冷放空天然氣火災爆炸事故影響范圍模擬

蔣宏業(yè) ，李文倩，張永城，徐濤龍，古 芃

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500

2.中國石油新疆油田分公司油氣儲運分公司，新疆 克拉瑪依 834002

3.國家管網(wǎng)集團西氣東輸公司，上海 浦東新區(qū) 200000

引言

天然氣行業(yè)的大小站場、輸氣管線等都會遇到需要放空天然氣的情況，放空量一般高達幾百萬立方米，輸氣管線需要根據(jù)具體情況選擇冷放空[1]或者熱放空。冷放空過程中，排出的天然氣會混進空氣中，一旦遇到火源，若混合氣體不在爆炸極限的濃度內，可能發(fā)生火災事故；若混合氣體在爆炸極限的濃度內，可能會發(fā)生爆炸事故。

針對站場放空時氣體排放的危險性，Jo 等[2]首次提出了簡化的方程式，可以描述氣體釋放速率、氣體射流量等與熱通量的函數(shù)關系，可以估算管道氣體泄漏排放后的危險面積。Andre 等[3]通過結合經(jīng)驗推導的理論公式以及計算流體動力學有限元模型，模擬了排放壓縮天然氣時，氣體的排放速度和氣體的擴散規(guī)律，可以估算出點火的幾率和計算著火時火焰的穩(wěn)定程度。梁俊奕[4]對兩種工況下放空氣體的擴散規(guī)律進行了研究，給出了放空氣體存在點火危險的區(qū)域。齊建波等[5]建立數(shù)值模型，模擬了氣體放空時的泄漏擴散過程，確定給出了氣體排放擴散后的閃燃濃度范圍。秦琴等[6]研究了放空火炬燃燒氣體的熱輻射強度與到火炬的距離的關系。賈保印等[7]通過建立數(shù)值模型，模擬了氣體放空擴散的過程中，壓力和流量等參數(shù)隨時間的動態(tài)變化規(guī)律。

國內外學者在冷放空領域做了一些研究[8-12]，但沒有專門針對站場冷放空作業(yè)時放空速率不同和放空壓力不同對火災熱輻射的影響和對爆炸超壓影響的研究。

結合華南CZ 站場現(xiàn)場實際條件，首先，模擬發(fā)生火災后的熱輻射影響范圍，然后，模擬發(fā)生爆炸的沖擊波超壓影響范圍，得到熱輻射曲線和爆炸超壓曲線，最后，模擬不同放空速率和放空壓力分別對火災熱輻射及沖擊波超壓的影響，得出熱輻射最遠傷害距離和沖擊波超壓最遠傷害距離，在此基礎上提出了提高站場安全水平的相關建議。

1 冷放空天然氣事故模型和傷害準則

1.1 管存量的計算

天然氣放空管線在放空過程需要一定的放空壓力，根據(jù)管內壓力和當?shù)卮髿鈮旱年P系，需要放空段管道的存氣量的計算過程如圖1 所示。

圖1 管存量計算流程圖Fig.1 Flow chart of pipe stock calculation

1.2 天然氣泄漏擴散和燃爆模型

冷放空天然氣的泄放可以使用斷裂模型模擬，擴散天然氣比較輕，擴散范圍常用PHAST 64-PR模型模擬。

由于天然氣爆炸過程與TNT 炸藥包爆炸過程比較相似，爆炸模擬使用TNT 模型，火災模擬選擇固體香蕉噴射火模型[13-17]。

1.3 事故傷害準則

1.3.1 熱輻射影響

國內外研究機構給出了熱輻射傷害[18]采用的熱通量傷害準則[19]，如表1 所示。

表1 熱輻射傷害的熱通量傷害準則Tab.1 Heat flux damage criterion for thermal radiation damage

根據(jù)表1 給出的熱通量傷害值，以分別代表死亡、重傷和輕傷的3 個參考值（37.5，25.0 和4.0 kW/m2）作為火災傷害的閾值，分別把其影響區(qū)域視作為死亡區(qū)、重傷區(qū)及輕傷區(qū)，把建筑損壞的最小值取為12.5 kW/m2。

1.3.2 沖擊波超壓影響

沖擊波超壓準則[20]如表2 所示，分別研究超壓對人員、建筑和設備的影響，進而區(qū)分其超壓傷害程度。

表2 沖擊波產生的超壓傷害準則Tab.2 Damage criterion of overpressure induced by shock wave

根據(jù)表2 給出的沖擊波超壓傷害值，以分別代表死亡、重傷和輕傷的3 個參考值（69.0、34.0、13.8 kPa）作為沖擊波超壓傷害的閾值，分別把其影響區(qū)域視作為死亡區(qū)、重傷區(qū)及輕傷區(qū)，把建筑損壞的最小值取為20.7 kPa。

2 工程條件

CZ 分輸清管站位于湖南省CZ 市，到上游閥室的管線長13.8 km，管線外徑1 016 mm，壁厚約17.5 mm。輸氣管線的設計壓力10 MPa，放空壓力為6 MPa。CZ 站距離放空立管86 m，根據(jù)當?shù)仫L速玫瑰圖，站場所在地年平均風速5 m/s。假設天然氣管道已經(jīng)平穩(wěn)運行，天然氣管道溫度等于地溫，根據(jù)設計資料，全年平均溫度為19.8°C，轉化為熱力學溫度為292.95 K。

CZ 站天然氣來氣采自川氣東送某凈化廠凈化氣，來氣組分如表3 所示。

表3 來氣主要組分表Tab.3 Main components of incoming gas %

天然氣上游管道內徑為981 mm，將上述值代入計算流程圖1 的公式，則CZ 站至上游閥室段管線的管內存氣量為10 409 m3，再代入計算流程圖1 的公式求得該段天然氣管道儲氣量在大氣狀況下體積為70.15×104m3，求得壓縮因子Z1=0.840 7，溫度T1為292.95 K。

為了考慮最不利狀況，本次模擬管線上游管線需要緊急放空，通過打開越站閥（HVB0101）上游的1#閥門（BV0122）和2#閥門（CV0106）開始放空，放空量為所有管存量，放空壓力為6 MPa，放空速率為20×104m3/h。由于站場周邊林木茂盛，故未采用熱放空形式，而是將放空管線直接同放空立管連接。放空立管高15 m，放空立管前管線直徑為350 mm。

3 火災影響范圍定量模擬

3.1 泄漏濃度范圍

擴散范圍剛開始隨時間的變化慢慢增大，20 s后逐漸達到穩(wěn)定的濃度分布狀態(tài)，以CZ 站放空處為中心線，中心線濃度比隨順風距離的分布如圖2所示。

圖2 中心線濃度比和順風距離關系Fig.2 Relationship between concentration ratio of centerline and downwind distance

計算得該混合氣體的燃燒下限（LFL）為4.50%。將燃燒下限的一半（0.5LFL）2.25% 作為最低檢測體積分數(shù)。模擬得到擴散氣體體積分數(shù)為2.25%～4.50%的側視圖分布情況，如圖3 所示。

圖3 氣體體積分數(shù)為2.25%～4.50%的云團高度與順風距離側視圖Fig.3 Side view of cloud cluster height and downwind distance with gas volume fraction of 2.25%～4.50%

3.2 火災影響范圍

在放空過程中，若閃燃范圍內遇到火源，可能會引起火災。熱輻射的影響范圍開始是隨著時間推移而增大，達到60 s 后噴射火的熱輻射逐漸穩(wěn)定，模擬60 s 的噴射火熱輻射曲線比較能反映出火災熱輻射影響范圍，火災熱輻射強度和順風距離關系見圖4。

圖4 火災熱輻射強度和順風距離關系Fig.4 Relationship between fire heat radiation intensity and downwind distance

CZ 站距離放空立管86 m，從圖4 和表1 可以看出，最大的熱輻射值是7.9 kW/m2，對人員和周圍建筑及設備的影響只達到輕傷區(qū)的范圍，熱輻射輕傷區(qū)的影響范圍如圖5 所示。

圖5 熱輻射輕傷區(qū)范圍Fig.5 Range of thermal radiation slight injury area

4 爆炸影響范圍定量模擬

4.1 泄漏擴散影響范圍

已知放空混合氣體爆炸下限（LEL）為5.00%，爆炸上限（UEL）為15.00%，模擬得到擴散氣體體積分數(shù)為5.00%～15.00%的側視圖分布情況如圖6所示。

圖6 氣體體積分數(shù)為5.00%～15.00%的云團高度與順風距離側視圖Fig.6 Side view of cloud cluster height and downwind distance with gas volume fraction of 5.00%～15.00%

4.2 爆炸沖擊波超壓影響范圍

在氣體發(fā)生爆炸時，其沖擊波超壓比熱輻射的傷害力更強，故爆炸階段主要研究沖擊波超壓的傷害范圍，用TNT 模型模擬出的沖擊波超壓和順風距離關系如圖7 所示。

圖7 沖擊波超壓和順風距離關系Fig.7 Relationship between shock wave overpressure and downwind distance

結合圖7 和表2 可以得出，爆炸沖擊波超壓的影響范圍如圖8 所示。

圖8 爆炸超壓影響范圍Fig.8 Influence range of explosion overpressure

5 不同放空速率和放空壓力的影響

現(xiàn)場放空是通過調整閥門開度來調整放空速率的，如果需要緊急放空，就可能會全開閥門盡快放空，但是這樣就牽涉到要設置更大的警戒范圍。如果是正常放空就會盡可能小速率地放空，這樣設置更小的放空范圍，警戒區(qū)域也更小。而放空時，在綜合考慮安全和時間等因素后，選擇一個最適合的放空壓力對放空的安全性和經(jīng)濟性有重要影響。

5.1 火災熱輻射影響范圍

5.1.1 不同放空速率下火災的熱輻射影響范圍

模擬計算了大氣穩(wěn)定度為D 級、風速為5 m/s，內壓為6 MPa 時，不同放空速率條件下噴射火焰輻射范圍，見表4。

表4 不同放空速率下噴射火災熱輻射范圍Tab.4 Radiation range of jet flame under different venting rates

5.1.2 不同放空壓力下火災的熱輻射影響范圍

模擬計算了不同放空壓力下大氣穩(wěn)定度為D級、風速為5 m/s 時，緊急放空時噴射火焰輻射范圍，如表5 所示。

表5 不同放空壓力下噴射火災熱輻射范圍Tab.5 Radiation range of jet flame under different vent pressure

根據(jù)模擬結果，繪制噴射火焰輻射范圍與順風距離的曲線，如圖9 所示。

圖9 噴射火熱輻射影響范圍對比圖Fig.9 Comparison of influence range of jet fire thermal radiation

可以看出：（1）隨著放空速率的增大，火災熱輻射范圍急劇增大，當放空速率從10×104m3/h 增大到80×104m3/h 時，順風方向上輕傷區(qū)熱輻射距離從37.006 m 增大到126.498 m，增長了241.900%。在模擬的5 種工況中，僅當放空速率在80×104m3/h時，在順風距離13.258～35.308 m 處熱通量大于建筑損壞的最小值（12.5 kW/m2）。

（2）隨著放空壓力的增大，火焰輻射范圍急劇增大，當放空壓力從2 MPa 增大到8 MPa 時，順風方向上輕傷區(qū)熱輻射距離從132.63 m 增大到269.72 m，增長了103.360%。模擬的5 種工況都有熱通量大于12.5 kW/m2達到建筑損壞最小值的情況，在模擬工況中，放空壓力8 MPa 時，在順風距離0～115.594 m 處熱通量大于建筑損壞的最小值（12.5 kW/m2）。

5.2 爆炸沖擊波超壓的影響范圍

5.2.1 不同放空速率下的沖擊波超壓影響范圍

模擬計算了大氣穩(wěn)定度為D 級、風速為5 m/s，內壓為6 MPa 時，不同放空速率（20、40、60、70、80）× 104m3/h 條件下沖擊波超壓范圍，如表6所示。

表6 不同放空速率下沖擊波超壓范圍Tab.6 Overpressure range of shock wave under different venting rates

5.2.2 不同放空壓力下的沖擊波超壓影響范圍

模擬計算不同放空壓力下大氣穩(wěn)定度為D 級、風速為5 m/s，緊急放空時沖擊波超壓范圍，如表7所示。

表7 不同放空壓力下沖擊波超壓范圍Tab.7 Overpressure range of shock wave under different vent pressure

根據(jù)模擬結果，繪制沖擊波超壓范圍（局部）與順風距離的曲線，如圖10 所示。

圖10 沖擊波超壓影響范圍對比圖Fig.10 Comparison of impact range of shock wave overpressure

可以看出：（1）放空速率越大，爆燃的沖擊波超壓的影響范圍越廣，當放空速率從20×104m3/h 增大到80×104m3/h 時，順風方向上輕傷區(qū)熱輻射距離從99.5 m 增大到198.0 m，增長了98.995%。在模擬工況中，放空速率在80×104m3/h 時，導致建筑損壞的最遠距離為148.25 m。

（2）放空壓力越大，爆燃的沖擊波超壓的影響范圍越廣，當放空壓力從2 MPa 增大到8 MPa 時，順風方向上輕傷區(qū)熱輻射距離從48.5 m 增大到78.5 m，增長了61.856%。在模擬工況中，放空壓力在8 MPa 時導致建筑損壞的最遠距離為59.86 m。

因此，為了保證站場工作人員及附近居民安全，進行緊急放空應嚴格控制放空速率和放空壓力，并在距離放空管線處做好預防火苗和救火的防護措施。此外，也要注意做好避雷措施。

6 結論

（1）在冷放空過程中發(fā)生火災時，不會影響到站場內部設備和人員；但在放空過程發(fā)生爆炸時，輕傷區(qū)剛好波及站場，設備不會受到損壞。

（2）火災的熱輻射影響范圍受到放空壓力的影響更大，在研究的工況下，最遠輕傷距離為269.720 m，放空壓力在8 MPa 時，在順風距離達到建筑損壞的最小值的最遠距離為115.594 m。因此，控制放空壓力對控制意外爆燃事故熱輻射范圍極為重要。

（3）爆炸的沖擊波超壓范圍受到放空速率的影響更大，在模擬工況下，最遠輕傷距離為198.00 m，導致建筑損壞的最遠距離為148.25 m。因此，控制放空速率是有效控制意外爆燃事故及其引起的沖擊波超壓傷害事故的重要手段。