引發(fā)噴火的熱輻射(輻射強度為12.5 kW/m2)影響范圍約26.9 m。若天然氣泄漏持續(xù)一段時間，將可能引發(fā)閃火或蒸氣云爆炸，在上述風速與大氣穩(wěn)定度下，后期爆炸的最大影響范圍為46.7 m；若發(fā)生破裂事故，可造成人員輕微傷害的沖擊波影響范圍為331.4 m，火球熱輻射強度達到12.5 kW/m2時的影響距離為903.0 m。

表3 泄漏后期爆炸影響范圍Table 3 The influence scope of exploding in the later stage of leakage

表4 破裂火球影響范圍Table 4 The influence scope of fracture fireball

表5 破裂后期爆炸影響范圍[6]Table 5 The influence scope of exploding in the later stage of fracture

風險計算結果表示了由于站場工藝裝置區(qū)內(nèi)發(fā)生泄漏或破裂時對站內(nèi)人員及站內(nèi)建構筑物造成的危險等級。從風險輪廓圖中可以得出，年個人風險值均不大于1×10-4人/a，風險值處于中、低風險區(qū)[7]。需要在站場中采取相應的預防措施，將風險降低到完全可接受的水平(1×10-5人/a)。

4 結 論

（1）天然氣輸氣站場發(fā)生火災、爆炸的后果都非常嚴重。對比噴射火、火球和爆炸三者對人和建筑物的影響程度，破裂火球產(chǎn)生的危害要大于噴射火和爆炸且基本不受風速影響；

（2）不同風速的下的泄漏源產(chǎn)生的影響嚴重程度不同。隨著風速的增大，熱輻射強度變小，爆炸的影響范圍卻擴大；

（3）天然氣輸氣站場的總平面布置、安全設備設施設計應考慮安全防護距離， 輸氣站的安全管理及事故預防均應考慮事故的影響范圍。

（4）輸氣站場事故發(fā)生具有不確定性，因此，運用SAFETI6.5.1 軟件對各種常見事故模型進行定量模擬計算，模擬結果對輸氣站的安全運行和事故預防具有一定的指導意義。

［1］ 朱伯齡，PHAST 軟件對液化天然氣泄漏擴散的研究[J].計算機與應用化學，2009,26（11）:1419.

［2］ 勞敏.基于PHAST軟件的CNG加氣站安全評價[J].上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究，2012,.2（上）：218-219.

［3］ 韓文峰.油氣集輸聯(lián)合站火災爆炸危險分析與事故后果模擬[J].中國石化勝利油田新疆勘探開發(fā)中心，2011，11（3）：40-43.

［4］ 吳宗之，多英全，魏利軍，關磊．區(qū)域定量風險評價方法及其在城市重大危險源安全規(guī)劃中的應用[J]．中國工程科學，2006，8(4)： 46-49.

［5］ 劉鐵民，張興凱，劉功智．安全評價方法應用指南[M]．北京：化學業(yè)出版社，2005-02：63-341.

［6］ 王濤.CNG加氣母站風險分析及事故后果模擬[J].經(jīng)濟管理與安全環(huán)保，2010，30（9）:108.

［7］ Phani K．Raj，Theodore Lemoff．Risk analvsis based LNG facility siting standard in NFPA59A[J]．Joumal of Loss Prevention in the Process Industries，2009，22：820-829.

Application of PHAST Software in Gas Transmission Station Leakage Accident Consequence Assessment

JIANG Li-jun1，LIU Feng1，GAO Zhen1, GAO Zi-hui2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Drilling No.1 Branch,Greatwall Drilling Engineering Company, CNPC, Liaoning Panjin 124010，China)

Gas transmission station is an important part of the system of natural gas transmission pipeline; it also belongs to flammable and explosive place. Its main risk is the spread of the combustible gas and fire explosion. In this article, Det Norske Veritas PHAST software was adopted to respectively carry out quantitative calculation and analysis of gas diffusion and fire explosion influence factors of a station in west to east gas pipeline, then the yard personal risk chart was obtained, and risk prevention basis was put forward, which could improve the natural gas station safety management level and reduce the accident risk.

Gas transmission station; Phast software; Leakage explosion; Quantitative calculation; Consequence evaluation

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）02-0292-03

2014-09-04

蔣立軍（1987-），男，河北唐山人，研究生，2015年畢業(yè)遼寧石油化工大學安全科學與工程專業(yè)，研究方向：石化設備風險管理及安全評價。E-mail：824892525@qq.com。