姜 峰，胥朝波

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

隨著人們對(duì)天然氣資源的有效利用，壓縮天然氣(Compessed Natural Gas,CNG)加氣站開始大量建設(shè)并不斷投入使用，但由于近年來我國(guó)各地不斷發(fā)生的CNG加氣站爆炸事故，其安全問題也逐漸引起人們的重視。CNG加氣站是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，主要包括天然氣預(yù)處理系統(tǒng)、調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)、天然氣壓縮系統(tǒng)、儲(chǔ)氣系統(tǒng)、售氣系統(tǒng)等。陳杰等[1]通過統(tǒng)計(jì)分析 2004 年10月至2007年12 月CNG加氣站發(fā)生的的百起事故，發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)最高的是儲(chǔ)氣系統(tǒng)和售氣系統(tǒng)。儲(chǔ)氣系統(tǒng)的儲(chǔ)氣方式主要有儲(chǔ)氣鋼瓶、儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)氣井三種，目前國(guó)內(nèi)主要采用儲(chǔ)氣井的方式儲(chǔ)氣，因此分析CNG加氣站儲(chǔ)氣井泄漏所產(chǎn)生的燃燒爆炸事故危害后果具有必要性。

目前雖然有各種安全評(píng)價(jià)方法(HAZOP分析法、事故樹分析法、道化學(xué)指數(shù)評(píng)價(jià)法、檢查表法等)，但都各具優(yōu)缺點(diǎn)，只能基于已知事故現(xiàn)狀做出定性或定量分析，不能對(duì)未發(fā)生的事故做出相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)值模擬分析與預(yù)測(cè)，無法滿足當(dāng)前針對(duì)事故后果評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)意義的要求；同時(shí)，雖然有FLACS、PHAST、SAFETI等安全分析軟件，但這些數(shù)值模擬軟件一般為離線模擬，過程比較復(fù)雜且計(jì)算耗時(shí)，不能在事故發(fā)生后實(shí)時(shí)地得出模擬結(jié)果，不利于應(yīng)急人員及時(shí)做出疏散決策。而ALOHA數(shù)值模擬軟件具有操作簡(jiǎn)單、事故后果影響區(qū)域清晰明了，且獲取結(jié)果時(shí)間短，可為應(yīng)急救援提供技術(shù)支持等方面的優(yōu)勢(shì)。因此，本文采用事件樹分析與ALOHA數(shù)值模擬軟件相結(jié)合的方法[1-3],對(duì)CNG加油站儲(chǔ)氣井泄漏所產(chǎn)生的燃燒爆炸事故危害后果進(jìn)行定性和定量研究。

1 利用事件樹分析法定性分析事故危害后果

事件樹分析(Event Tree Analysis，ETA)法是安全系統(tǒng)工程中常用的一種演繹推理分析方法，起源于決策樹分析(DTA)，它是一種按事故發(fā)展的時(shí)間順序由初始事件開始推論可能的后果，從而進(jìn)行危險(xiǎn)源辨識(shí)的方法。該方法將系統(tǒng)可能發(fā)生的某種事故與導(dǎo)致事故發(fā)生的各種原因之間的邏輯關(guān)系用一種稱為事件樹的樹形圖表示，通過對(duì)事件樹的定性與定量分析，找出事故發(fā)生的主要原因，為確定安全對(duì)策提供可靠依據(jù)，以達(dá)到預(yù)防事故發(fā)生的目的[4]。

事件樹分析的主要流程如下：

(1) 確定事件系統(tǒng)的組成要素；

(2) 建立事件樹圖；

(3) 對(duì)事件樹進(jìn)行定性分析[5]。

CNG加氣站儲(chǔ)氣系統(tǒng)地下儲(chǔ)氣井的結(jié)構(gòu)見圖1。儲(chǔ)氣井內(nèi)天然氣的泄漏主要是由井口裝置泄漏引起，由于儲(chǔ)氣井是高壓容器，一旦泄漏與空氣混合，會(huì)迅速形成可燃?xì)鈭F(tuán)，當(dāng)遇到點(diǎn)火源時(shí)，發(fā)生噴射、擴(kuò)散燃燒，產(chǎn)生噴射火或火球，甚至爆炸，并且在不同風(fēng)速的影響下，所產(chǎn)生的事故后果影響半徑也不同。本研究將事件樹分析法運(yùn)用于CNG加氣站儲(chǔ)氣井泄漏事故后果定性分析中，建立的CNG加氣站儲(chǔ)氣井泄漏事故后果事件樹見圖2。

圖1 CNG加氣站地下儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of the structure of underground gas storage well in CNG gas station

圖2 CNG加氣站儲(chǔ)氣井泄漏事故后果事件樹Fig.2 Event tree of leakage consequence of the gas storage well in CNG gas station

由圖2可見，儲(chǔ)氣井天然氣泄漏在不同工況下可能產(chǎn)生的事故危害后果主要有兩種情況：熱輻射危害(噴射火和火球)和沖擊波危害(蒸氣云爆炸)。因此，本文先用事件樹定性分析出儲(chǔ)氣井泄漏可能發(fā)生的事故后果，再通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量分析。

2 建立數(shù)值模型定量分析事故危害半徑

ALOHA軟件是由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署化學(xué)制品突發(fā)事件和預(yù)備辦公室、美國(guó)國(guó)家海洋大氣管理局共同開發(fā)的專門用于模擬危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏后果的軟件，主要針對(duì)有毒氣體擴(kuò)散、易燃?xì)怏w的燃燒爆炸進(jìn)行后果模擬，現(xiàn)已成為危險(xiǎn)化學(xué)品領(lǐng)域事故危害后果預(yù)測(cè)和事故應(yīng)急救援的重要工具[6]。

本文主要運(yùn)用ALOHA軟件中的噴射火模型、蒸氣云燃燒模型、蒸氣云爆炸模型，對(duì)CNG加氣站儲(chǔ)氣井泄漏燃燒爆炸事故的危害后果進(jìn)行數(shù)值模擬定量分析，其主要模擬流程如下[7]：

(1) 設(shè)置泄漏源的位置、時(shí)間及泄漏點(diǎn)周圍建筑物信息等。

(2) 在ALOHA軟件數(shù)據(jù)庫內(nèi)選擇具體泄漏的危險(xiǎn)化學(xué)品種類。

(3) 設(shè)置發(fā)生泄漏的周邊環(huán)境參數(shù)，包括環(huán)境溫度、空氣濕度、風(fēng)速等信息。

(4) 選擇泄漏源在泄漏設(shè)備的具體信息，包括運(yùn)行壓力、泄漏種類、泄漏口徑等信息。

(5) 條件輸入完畢后，運(yùn)行ALOHA軟件即可得到詳細(xì)文本和圖表，以顯示泄漏事故的影響區(qū)域。

為了能夠更加直觀地體現(xiàn)ALOHA數(shù)值模擬軟件分析方法，本文以我國(guó)某CNG加氣站為例，利用ALOHA軟件對(duì)儲(chǔ)氣井天然氣泄漏所產(chǎn)生的事故危害后果(噴射火、火球和蒸氣云爆炸)進(jìn)行了數(shù)值模擬定量分析[8-10]。

2. 1 原始數(shù)據(jù)的收集

收集到的某CNG加氣站原始參數(shù)見表1，該加氣站儲(chǔ)氣井在故障工況下會(huì)發(fā)生天然氣泄漏[11]。

表1 某CNG加氣站原始參數(shù)Table 1 Environment profile of a CNG gas station

2. 2 噴射火模型的建立與分析

由于該加氣站儲(chǔ)氣井為高壓容器(工作壓力為25 MPa)，當(dāng)天然氣泄漏開始時(shí)就接觸點(diǎn)火源會(huì)形成噴射火，此事故后果主要通過熱輻射強(qiáng)度對(duì)人體的危害半徑來定量分析其危險(xiǎn)程度[12]。熱輻射強(qiáng)度對(duì)人體的影響分級(jí)見表2。

表2 熱輻射強(qiáng)度對(duì)人體的影響分級(jí)Table 2 Classification of the effect of thermal radiation intensity on human

通過ALOHA軟件，可模擬計(jì)算得到該加氣站儲(chǔ)氣井泄漏形成噴射火時(shí)熱輻射對(duì)人體的危害半徑，見圖3。

圖3 5 m/s風(fēng)速條件下儲(chǔ)氣井泄漏噴射火熱輻射對(duì)人體的危害半徑Fig.3 Hazardous radius of thermal radiation of the jet fire from leakage of gas storage well under the condition of 5 m/s wind speed

由圖3可見，在5 m/s風(fēng)速條件下，該加氣站儲(chǔ)氣井泄漏發(fā)生噴射火時(shí)，以泄漏源為中心形成的熱輻射對(duì)人體的危害半徑為：灼痛感區(qū)域半徑r=111 m；二級(jí)燒傷區(qū)域半徑r=71 m；致死重傷區(qū)域半徑r=49 m。

2. 3 蒸氣云燃燒模型的建立與分析

當(dāng)該加氣站儲(chǔ)氣井發(fā)生泄漏時(shí)，天然氣未立刻接觸到點(diǎn)火源，沒有形成噴射火，但在高壓作用下會(huì)擴(kuò)散形成可燃蒸氣云，即蒸氣云燃燒，其主要危害為熱輻射影響，在運(yùn)用ALOHA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，設(shè)定其爆炸下限10% LEL(Lower Explosion Limit)、60% LEL作為危險(xiǎn)區(qū)域的劃分指標(biāo)。

通過ALOHA軟件，可模擬計(jì)算得到該加氣站儲(chǔ)氣井泄漏形成可燃蒸氣云發(fā)生閃燃的危害半徑[13]，見圖4。

圖4 5 m/s風(fēng)速條件下儲(chǔ)氣井泄漏可燃蒸氣云發(fā)生閃燃的危害半徑Fig.4 Combustible region of the vapor cloud from the leakage of gas storage well under the condition of 5 m/s wind speed

由圖4可見，在60%LEL時(shí)，儲(chǔ)氣井泄漏可燃蒸氣云發(fā)生閃燃的危害半徑r=149 m,橫向影響距離d=9 m；在10% LEL時(shí)，儲(chǔ)氣井泄漏可燃蒸氣云發(fā)生閃燃的危害半徑r=363 m,橫向影響距離d=25 m。

2. 4 蒸氣云爆炸模型的建立與分析

當(dāng)該加氣站儲(chǔ)氣井泄漏形成蒸氣云遇到點(diǎn)火源發(fā)生爆炸時(shí)，其主要危害為沖擊波超壓，此事故后果可通過沖擊波超壓值范圍來劃分其危險(xiǎn)區(qū)域，見表3。

表3 沖擊波強(qiáng)度的影響分級(jí)Table 3 Classification of the impact of the shock wave strength

通過ALOHA軟件，可模擬計(jì)算得到該加氣站儲(chǔ)氣井泄漏發(fā)生蒸氣云爆炸時(shí)形成的沖擊波對(duì)周圍的危害半徑，見圖5。

圖5 5 m/s風(fēng)速條件下儲(chǔ)氣井泄漏蒸氣云爆炸產(chǎn)生沖擊 波的危害半徑Fig.5 Damage radius of explosion shock wave of the vapor cloud from the leakage of gas storage well under the condition of 5m/s wind speed

由圖5可見，在5 m/s風(fēng)速條件下，儲(chǔ)氣井泄漏發(fā)生蒸氣云爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波的危害半徑為：玻璃破損區(qū)域半徑r=129 m；人員重傷區(qū)域未出現(xiàn)；建筑物嚴(yán)重破壞區(qū)域未出現(xiàn)[14-15]。

3 結(jié)論與建議

本文先利用事件樹分析法分析得出CNG加氣站儲(chǔ)氣井天然氣發(fā)生泄漏時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生的幾種事故危害后果，再建立數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用ALOHA數(shù)值模擬軟件定量分析事故的危害半徑，得出直觀圖表，最后通過圖表分析可以得出以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)儲(chǔ)氣井泄漏一開始就接觸點(diǎn)火源時(shí)，會(huì)形成噴射火，其主要危害為熱輻射對(duì)人體的影響，運(yùn)用ALOHA軟件可以建立噴射火模型并模擬出3種危害半徑：灼痛感區(qū)域、二級(jí)燒傷區(qū)域、致死重傷區(qū)域；結(jié)合危害半徑可以快速確定事故安全區(qū)域和逃生路線，可為應(yīng)急救援提供可靠的技術(shù)支持。

(2) 當(dāng)儲(chǔ)氣井發(fā)生泄漏且未立刻遇到點(diǎn)火源時(shí)，在高壓作用下會(huì)形成可燃蒸氣云，其主要危害也是熱輻射影響，可運(yùn)用ALOHA軟件建立蒸氣云燃燒模型并模擬出燃燒危害半徑和橫向影響距離；結(jié)合燃燒危害半徑和橫向影響距離可以設(shè)立精確的禁火區(qū)，可有效避免事故發(fā)生后形成的二次傷害。

(3) 當(dāng)儲(chǔ)氣井發(fā)生泄漏形成可燃蒸氣云并遇到點(diǎn)火源時(shí)，會(huì)發(fā)生蒸氣云爆炸并產(chǎn)生沖擊波，其主要危害為沖擊波超壓，運(yùn)用ALOHA軟件可以建立蒸氣云爆炸模型并模擬出沖擊波危害半徑：建筑物嚴(yán)重破壞區(qū)域、人員重傷區(qū)域、玻璃破碎區(qū)域；結(jié)合危害半徑可以根據(jù)事故基礎(chǔ)參數(shù)采取有效隔離防護(hù)措施，也可以為后續(xù)新建加氣站設(shè)計(jì)防爆設(shè)施提供可靠參數(shù)。

可見，運(yùn)用本文方法不僅為事故應(yīng)急救援和應(yīng)急演練提供了可靠的技術(shù)支持，也為CNG加氣站的日常安全管理、安全培訓(xùn)提供了精確的理論依據(jù)。但是本次運(yùn)用ALOHA軟件的數(shù)值模擬并不完善，只考慮了經(jīng)典風(fēng)速條件下的事故后果，后期將會(huì)繼續(xù)研究在不同工況下的事故后果情況。

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