王坤

（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京　102249）

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輸氣管道站場放空管擴(kuò)散事故模擬分析

王坤

（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）

摘要針對如何確定輸氣管道站場放空管內(nèi)天然氣燃燒時(shí)釋放的輻射量對周邊環(huán)境的影響程度，建立了放空管擴(kuò)散事故模型，使用安全評估軟件PHAST 6.51模擬計(jì)算出在不同放空速率下的事故影響范圍及變化特點(diǎn)，定量分析了不同放空速率對放空擴(kuò)散范圍、燃燒熱輻射及爆炸超壓后果的影響程度，以及大氣穩(wěn)定度對天然氣擴(kuò)散和對噴射火熱輻射范圍的影響，得出了模擬分析結(jié)論：隨著放空速率的增大，天然氣擴(kuò)散范圍逐步增加，熱輻射及爆炸的影響范圍也大幅增加；隨著大氣穩(wěn)定度的增加，天然氣擴(kuò)散越困難，大氣穩(wěn)定度對噴射火熱輻射范圍無影響。

關(guān)鍵詞輸氣管道站場放空系統(tǒng)放空擴(kuò)散事故模擬放空速率

修訂回稿日期：2016－02－05

0　引言

輸氣管道站場放空系統(tǒng)是管道安全設(shè)施的重要組成部分，主要作用是在管道檢修或出現(xiàn)故障時(shí)放空管道內(nèi)的天然氣［1］，GB50183-2004石油天然氣工程設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定火炬與天然氣站場的防火距離應(yīng)根據(jù)熱輻射量計(jì)算確定，以避免火炬燃燒釋放的熱輻射量對周邊環(huán)境和居民造成傷害［2］。因此，對輸氣管道站場不同放空條件下進(jìn)行后果模擬計(jì)算對于實(shí)際工程設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義，筆者擬建立事故模型對站場不同放空條件下的影響后果進(jìn)行分析。

1　模型描述

筆者使用國際公認(rèn)的放空模擬安全評估軟件PHAST 6.51對管道放空后果工況進(jìn)行模擬分析，模擬計(jì)算了不同放空速率下放空量擴(kuò)散影響、燃燒熱輻射影響、爆炸影響和不同的放空環(huán)境條件對管道放空的影響，以分析不同放空速率及放空環(huán)境對放空后果的影響，為提高輸氣管道站場放空設(shè)計(jì)水平提供參考［3］。使用PHAST軟件的longpipeline模塊建立起站場的放空擴(kuò)散模型，選取甲烷作為模擬氣體，站場的基礎(chǔ)平均溫度為20℃，平均風(fēng)速為2 m／s，大氣穩(wěn)定度為D，起始放空壓力為5.5 MPa，放空管高度設(shè)置為20 m，模擬過程分別選用了多種不同的放空速率，其中最小放空速率為2×104m3／h，最大放空速率為200×104m3／h，站場放空系統(tǒng)部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

輸入完計(jì)算所需參數(shù)后，PHAST軟件根據(jù)建立的放空模型，計(jì)算出特定條件下的放空事故模擬結(jié)果。

2　模擬結(jié)果分析

2.1擴(kuò)散后果模擬

對8種不同放空速率造成的放空擴(kuò)散后果分別進(jìn)行模擬，得出甲烷濃度分別為2.2%和4.4%的最大影響范圍距離，模擬結(jié)果見表2。

表1　放空管放空數(shù)據(jù)表

從以上結(jié)果可以看出，天然氣擴(kuò)散范圍跟放空速率有關(guān)，隨著放空速率的增加，天然氣擴(kuò)散范圍逐步增加。放空速率從2×104m3／h增加到200×104m3／h時(shí)，甲烷濃度為4.4%的擴(kuò)散范圍距離從0.2 m增加到9.1 m，濃度為2.2%的擴(kuò)散范圍距離從2.1 m增加到22 m。從設(shè)定條件的計(jì)算結(jié)果來看，天然氣放空速率增加，可燃?xì)怏w的爆炸范圍增加，但增加的幅度較小，當(dāng)放空速率低于200×104m3／h時(shí)，可認(rèn)為25 m以外的地區(qū)是安全的。

表2　不同放空速率擴(kuò)散影響范圍表

2.2燃燒熱輻射后果模擬

模擬定義的熱輻射值是根據(jù)美國工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會所指定的ERPG（緊急響應(yīng)計(jì)劃指南）標(biāo)準(zhǔn)得出［4］，如表3所示［5］。不同放空速率燃燒時(shí)熱輻射影響范圍模擬結(jié)果見表4。

表3　熱輻射強(qiáng)度傷害一覽表

表4　不同放空速率燃燒時(shí)熱輻射影響范圍表

從模擬結(jié)果看出，天然氣熱輻射影響范圍跟放空速率有關(guān)，隨著放空速率的增加，影響范圍增大。在給定放空速率為200×104m3／h的工況下最遠(yuǎn)影響距離為143 m。20×104m3／h、25×104m3／h和30×104m3／h的放空速率條件下，噴射火熱輻射強(qiáng)度沒有達(dá)到4 kW／m2以上的結(jié)果，因此這3種放空速率下發(fā)生噴射火對人體及設(shè)備沒有傷害。

2.3爆炸后果影響模擬

爆炸超壓對人的傷害程度值見表5［6］，模擬結(jié)果見表6。

表5　爆炸超壓對人的傷害程度表

表6　不同放空速率對爆炸超壓影響范圍表

從以上模擬結(jié)果可以看出，天然氣爆炸后果影響范圍受放空速率影響較大，隨著放空速率的增加，爆炸影響范圍增大。在給定放空速率為200× 104m3／h的工況下，最遠(yuǎn)輕傷距離為47 m。

2.4大氣穩(wěn)定度影響

計(jì)算不同大氣穩(wěn)定度對放空管放空后果的影響范圍，結(jié)果見圖1和圖2。大氣穩(wěn)定度設(shè)置范圍為A～F，從結(jié)果可以看出，隨著大氣穩(wěn)定度的增加，天然氣擴(kuò)散越困難，天然氣的爆炸影響范圍越大，但是從可爆云團(tuán)的變化幅度來看，大氣穩(wěn)定度的改變并沒有明顯影響云團(tuán)的變化，故大氣穩(wěn)定度對云團(tuán)影響不大。從大氣穩(wěn)定度對閃火范圍的影響結(jié)果來看，大氣穩(wěn)定度越高，越不利于天然氣的擴(kuò)散，天然氣爆炸范圍也越大，但是可爆云團(tuán)變化幅度不大，可認(rèn)為大氣穩(wěn)定度對噴射火熱輻射范圍無影響。

圖1　不同大氣穩(wěn)定度爆炸影響范圍模擬結(jié)果圖

圖2　不同大氣穩(wěn)定度閃火影響范圍模擬結(jié)果圖

3　結(jié)論

1）輸氣站場放空管放空天然氣擴(kuò)散一旦發(fā)生燃燒、爆炸等事故，會對周邊居民及環(huán)境造成嚴(yán)重傷害。天然氣擴(kuò)散范圍跟放空速率有關(guān)，隨著放空速率的增加，天然氣擴(kuò)散范圍逐步增加；放空速率對燃燒熱輻射的影響范圍影響很大，隨著放空速率的增大，熱輻射的影響范圍會大幅增加。

2）隨著大氣穩(wěn)定度的增加，天然氣擴(kuò)散越困難，但是可爆云團(tuán)變化幅度不大，大氣穩(wěn)定度對噴射火熱輻射范圍無影響。

3）合理選擇站場的放空速率對于減少事故傷害，降低放空系統(tǒng)的投資有著重要的意義，輸氣管道站場應(yīng)考慮采取限制放空速率的措施。

4）放空立管和站場外部設(shè)施、內(nèi)部設(shè)施的防火間距應(yīng)經(jīng)過有效的計(jì)算后確定，PHAST軟件可對各種常見事故模型進(jìn)行定量模擬分析，對于輸氣管道站場的設(shè)計(jì)建造及安全管理有一定指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

［1］趙晉云，周興濤，劉冰，等.國內(nèi)外輸氣管道放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分析［J］.油氣儲運(yùn)，2013，32（3）：274-278.

［2］云成生，韓景寬，章申遠(yuǎn)，等.GB50183-2004石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

［3］朱伯齡.PHAST軟件對液化天然氣泄漏擴(kuò)散的研究［J］.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2009，26（11）：14-19.

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

（編輯：蔣龍）

作者簡介：王坤（1992－），碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜌馓锿暾怨芾?。E-mail：bibberwhut@163.com。

doi：10.3969／j.issn.2095-1132.2016.01.017

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：2095-1132（2016）01-0057-03