基于ALOHA軟件城鎮(zhèn)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?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司, 廣東 深圳 518049)

1 概述

據(jù)國家能源局發(fā)布的《中國天然氣發(fā)展報告(2023)》[1],截至2022年底,我國長輸天然氣管道總里程達(dá)到11.8×104km,“全國一張網(wǎng)”建設(shè)工作正在加快推進(jìn)。然而,燃?xì)夤艿乐g或燃?xì)夤艿篮推渌艿乐g的相互交織,風(fēng)險也越來越高,燃?xì)夤艿佬孤┊a(chǎn)生的后果也很嚴(yán)重。2017年7月,位于貴州省黔西南州晴隆縣的中石油燃?xì)夤艿腊l(fā)生全管徑斷裂引發(fā)燃燒爆炸,據(jù)事故調(diào)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(fā)管道斷裂,發(fā)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(fā)生泄漏,引發(fā)燃?xì)獗ㄊ鹿?事故沒有造成人員傷亡,但造成直接經(jīng)濟(jì)損失905×104元[4]。燃?xì)夤艿赖男孤斐扇藛T傷亡和大量財產(chǎn)損失,爆炸產(chǎn)生的有害氣體會嚴(yán)重污染環(huán)境,對社會造成一定的恐慌。

國內(nèi)有諸多學(xué)者對燃?xì)夤艿佬孤┖蠊M(jìn)行了深入的研究。崔紅偉等人[5]對天然氣管道工程案例運(yùn)用ALOHA軟件模擬了泄漏后果,證明了ALOHA軟件對燃?xì)夤艿佬孤┖蠊治龅目尚行?。王嵩梅等人[6]對城鎮(zhèn)地區(qū)的燃?xì)夤艿肋M(jìn)行泄漏后果研究,運(yùn)用ALOHA軟件對事故后果進(jìn)行了模擬驗證,并結(jié)合個人風(fēng)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(jié)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(yùn)用多種模擬軟件進(jìn)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?xì)夤艿佬孤┑难芯?主流軟件有很多,如三維軟件FLACS、FDS、FLUENT等,基于簡化模型、經(jīng)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(yōu)缺點(diǎn),三維軟件能夠考慮地形和建筑物對擴(kuò)散的影響,計算的精度較高,但計算時間長,不能適用突發(fā)的應(yīng)急狀況。二維軟件計算速度快,在短時間內(nèi)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?；谝陨戏治?本文選擇ALOHA軟件對燃?xì)夤艿佬孤┑暮蠊M(jìn)行分析,ALOHA軟件在計算泄漏后果影響區(qū)域方面具有顯著優(yōu)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(jié)果[9]。

2 ALOHA軟件介紹

ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)軟件中設(shè)置了約1 000種常見的化學(xué)品,并且考慮了環(huán)境條件,如風(fēng)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(xué)品泄漏有管道泄漏、儲罐泄漏以及直接點(diǎn)燃泄漏3種方式可模擬,其結(jié)果主要通過風(fēng)險區(qū)域等級劃分來呈現(xiàn)。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(jié)果受到眾多科技工作者的青睞。本文以ALOHA軟件為基礎(chǔ),對燃?xì)夤艿赖男孤┖蠊M(jìn)行了研究。

3 事故情景構(gòu)建

本文選取國內(nèi)某城市天然氣管道進(jìn)行泄漏后果研究。天然氣管道總體線路圖見圖1,圖中藍(lán)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(qū),并且還穿越了輕軌和鐵路。處于人員密集地區(qū)的天然氣管道一旦發(fā)生泄漏,遇靜電火花、點(diǎn)火源可能發(fā)生燃燒或爆炸。從管道中泄漏的天然氣如果隨即被點(diǎn)燃將會發(fā)生噴射火燃燒,噴射火對人體產(chǎn)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(diǎn)燃,而是逸散到空氣中,遇到點(diǎn)火源,會發(fā)生蒸氣云燃燒或蒸氣云爆炸。本文主要分析管道泄漏后產(chǎn)生噴射火的后果區(qū)域、天然氣體積分?jǐn)?shù)和蒸氣云燃燒的風(fēng)險、蒸氣云爆炸后果影響范圍,并提出管道保護(hù)區(qū)域建議。

圖1 天然氣管道總體線路圖(軟件截圖)

3.1 環(huán)境條件

ALOHA軟件相對于其他軟件一個顯著優(yōu)勢就是可以自行設(shè)置全球各個地方的環(huán)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(huán)境,風(fēng)速設(shè)定為5 m/s,風(fēng)向為東南風(fēng)。大氣環(huán)境溫度設(shè)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(wěn)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(yùn)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(nèi)壁為光滑壁面,天然氣溫度設(shè)置為20 ℃。管道泄漏選擇全管徑斷裂泄漏方式,在管道中點(diǎn)位置豎直方向整體斷裂,氣流豎直向上噴出。泄漏天然氣質(zhì)量流量見圖2。泄漏過程結(jié)束的條件是管道壓力達(dá)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(diǎn)豎直向上3 m的位置為原點(diǎn),x軸正向與風(fēng)向相同。

圖2 泄漏天然氣質(zhì)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(fā)生全管徑斷裂后,天然氣泄漏出來被立即點(diǎn)燃從而形成噴射火,噴射火主要以熱輻射形式對人體產(chǎn)生危害。根據(jù)軟件中自帶的評價標(biāo)準(zhǔn),熱流密度在60 s內(nèi)超過10.0 kW/m2將會對人員產(chǎn)生致命危險。當(dāng)熱流密度在60 s內(nèi)超過5.0 kW/m2但不大于10.0 kW/m2,相當(dāng)于對人體產(chǎn)生二度燒傷的危害。當(dāng)熱流密度在60 s內(nèi)超過2.0 kW/m2但不大于5.0 kW/m2,會使人體產(chǎn)生皮膚疼痛感。噴射火的后果區(qū)域見圖3。從該圖可以觀察出,最里層紅色區(qū)域為致命區(qū)域,其最遠(yuǎn)距離在14 m;中層區(qū)域為產(chǎn)生二度燒傷區(qū)域,其最遠(yuǎn)距離為19 m;最外層黃色區(qū)域為產(chǎn)生皮膚疼痛感區(qū)域,其最遠(yuǎn)距離為30 m。從該模擬結(jié)果可知,該管道周邊應(yīng)該設(shè)置30 m管道保護(hù)區(qū)域。

圖3 噴射火的后果區(qū)域(軟件截圖)

4.2 泄漏天然氣體積分?jǐn)?shù)分析和發(fā)生蒸氣云燃燒的風(fēng)險

ALOHA軟件計算出的泄漏時間(記為tout)內(nèi)天然氣體積分?jǐn)?shù)平均值(記為φ)是時間tout內(nèi)平均的結(jié)果,在泄漏初期的某些時刻,天然氣體積分?jǐn)?shù)仍有可能超過爆炸下限,有發(fā)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(fēng)險的等級,φ大于爆炸下限的60%時,發(fā)生蒸氣云燃燒的風(fēng)險較大;φ大于爆炸下限的10%時,發(fā)生蒸氣云燃燒的風(fēng)險較小。模擬得到的蒸氣云天然氣體積分?jǐn)?shù)區(qū)域見圖4。由圖4可知,在泄漏點(diǎn)下風(fēng)向86 m范圍內(nèi),存在較小的風(fēng)險可能會發(fā)生蒸氣云燃燒。在此范圍內(nèi)應(yīng)提高可燃物的防護(hù)等級,不應(yīng)建設(shè)會產(chǎn)生靜電火花或明火的設(shè)施。

圖4 蒸氣云天然氣體積分?jǐn)?shù)區(qū)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(biāo)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(yán)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?jǐn)?shù)瞬時值進(jìn)入爆炸極限范圍,被點(diǎn)燃后會發(fā)生蒸氣云爆炸。將所有可能發(fā)生爆炸的爆炸后果區(qū)域進(jìn)行疊加,得到圖5。從該圖可以分析出,蒸氣云爆炸沿著風(fēng)向進(jìn)行,并且呈現(xiàn)出一個由內(nèi)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(fā)生蒸氣云爆炸將使泄漏點(diǎn)附近的建筑物玻璃被震碎。在距離泄漏點(diǎn)31 m內(nèi)爆炸沖擊波會產(chǎn)生危害,因此需要設(shè)置31 m的保護(hù)區(qū)域。

圖5 蒸氣云爆炸后果區(qū)域(軟件截圖)

4.4 管道保護(hù)區(qū)域

根據(jù)上文得出的噴射火、蒸氣云爆炸的后果區(qū)域,結(jié)合實(shí)際情況,提出建議按照30 m設(shè)置管道保護(hù)區(qū)域。建議在管道保護(hù)區(qū)域內(nèi),設(shè)置燃?xì)夤艿腊踩緲?biāo)志,標(biāo)明保護(hù)范圍。提高可燃物的防護(hù)等級,不建設(shè)會產(chǎn)生靜電火花或明火的設(shè)施。

5 結(jié)論

① 天然氣管道泄漏后,若被立即點(diǎn)燃,會產(chǎn)生噴射火,其后果區(qū)域最遠(yuǎn)達(dá)30 m。

② 若泄漏后某時刻蒸氣云天然氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)入爆炸極限范圍,被點(diǎn)燃后會發(fā)生蒸氣云爆炸,最大后果區(qū)域達(dá)到31 m。

③ 根據(jù)天然氣管道泄漏后果分析,建議設(shè)置30 m的管道保護(hù)區(qū)域,并采取保護(hù)措施。