夏蘭生

(中石化寧波工程有限公司,浙江 寧波 315103)

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中心控制室抗爆模型選擇與計算

夏蘭生

(中石化寧波工程有限公司,浙江 寧波 315103)

摘要：針對中心控制室的功能不斷強大，中心控制室抵御爆炸的要求更加嚴格的問題，通過對爆炸的特點、模型及其計算方法等進行研究和比較，同時結合爆炸力計算方面的相關實例，研討適合工程設計使用的爆炸計算模型以及計算方法，為石油化工廠中心控制室抗爆結構的設計提供計算依據(jù)。

關鍵詞：中心控制室抗爆模型

1概述

石油化工廠中心控制室是全廠的心臟，是控制、操作、事故處理中心，是人員集中場所，是工藝過程的總指揮和安全生產的中樞，尤其聯(lián)合裝置或幾個裝置的聯(lián)合控制室更是如此。

在新建或擴建石油化工裝置時，如不進行裝置安全風險分析，對需要進行抗爆設計的控制室不采取抗爆措施，一旦裝置發(fā)生爆炸，將造成重大人員財產損失，后果不堪設想；同時控制系統(tǒng)的失靈，還可能引發(fā)更大的次生災害，因而國內外不少石油化工裝置對控制室都進行了抗爆設計。

所謂抗爆設計，就是要使控制室的外墻和屋面設計能抵抗爆炸產生的空氣沖擊波的破壞，保證其正常功能的發(fā)揮。爆炸產生的沖擊波大小和作用時間的長短是控制室抗爆設計的一個關鍵問題，因而有必要對爆炸計算模型以及計算方法進行研討，為石油化工廠中心控制室抗爆結構的設計提供計算依據(jù)。

2爆炸及其破壞效應

2.1爆炸的基本概念

爆炸即導致壓力快速增加的現(xiàn)象，是一種極其迅速的物理或化學能量的釋放過程。在此過程中，物質的體積在極短時間內急劇膨脹而對外界做功，致使周圍氣壓急劇增大并會造成人員傷亡和財產損失。

爆炸過程呈現(xiàn)兩個階段： 在第一個階段，物質的潛在能量以一定方式轉化為強烈的壓縮能；在第二個階段，壓縮能急劇向外膨脹，在膨脹過程中對外界做功，導致被作用物體產生較大的變形、移動，乃至破壞。

2.2爆炸分類

根據(jù)爆炸的性質和特點，爆炸可以分為不同的種類，如圖1所示。

2.3爆炸的破壞形式

爆炸與爆炸物的數(shù)量和性質、爆炸時的條件以及爆炸位置等因素有關。爆炸主要的破壞形式有震蕩作用、沖擊波、碎片沖擊、造成火災。爆炸源于能量的迅速釋放，能量使氣體迅速膨脹，壓迫周圍氣體退后，并促使壓力波由爆炸源迅速向外移動，壓力波含有能量，會對周圍環(huán)境產生破壞。對于石油化工廠，來自爆炸的很多破壞都歸因于該壓力波。

圖1　爆炸的分類

2.4影響爆炸的重要參數(shù)

可燃氣體爆炸是一個復雜的物理化學過程，涉及因素眾多，其中主要的影響因素有可燃物的特性、周圍環(huán)境、天氣情況以及點火源特性等。爆炸模型主要分為兩類： 以經驗數(shù)據(jù)為基礎的經驗模型；基于流體力學方法的模型。基于經驗數(shù)據(jù)為基礎的模型有： TNT當量法、 TNO Multi-Energy(ME)方法及 Baker Strhlow Tang(BST)方法；基于流體力學方法的模型有： Autoreagas， FLACS及 EXSIM法。

基于流體力學方法的模型在計算爆炸的精度上比經驗方法更有優(yōu)勢，但由于經驗法需要的數(shù)據(jù)較少，且計算比較簡單快速，因而目前應用比較多的主要是基于經驗數(shù)據(jù)的經驗模型，筆者就這三種經驗模型進行重點介紹。

3抗爆模型

3.1TNT 當量法

3.1.1模型介紹

由于將爆炸的破壞作用根據(jù)能量轉化成TNT當量比較簡單，TNT當量法常被用來進行爆炸的預測與評估。TNT當量法預測蒸汽云爆炸的基本原理如下：

(1)

式中：W——TNT 當量,kg;η——爆炸效率，量綱一的量；m——可燃物的總質量，kg；Ec——可燃物的燃燒熱，kJ/kg；ETNT——TNT的爆炸能量，4190～4650kJ/kg。

已知TNT 當量，就可以知道爆炸在不同距離產生的沖擊波超壓以及帶來的破壞程度。爆炸在不同距離產生的超壓比擬值可以從經驗圖中查出。

對于典型的爆炸，在一個固定位置處爆炸產生的超壓隨時間的變化情況如圖2所示。其重要參數(shù)為沖擊波產生的超壓p0，沖擊波的到達時間ta，沖擊波的持續(xù)時間td，爆炸導致的正壓所產生的沖量ip。沖量可以通過下式進行計算：

(2)

圖2　固定位置處爆炸超壓隨時間的變化情況

TNT當量法已經被很好地用來進行爆炸后果的研究，上述參數(shù)和比擬距離Z的關系參考文獻中“TNT當量法參數(shù)計算圖”。該圖中的數(shù)據(jù)僅適用于敞開環(huán)境中的遠高于地面的爆炸，對于發(fā)生在地面上的爆炸，由于地面的反射作用，應在圖中得到的超壓值乘以2。發(fā)生在化工廠中的大多數(shù)爆炸都被認為是發(fā)生在地面上的。

Z由以下公式定義：

(3)

式中：R——距離爆炸源的距離,m。

3.1.2爆炸效率的選擇

爆炸效率是TNT當量法考慮的主要問題之一。爆炸效率是經驗值，在很多文獻中，對于可燃蒸汽云，爆炸效率在1%～10%，也有一些研究表明對于丙烷、二乙醚和乙炔的蒸汽云，其爆炸效率分別為5%，10%，15%。

3.1.3使用步驟

TNT當量法的步驟： 確定參與爆炸的可燃物質的量；確定爆炸效率，計算爆炸當量。通過比擬距離，在文獻中的“當量法參數(shù)計算圖”中查找爆炸產生的超壓值、沖擊波的到達時間和持續(xù)時間。

3.2ME方法

3.2.1模型介紹

作為TNT當量法的發(fā)展，1982年Wiekeam提出了新的模型。針對TNT當量法忽視爆源性質的缺點，Wiekeam提出的模型考慮了可燃氣體活性對爆炸強度的影響，按活性把氣體分為高、中、低三類加以區(qū)別。

1985年，VandenBerg提出了ME模型，它在Wiekeam提出的模型基礎上，又綜合考慮了湍流加速、部分受限等因素對爆炸強度的影響。其基本概念是： 在氣體爆炸中，只有處于相當程度封閉或局部受限的那部分氣體才產生顯著的爆炸效果，其余部分只會緩慢燃燒而對爆炸后果沒有貢獻。從理論上解釋為可燃氣體爆炸過程中，湍流強度和燃燒、超壓之間相互影響作用很大，在火焰?zhèn)鞑ブ惺艿较拗圃酱?，湍流與燃燒及超壓產生正反饋作用越強，形成的沖擊波強度越高，氣體爆炸的破壞力也就越大。

3.2.2使用步驟

1) 確定可燃氣體云團的位置和受限的體積，首先要使用擴散模型確定可燃氣體的擴散范圍。

2) 分析可燃氣體覆蓋范圍內的障礙物的分布情況，確定氣體的受限區(qū)域。

3) 在被可燃氣云覆蓋的范圍內，確定引起強烈沖擊波的潛在源。強烈沖擊波的潛在源包括： 擁擠的空間和建筑物(如： 煉油廠和化工廠中的設備、平臺和框架等)；延伸的平行平面之間的距離(如： 多層平臺之間的空間)；管狀結構內的空間(如： 管道，走廊等)；由于高壓泄放導致的噴射中的可燃物—空氣混合物的劇烈動蕩。

4) 估算可燃物—空氣混合物所釋放的能量。

5) 一旦估算出單個的當量可燃物—空氣混合物所導致的能量E和初始爆炸強度，那么在計算出Z后，距離爆炸源R處的比擬爆炸側向超壓和正壓持續(xù)時間，可從文獻所示的“比擬超壓和比擬持續(xù)時間圖”中查到。

ME方法的比擬距離可通過下式進行計算：

(4)

ME方法的最大側向超壓可通過下式進行計算：

(5)

ME方法的正相超壓持續(xù)時間可通過下式進行計算：

(6)

3.2.3初始爆炸強度的選擇

爆炸強度的選擇是影響使用ME方法的主要因素，下面列出了一些可以使用到的爆炸強度的選擇方法。

TNO公司建議將可燃物覆蓋區(qū)域劃分為受限區(qū)域和非受限區(qū)域。對于每個受限區(qū)域選擇10作為初始爆炸強度；對于非受限區(qū)域，選擇低的初始爆炸強度進行模擬，爆炸強度為1。但是由于可燃物運動引起的擾動，可能增加爆炸的強度，建議選擇3作為初始爆炸強度。

3.3BST方法

3.3.1模型介紹

3.3.2使用步驟

BST模型的使用步驟和ME模型基本相同，具體步驟如下：

1) 確定可燃氣體云團的位置和受限的體積。

2) 分析可燃氣體的受限程度。

3) 分析可燃氣體覆蓋范圍內的障礙物的分布情況。

4) 根據(jù)可燃物的反應活性、受限情況和障礙物的阻塞比率從相關文獻中查出爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

5) 計算可燃物—空氣混合物所產生的能量E。

通過計算比擬距離后，距離爆炸源R處的比擬爆炸側向超壓和沖量，可從文獻所示的“比擬超壓曲線和比擬沖量曲線”中查到。

BST方法的比擬距離和最大側向超壓計算可通過式(4)，(5)進行。

BST方法的正相超壓持續(xù)時間可通過下式進行計算：

(7)

BST方法的正相超壓持續(xù)時間可通過下式進行計算：

(8)

3.3.3沖擊波及沖量計算

在確定火焰?zhèn)鞑ニ俣群?，可以通過文獻查出爆炸的比擬超壓大小和比擬沖量，從而根據(jù)3.3.2 節(jié)中的公式計算沖擊波超壓大小和持續(xù)時間。需要注意的是： 文獻中的比擬超壓和比擬沖量曲線是根據(jù)自由空間爆炸的數(shù)據(jù)制作。因此，在計算近地面的爆炸時，需要對爆炸能量乘以系數(shù)2后再計算比擬距離。

4模型的比較與選擇

4.1模型所需數(shù)據(jù)

通過前面的模型介紹可以看出，這幾種爆炸模型都可以計算出爆炸沖擊波的大小。但是，不同的模型在計算沖擊波大小時需要的數(shù)據(jù)不同，復雜的程度也不同。從所需要的數(shù)據(jù)來看，TNT當量法所需要的數(shù)據(jù)最少，ME方法和BST方法所需要的數(shù)據(jù)相對較多，數(shù)據(jù)的獲取相對困難，更多地依靠人員的判斷，為計算結果增加了更多的不確定性。

TNT當量方法的優(yōu)點是比較簡單、使用方便，但是可信度太低。例如，Gobert和Lannoy(1982)，Lannoy(1982，1984)曾經對23起事故中的120個破壞點進行統(tǒng)計分析，結果發(fā)現(xiàn)TNT當量效率η分布在0.02%～15.9%；當量效率低于10%的情況占97%，當量效率近似于4%的情況占60%。顯然，η值過于分散，實際應用中，偏差太大，不適合用于預測氣體爆炸強度。

4.2計算結果比較

為了比較這幾種模型的區(qū)別，本文通過一個爆炸場景來說明：

假設在一個半受限的空間中有500kg的丙烷,丙烷和空氣完全混合。通過計算可以得到爆炸在不同距離所產生的壓力，如圖3所示。圖中的曲線分別是使用TNT當量法、ME和BST方法計算的。計算參數(shù)的選擇如下：

對于TNT 用爆炸效率10%進行計算； ME方法選用初始爆炸強度為5進行計算； BST方法使用Mw=0.25進行計算。

圖3　不同爆炸模型產生的壓力對比

通過圖3可以看出，TNT當量法所計算的爆炸壓力隨著距離的變化衰減得很快，且在近距離時計算出的壓力非常高，這是因為可燃氣體爆炸與TNT爆炸有本質的區(qū)別： TNT爆炸的爆炸源體積可忽略，而可燃氣云的體積較大，不能忽略，且隨著爆炸的進行爆炸源體積在增大；TNT爆炸時能量是瞬間釋放的，而氣云爆燃過程中能量的釋放速率有限；TNT爆炸過程形成的沖擊波強度大，但衰減速度快，而氣云爆燃壓力波強度較小，升壓速度和衰減速度均較小，所以TNT當量法往往高估了氣體爆炸近場的超壓，而低估了遠場的超壓。氣體爆炸過程，在不受限的條件下，超壓較低，在受限空間爆炸時超壓升高，TNT當量法沒有考慮這些影響。因此，TNT當量法只適用于很強的氣體爆炸，且用以描述遠場時偏差小，用于近場時偏差較大。

所以，采用TNT當量法預測可燃氣體爆炸強度，很可能高估了沖擊波峰值超壓，這將導致對建筑物結構響應的錯誤預測，限制了該方法的應用前景。因此，在API RP 752“Managementofhazardsassociatedwithlocationofprocessplanpermanentbuildingsthirdedition”中不推薦使用TNT當量法進行建筑物爆炸載荷的計算。

而ME方法和BST方法都考慮到了TNT當量法所忽略的問題，相對于TNT當量法更加適合于氣體爆炸的計算。這兩種方法在所需數(shù)據(jù)以及該模型的概念方面基本上是相似的，但又存在細微的差別，表1列出了兩種方法的相似與不同之處。

通過對這兩種方法的選擇與使用，推薦使用ME方法。代表性的有BP和EXXON。此外，SHELL 使用的CAM2模型也和ME模型有著許多相似的地方。

由于使用BST模型時，可以借鑒的參數(shù)和使用導則、案例等相對于ME模型少，在使用過程中相對存在更多的不確定性，因而建議使用ME模型。

4.3ME模型的應用

為了確定中心控制室抗爆所采用的設計依據(jù)，首先要進行安全分析以確定潛在的泄漏源。對于化工裝置，可能的泄漏源一般包括高溫、高壓的反應器、儲存容器及其相連的管線和機泵、壓縮機等。

表1　BST方法與ME方法的區(qū)別

分析的時候必須考慮裝置布置的擁擠程度，有時在比較溫和的工藝條件下也可能因為布置過密而產生較大的爆炸沖擊波。但無論什么時候都應對反應器、高壓容器等設備區(qū)域進行特別的關注。

識別出潛在的泄漏源后，需要對泄漏源分別進行泄漏和擴散計算，以確定蒸汽云的體積和分布區(qū)域。一般情況下，計算爆炸沖擊波大小時，可假設泄漏部位的當量直徑為25.4 mm(1 in)，不考慮災難性的大尺寸管道斷裂和容器的災難性破裂。

為了較為精確地計算爆炸沖擊波的大小，需要考慮風速、風向等因素的影響以便獲得合適的蒸汽云體積及蒸汽云的形狀。通?？赏ㄟ^專業(yè)的軟件來進行擴散計算，以獲取蒸汽云的覆蓋范圍和體積。進行爆炸計算時，除了考慮在泄漏源附近發(fā)生爆炸外，還要考慮蒸汽云擴散到其他受限區(qū)域發(fā)生的爆炸，比如正常情況下不會發(fā)生可燃物泄漏的區(qū)域。

根據(jù)對相關資料的研究、相關單位的經驗以及ME方法的特點，該方法在中心控制室抗爆設計過程中的應用過程可按圖4進行操作。

圖4　ME模型應用流程示意

5結論

通過本文前幾個章節(jié)的說明、對比，ME方法在計算爆炸沖擊波方面能更好地模擬氣體爆炸所產生的沖擊波的大小；可以借鑒和使用導則、案例等相對較多，減少了參數(shù)選取過程中人為因素帶來的不確定性；便于在同類型工程中借鑒相關單位的經驗。使用ME方法對中心控制室抗爆進行計算，能使控制室抗爆設計依據(jù)更加充分，可以提高中心控制室抗爆設計的可靠性，保障中心控制室的人員和設備安全。

由于沖擊波作用的大小與裝置的性質、控制室的位置及其與爆炸源的距離密切相關，不同的裝置、同一裝置不同的位置、爆炸源與控制室間不同的距離，爆炸時產生的沖擊波對控制室的作用都不一樣。不區(qū)分裝置的性質、不考慮控制室與主爆炸源的遠近而取固定的沖擊波參數(shù)顯然不符合實際情況，這些都是設計人員在計算沖擊波時要格外注意的問題。

參考文獻：

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[4]孫成龍.淺談石化裝置建筑物的抗爆設計.石油化工設計,2007,24(04) 55-57.

Anti-explosion Model Selection and Calculation of Center Control Room

Xia Lansheng

(SINOPEC Ningbo Engineering Company Ltd., Ningbo, 315103,China)

Abstract：With being stronger of central control room function, aiming at the problem of stricter requirement of blast resistant for central control room, explosion calculation models and methods suitable for engineering design are discussed through study and comparison of characteristics, models and calculation methods for explosion with combination of relative cases in the aspect of explosive force calculation. It provides calculation basis for blast resistant structure design of central control room in petroleum chemical plants.

Key words：central control room; blast resistant; model

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)02-0007-05

作者簡介：夏蘭生(1966—)，男，甘肅蘭州人，1990年畢業(yè)于清華大學環(huán)境工程系，就職于中石化寧波工程有限公司，從事石油化工建設項目的HSE設計工作，任副總工程師、高級工程師，已發(fā)表論文多篇。

稿件收到日期： 2015-01-15。