李建山

(中國(guó)石化華北油氣分公司，河南鄭州 450006)

塔榆增壓站輸氣管道噴射火災(zāi)危害模擬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

李建山

(中國(guó)石化華北油氣分公司，河南鄭州450006)

通過對(duì)塔榆增壓站輸氣管道噴射火災(zāi)模擬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，定量分析噴射火的危害和引發(fā)次生災(zāi)害的可能性，以幫助運(yùn)行單位制定事故應(yīng)急預(yù)案。

輸氣管道 天然氣 噴射火災(zāi) 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

大牛地氣田塔榆增壓站主要作用是保持天然氣管道中的規(guī)定流量、最優(yōu)壓力，提高管道輸送能力，解決大牛地氣田管線長(zhǎng)、壓力不足導(dǎo)致不能長(zhǎng)距離輸送等影響產(chǎn)量的問題，輸送的主要物質(zhì)為天然氣，易燃易爆，一旦泄漏，遇火源極易發(fā)生火災(zāi)爆炸，可能造成巨大的人員傷亡和高額財(cái)產(chǎn)損失。通過噴射火災(zāi)危害模擬評(píng)價(jià)，可以為站場(chǎng)搶險(xiǎn)救災(zāi)等提供依據(jù)，幫助運(yùn)行單位制定事故應(yīng)急預(yù)案。

1 噴射火災(zāi)危害評(píng)價(jià)方法

天然氣管道一旦泄漏，造成火災(zāi)爆炸的類型與點(diǎn)火時(shí)間密切相關(guān)。如果在泄漏裂口處被點(diǎn)燃，則形成噴射火。

關(guān)于噴射火的研究已有大量文獻(xiàn)報(bào)道。Hawthorne[1]是較早研究射流火焰的，把射流混合理論應(yīng)用于強(qiáng)制對(duì)流范圍內(nèi)火焰長(zhǎng)度的研究，得出了火焰長(zhǎng)度的計(jì)算式。Bagster和Schubach[2]將垂直射流火焰近似為圓柱體，利用2個(gè)化學(xué)計(jì)量因子對(duì)Hustad和Sonju提出的火焰長(zhǎng)度計(jì)算式進(jìn)行修正，得出了適用范圍更廣的計(jì)算公式。Kalghatgi[3]的研究最具代表性，他將射流火焰形狀近似為平截頭圓錐體，研究了孔口軸線與水平風(fēng)向呈90°和非90°情況下的碳?xì)渖淞鲾U(kuò)散火焰，給出了定義火焰形狀的幾個(gè)尺寸參數(shù)與R(風(fēng)速與氣體射流速度比)的關(guān)系式，由這些關(guān)系式得出的曲線與Brzus towski[4]結(jié)果相近。

本文以Kalghatgi的研究結(jié)果為依據(jù)，采用“THORNTON”模型進(jìn)行模擬計(jì)算，該模型假定噴射火形狀為圓錐形，同固體表面一樣具有相同的表面輻射率。

2 噴射火計(jì)算

2.1 泄漏量的計(jì)算

管線的典型泄漏情況和裂口尺寸一般取管徑的20%～100%[4]，塔榆增壓站出站管線為DN700碳鋼無(wú)縫鋼管，直徑700 mm。假設(shè)在塔榆增壓站出站管線某處發(fā)生破裂，裂口形狀為圓形，裂口尺寸是直徑700 mm的20%，即0.14 m。管道中氣體泄漏質(zhì)量流量與其流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，按照工程熱力學(xué)的研究結(jié)果，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程的復(fù)雜性，可以假設(shè)管道中天然氣的泄漏屬于無(wú)耗散的準(zhǔn)靜態(tài)過程，在泄漏瞬間沒有與外界實(shí)現(xiàn)熱交換，則該流動(dòng)屬于可逆的絕熱流動(dòng)。

當(dāng)P0/P≤(2/(K+1))K/(K-1)時(shí)，氣體流動(dòng)屬于音速流動(dòng)，當(dāng)P0/P>(2/(K+1))K/(K-1)時(shí)，氣體流動(dòng)屬于亞音速流動(dòng)(K為絕熱指數(shù)，P0為泄漏出來(lái)氣體的壓力，P為天然氣管道內(nèi)介質(zhì)泄漏前的壓力)。

設(shè)管道裂口處的天然氣壓力等于出口外界環(huán)境的大氣壓力P0=0.1 MPa，P=8.0 MPa(按設(shè)計(jì)壓力計(jì)算)，則P0/P=0.012 5；而由于天然氣的主要成分為甲烷，其K值查表為1.32，則(2/(K+1))K/(K-1)=0.542；即P0/P=0.012 5≤(2/(K+1))K/(K-1)則流動(dòng)屬于音速流動(dòng)，出口截面上壓力小于臨界壓力，故該裂口為縮放型噴管。

音速流動(dòng)時(shí)，泄漏量按下式計(jì)算：

Q0=CdAP[MK(2/(K+1))(K+1)/ (K-1)/(RT)]0.5

(1)

式中：Q0——?dú)怏w泄漏速度，kg/s；

Cd——?dú)怏w泄漏系數(shù)，當(dāng)裂口形狀為圓形時(shí)取1.00，三角形時(shí)取0.95，長(zhǎng)方形時(shí)取0.90；

A——裂口面積，m2；

P——泄漏氣體壓力，Pa；

M——泄漏氣體分子量，kg/mol；

K——泄漏氣體的絕熱指數(shù)，即氣體的定壓比熱和定容比熱之比；

R——?dú)怏w常數(shù)，J/(mol·K)；

T——?dú)怏w溫度，K。

則可求Q0=17.05 kg/s，泄漏量計(jì)算取值說明見表1。

2.2 噴射口泄漏氣體流速的計(jì)算

由Q0=A×ρ×V可求V=Q0/(A×ρ)

(2)

式中：ρ——泄漏氣體在通常狀況(20℃、1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)下的密度，kg/m3；

V——噴射口氣體速度，m/s。

求得：V=1 544.7 m/s。

表1 泄漏量計(jì)算取值說明

2.3 噴射火焰長(zhǎng)度的計(jì)算

噴射火焰長(zhǎng)度按式(3)進(jìn)行計(jì)算：

H/D=a[V2/(gD)]0.2

(3)

式中：H——火焰長(zhǎng)度，m；

D——裂口直徑，m；

a——系數(shù)，甲烷為21；

g——重力加速度，m/s2。

求得：H=52.1 m。

2.4 點(diǎn)熱源熱輻射通量的計(jì)算

點(diǎn)熱源的熱輻射通量按式(4)計(jì)算：

q=η×Q0×Hc

(4)

式中：q——點(diǎn)熱源熱輻射通量，W；

η——效率因子，可取0.35；

Hc——泄漏氣體的燃燒熱，J/kg。

求得：q=175 524 000 W。

2.5 點(diǎn)熱源熱輻射強(qiáng)度的計(jì)算

射流軸線上某點(diǎn)熱源i到距離該點(diǎn)x處一點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度為：

Ii=q×R/(4×π×x2)

(5)

式中：Ii——點(diǎn)熱源i至目標(biāo)點(diǎn)x處的熱輻射強(qiáng)度，W/m2；

R——發(fā)射率，取決于燃燒物質(zhì)的性質(zhì)，取0.2；

x——點(diǎn)熱源到目標(biāo)點(diǎn)的距離，m。

2.6 目標(biāo)點(diǎn)熱輻射強(qiáng)度的計(jì)算

某一目標(biāo)點(diǎn)處的入射熱輻射強(qiáng)度等于噴射火的全部點(diǎn)熱源對(duì)目標(biāo)的熱輻射強(qiáng)度的總和：

I=I1+I2+…+In

(6)

式中：I——某一目標(biāo)點(diǎn)處的入射熱輻射強(qiáng)度，W/m2；

n——計(jì)算時(shí)選取的點(diǎn)熱源數(shù)，一般取n=5。

2.7 噴射火傷害范圍的確定

火災(zāi)損失估算建立在熱輻射強(qiáng)度與損失等級(jí)的相應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，不同熱輻射強(qiáng)度造成傷害或損失的情況見表2。

表2 不同熱輻射強(qiáng)度所造成的損失

死亡、重傷、輕傷及財(cái)產(chǎn)損失半徑分別指熱輻射作用下的死亡、重大燒傷、一度燒傷和引燃木材的損失半徑。

根據(jù)計(jì)算出來(lái)的I，依據(jù)表2來(lái)確定各個(gè)傷害及財(cái)產(chǎn)損失半徑。

當(dāng)4.0≤I<12.5時(shí)，對(duì)目標(biāo)造成引燃木材傷害；

當(dāng)12.5≤I<25時(shí)，對(duì)目標(biāo)造成輕傷傷害；

當(dāng)25≤I<37.5時(shí)，對(duì)目標(biāo)造成重傷傷害；

當(dāng)I≥37.5時(shí)，對(duì)目標(biāo)造成死亡傷害。

以噴射火焰的中部為原點(diǎn)，火焰方向?yàn)閄軸方向，分別在坐標(biāo)(-18，0)、(-9，0)、(0，0)、(9，0)、(18，0)等5個(gè)點(diǎn)設(shè)置點(diǎn)火源，根據(jù)表2分別計(jì)算熱輻射強(qiáng)度為37.5 kW/m2、25 kW/m2、12.5 kW/m2、6.4 kW/m2、1.6 kW/m2的區(qū)域范圍。計(jì)算結(jié)果見表3。

可由計(jì)算機(jī)繪出傷害半徑見圖1，圖例說明見表4。

表3 計(jì)算結(jié)果

圖1 0.14 m直徑孔洞泄漏災(zāi)害后果截面圖

表4 圖例說明

3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

a)塔榆增壓站出站管線的設(shè)計(jì)壓力為8.0 MPa，若發(fā)生0.14 m直徑裂口，其可能的噴射火焰長(zhǎng)度為52.1 m，造成人員1度燒傷上限值為42 m，造成1 min內(nèi)100%、10s內(nèi)1%人員死亡、設(shè)備全部損壞的上限值為38 m。

b)泄漏點(diǎn)周圍的地形、管道破裂的位置、管線裂縫的幾何形狀、當(dāng)時(shí)的風(fēng)力與風(fēng)向、泄漏持續(xù)時(shí)間及天然氣泄漏總量、附近建筑的類型等因素會(huì)影響事故火災(zāi)的燃燒范圍大小，現(xiàn)場(chǎng)在根據(jù)上述傷害值進(jìn)行應(yīng)急救援時(shí)應(yīng)充分考慮這些因素。

[1] Hawthorne W R,Weddell D S, Hottel H C.Diffusion in laminar flame jets[J].Combustion Flame and Explosion Phenomena，1949(3):254-266.

[2] Bagster D F,Schubach S A.The prediction of jet fire dimensions[J].J Loss Pre Process Ind，1996，9(3):241-245.

[3] Kalghatgi G T.The visible shape and size of a turbulent hydrocarbon jet diffusion flame in a crosswind[J].Comb Flames，1983，52:91-106.

[4] Phani K Raj.LNG fires:A review of experimental results,models and hazard prediction challenges[J].Journal of Hazardous Materials，2007，140:444-464.

[5] 劉鐵民，張興凱，劉功智. 安全評(píng)價(jià)方法應(yīng)用指南[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：294.

DaniudiGasFieldTayuPipelineBoosterStationJetFireHazardSimulationRiskAssessment

Li Jianshan

(SINOPEC North China Oil and Gas Branch, Henan, Zhenghzou 450006)

Through the simulation of Daniudi gas field Yayu pipeline booster station jet fire risk assessment, this paper gives quantitative analysis of hazards and the possibility of secondary disasters caused by the jet fire, to help run the unit to develop emergency plans.

pipeline; natural gas; jet fire disaster; risk assessment

2016-05-05

李建山，高級(jí)工程師，博士，現(xiàn)任中國(guó)石化華北油氣分公司副總經(jīng)理。