孫曄 張禮敬 陶剛
南京工業(yè)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院
天然氣已成為化工園區(qū)最重要的燃料來(lái)源。一旦泄露,被引燃出現(xiàn)火災(zāi)爆炸事故,可能導(dǎo)致臨近的目標(biāo)裝置發(fā)生多米諾效應(yīng)引發(fā)二次事故,造成嚴(yán)重的生命、財(cái)產(chǎn)損失。
本文依據(jù)火災(zāi)模型,計(jì)算天然氣泄露后發(fā)生噴射火和火球事故因多米諾效應(yīng),對(duì)目標(biāo)設(shè)備造成事故概率增加的影響概率。
本文只考慮立即起火的事故情景,即噴射火和火球。
噴射火是湍流火,由于噴射動(dòng)能很高,在泄漏方向上會(huì)產(chǎn)生很長(zhǎng)的距離。由于事故發(fā)生頻率較高和危害半徑較大,噴射火很容易導(dǎo)致多米諾事故。
計(jì)算噴射火的熱通量時(shí),把它看做一系列位于射流軸上的點(diǎn)熱源,每個(gè)點(diǎn)熱源的熱輻射通量都為q,可按下式計(jì)算[2]:
式中:
q—點(diǎn)熱源熱輻射通量,W;
η—效率因子,取0.35;
Q0—泄露速度,kg/s;
Hc—燃燒熱,J/kg。
火球包圍下常壓容器的失效時(shí)間一般大于火球持續(xù)時(shí)間,但屬于一個(gè)數(shù)量級(jí),故本文仍將火球引發(fā)多米諾效應(yīng)考慮在內(nèi)。
發(fā)生火球燃燒時(shí),火球的最大半徑r為
式中:
r—火球半徑,m;
M—急劇蒸發(fā)的可燃物質(zhì)的質(zhì)量,kg。
火球燃燒的持續(xù)時(shí)間t為:
式中:
t—火球持續(xù)時(shí)間,s。
火球燃燒時(shí)發(fā)出的輻射通量Q為:
式中:
Q—火球燃燒時(shí)熱輻射能,kw;
Hc—燃燒熱,kJ/kg;
M—急劇蒸發(fā)的可燃物質(zhì)的質(zhì)量,kg;
t—火球持續(xù)時(shí)間,s;
η—效率因子,取決于設(shè)備中可燃物質(zhì)的飽和蒸汽壓p。
假設(shè)某目標(biāo)裝置m,其發(fā)生初始事故的概率為Fm,天然氣管道發(fā)生初始事故的概率為Fl,天然氣管道l火災(zāi)事故情景導(dǎo)致目標(biāo)裝置m產(chǎn)生多米諾效應(yīng)的概率為Plm,則由于天然氣管道l火災(zāi)事故情景的影響,目標(biāo)裝置m的事故頻率增量為:ΔFm=PlmFl。Bagster、Pitlbado考慮到傳播概率與初級(jí)事故設(shè)施到目標(biāo)設(shè)施之間的距離存在一定關(guān)系,提出傳播概率與它們之間距離rlm平方呈反比的關(guān)系,即距離越遠(yuǎn)導(dǎo)致發(fā)生多米諾效應(yīng)的概率越小,因此給出如下的公式[4]:
式中:
rth—初級(jí)事故能引起破壞的最大距離,即達(dá)到多米諾效應(yīng)破壞閾值的距離;
rlm—管道與目標(biāo)裝置之間的距離。
達(dá)到多米諾效應(yīng)破壞閾值的距離因事故情景的不同而不同[5-7],閾值距離可以根據(jù)火災(zāi)產(chǎn)生多米諾效應(yīng)的熱輻射通量閾值計(jì)算得到,在噴射火災(zāi)模型下,計(jì)算公式為:
式中:
Ith—火災(zāi)的損壞閾值。
根據(jù)輻射對(duì)設(shè)備和人的危害程度一覽表,見(jiàn)表1,火災(zāi)損壞閾值取值為 Ith=37.5kW/m2。
表1 輻射危害程度一覽表
現(xiàn)某化工園區(qū)內(nèi)一已建倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)內(nèi)有10000m3汽油儲(chǔ)罐2個(gè),一用一備,瀝青儲(chǔ)罐、重油儲(chǔ)罐若干。園區(qū)擬建一條天然氣管道經(jīng)過(guò)該企業(yè)圍墻外。企業(yè)平面布置、及天然氣管道位置如圖1所示,汽油儲(chǔ)罐與擬建天然氣管道相距30m。
天然氣輸送管道管徑d=295.5mm,天然氣平均分子量M=21.22184,管長(zhǎng)L=1400,管內(nèi)初始?jí)毫0=8.8588Mpa,氣體溫度T0=42℃,泄露孔徑為20mm[3]。
經(jīng)計(jì)算可得天然氣泄露速度隨時(shí)間的變化情況,如圖2[3]。
由圖2可以得出,在天然氣發(fā)生泄露的前期,泄露速度最大,最大泄露速度為5.286kg/s[3],隨著泄露時(shí)間的增加,管道壓力降低,泄露速度也隨之降低。本文在計(jì)算的過(guò)程中,考慮到可能出現(xiàn)的最嚴(yán)重事故后果,取最大的泄露速度來(lái)計(jì)算。
根據(jù)假設(shè)中,天然氣的平均分子量為M=21.22184,并假設(shè)天然氣組分僅為甲烷和丙烷,可計(jì)算出甲烷和丙烷的分子的量之比為22.78∶5.22,故兩者質(zhì)量之比為1.59∶1。甲烷、丙烷的燃燒熱分別為890.3kJ/mol,2221.5kJ/mol,即為5.59×108J/kg,5.05×108J/kg,由此可得出,此天然氣的燃燒熱為5.38×108J/kg。
根據(jù)式(1)可計(jì)算出,天然氣泄漏后,發(fā)生噴射火時(shí)的熱通量為q=9.95×105kJ/s。根據(jù)式(7)可計(jì)算出初級(jí)事故能引起破壞的最大距離rth=45.95m;繼而,根據(jù)式(6)可知天然氣噴射火對(duì)汽油儲(chǔ)罐產(chǎn)生多米諾效應(yīng)的概率為Plm=0.12。由表2可知,若不受多米諾效應(yīng)的影響,汽油儲(chǔ)罐發(fā)生罐體損壞的概率為0.1×10-3;若考慮天然氣管道泄漏后發(fā)生噴射火,對(duì)汽油儲(chǔ)罐產(chǎn)生多米諾效應(yīng),汽油儲(chǔ)罐發(fā)生罐體損壞的概率的增量為ΔFm=PlmFl=0.12×0.1×10-3=0.12×10-4,則考慮多米諾效應(yīng)的影響之后,汽油儲(chǔ)罐發(fā)生罐體損壞的概率為Fm’=Fm+ΔFm=0.1×10-3+0.12×10-4=0.112×10-3。
表2 汽油儲(chǔ)罐火災(zāi)爆炸基本事件概率表
由上述計(jì)算可以得出,實(shí)例中,天然氣管道破裂發(fā)生泄漏,發(fā)生噴射火災(zāi)后,由于多米諾效應(yīng)的影響,使汽油儲(chǔ)罐罐體損壞的概率增加了0.12×10-4,而不考慮多米諾效應(yīng)時(shí)汽油儲(chǔ)罐罐體損壞的概率為0.1×10-3,即增加了12%。
由此可知,化工園區(qū)內(nèi)天然氣管道發(fā)生火災(zāi)事故,有可能因?yàn)槎嗝字Z效應(yīng),使得周邊的設(shè)施設(shè)備發(fā)生事故的概率增大,不可忽視。
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