郭文杰,賈新磊,曹 青,申建軍,胡瑩瑩
(1.濱州學(xué)院 化工與安全學(xué)院,山東 濱州 256600;2.濱州市化工過(guò)程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濱州 256600)
本文以某LNG加氣站儲(chǔ)罐區(qū)為例分析,研究其在發(fā)生泄漏后產(chǎn)生的次生衍生災(zāi)害事故。儲(chǔ)罐區(qū)共有3個(gè)LNG儲(chǔ)罐,儲(chǔ)罐最大容積為100m3,各儲(chǔ)罐之間的距離為55m,儲(chǔ)罐其它參數(shù)如表1所示。本模擬選取物料成分為甲烷,單罐容積為100m3,模擬泄漏部位為DN50的管道進(jìn)行計(jì)算,對(duì)其產(chǎn)生的次生災(zāi)害如池火災(zāi)、噴射火,蒸氣云爆炸等做定量分析,中毒窒息災(zāi)害以及產(chǎn)生的衍生災(zāi)害做定性分析。
LNG儲(chǔ)罐泄漏后的揮發(fā)氣與空氣混合形成可燃?xì)怏w混合物,遇到點(diǎn)火源被引燃,火焰蔓延至整個(gè)液池表面,隨著火勢(shì)的加大,其燃燒速率會(huì)趨于穩(wěn)定發(fā)展階段。本文通過(guò)池火災(zāi)后果模型計(jì)算池火災(zāi)后果嚴(yán)重程度,主要是分析池火產(chǎn)生的熱輻射通量以及火災(zāi)擴(kuò)散距離,以此為依據(jù)分析池火的傷害范圍以及在不同傷害范圍內(nèi)的次生災(zāi)害,衡量其危害后果。
利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件模擬軟件中后果模塊的池火災(zāi)模型模擬LNG儲(chǔ)罐泄漏,根據(jù)實(shí)際儲(chǔ)罐設(shè)置池火災(zāi)模型參數(shù),如表1所示。本次模擬以《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50183-2004)為參照標(biāo)準(zhǔn),以熱輻射通量和池火半徑作為主要研究參數(shù),分析產(chǎn)生的事故后果。
表1 池火災(zāi)模擬參數(shù)
在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件定量風(fēng)險(xiǎn)分析軟件中設(shè)置LNG儲(chǔ)罐泄漏的基本參數(shù),選擇所要模擬的災(zāi)害事故即池火災(zāi),運(yùn)行計(jì)算后輸出圖表分析,可以得到池火災(zāi)發(fā)生時(shí)的下風(fēng)向擴(kuò)散距離,如圖1所示,也可以得到池火災(zāi)的熱輻射通量以及致死率半徑,具體結(jié)果分別如圖2和圖3所示。
圖1 池火災(zāi)熱輻射水平與下風(fēng)向擴(kuò)散距離
由圖1可知,隨著引燃時(shí)間的延長(zhǎng),池火災(zāi)發(fā)生的嚴(yán)重程度也在不斷加大,其下風(fēng)向擴(kuò)散的距離也在不斷增加,可擴(kuò)散至25m左右。當(dāng)距離池火災(zāi)發(fā)生處7m左右時(shí)池火災(zāi)的最高熱輻射水平達(dá)到了90KW/m2,此時(shí)對(duì)人體危害最嚴(yán)重,最高熱輻射水平維持3m后才出現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì),因此在發(fā)現(xiàn)有出現(xiàn)池火災(zāi)的勢(shì)頭時(shí),有必要在其擴(kuò)散至7m之前采取防范措施對(duì)池火災(zāi)進(jìn)行控制,使其火勢(shì)不再繼續(xù)蔓延,造成更大的危害。
由圖2和圖3我們可以看出隨著下風(fēng)向擴(kuò)散距離的增加,池火災(zāi)的熱輻射通量逐漸減小,當(dāng)池火災(zāi)擴(kuò)散至12m左右時(shí),熱輻射通量達(dá)到最高值為37.5kW/m2,由表3可知此時(shí)如果有相關(guān)人員在此范圍內(nèi),1min內(nèi)致死率為100%,有1%的人會(huì)在10s內(nèi)死亡,周圍的生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備將會(huì)受到嚴(yán)重破壞。當(dāng)熱輻射通量對(duì)人員的危害降至相對(duì)安全范圍時(shí),此時(shí)致死率為1%,距離池火災(zāi)發(fā)生處大約為23m,在此范圍內(nèi)暴露長(zhǎng)時(shí)間人員會(huì)感到疼痛但不會(huì)造成很大傷害,故而當(dāng)發(fā)生池火災(zāi)事故時(shí),最好將附近相關(guān)人員疏散至23米開(kāi)外,且23米之內(nèi)不設(shè)置重要設(shè)備設(shè)施。
圖2 池火災(zāi)熱輻射通量
圖3 池火災(zāi)致死率及半徑
LNG儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)罐,一旦發(fā)生泄漏形成射流,在泄漏口處遇點(diǎn)火源被引燃,形成噴射火。本文通過(guò)噴射火模型計(jì)算出LNG儲(chǔ)罐泄漏產(chǎn)生的噴射火火球直徑及熱輻射通量,估計(jì)其影響范圍以及在此影響范圍內(nèi)的次生災(zāi)害事故。
利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件后果模塊中的噴射火模型進(jìn)行模擬計(jì)算,設(shè)置儲(chǔ)罐相關(guān)參數(shù),以熱輻射通量和火球直徑為參數(shù)分析事故后果嚴(yán)重程度,并提出相關(guān)防范措施,具體參數(shù)見(jiàn)表2所示。
表2 噴射火模擬參數(shù)
在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件定量風(fēng)險(xiǎn)分析軟件中輸入LNG儲(chǔ)罐泄漏的基本參數(shù),選擇所要模擬的災(zāi)害事故即噴射火,運(yùn)行計(jì)算后輸出圖表分析,可以得到噴射火發(fā)生時(shí)的下風(fēng)向擴(kuò)散距離與熱輻射水平,如圖4所示,也可以得到噴射火的致死率半徑以及熱輻射通量,具體結(jié)果分別如圖5和圖6所示。
圖4 噴射火擴(kuò)散距離及熱輻射水平
圖5 噴射火寬度及致死率半徑
圖6 噴射火寬度及熱輻射通量
由圖4表明,在1.5m/s風(fēng)速條件下,隨著噴射火火災(zāi)分布范圍的增加,前5m范圍內(nèi)熱輻射水平不斷上升,5m到43m范圍內(nèi)趨于平緩,熱輻射通量保持在同一個(gè)數(shù)值44KW/m2,達(dá)到發(fā)生噴射火事故后熱輻射通量的最高值,當(dāng)擴(kuò)散距離大于45m時(shí)熱輻射通量逐漸降低,而且由圖6我們也可以看到距離火災(zāi)發(fā)生處47m的這一段范圍內(nèi)熱輻射強(qiáng)度最高,距離遠(yuǎn)于71m之后才能到達(dá)相對(duì)安全范圍,此時(shí)的致死率由圖5可知小于1%。以上數(shù)據(jù)表明,當(dāng)發(fā)生噴射火事故時(shí),為了降低事故后果,減少人員傷亡,需要將人員疏散至70m開(kāi)外的空曠地帶,才能不至于被噴射火所產(chǎn)生的熱輻射造成傷害。
LNG發(fā)生泄漏后形成一定尺寸的蒸氣云,足夠量空氣進(jìn)入蒸氣云后經(jīng)過(guò)混合形成爆炸性混合物,遇點(diǎn)火源引燃后發(fā)生蒸氣云爆炸,火焰加速傳播并加熱鄰近的儲(chǔ)罐,其中爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)周圍人群以及建筑設(shè)備的傷害程度極大。若蒸氣云爆炸進(jìn)一步發(fā)展,會(huì)對(duì)周圍設(shè)施或相鄰儲(chǔ)罐等引發(fā)二次災(zāi)害,造成多米諾效應(yīng)。本文主要通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件后果模塊中的TNT當(dāng)量模型計(jì)算爆炸時(shí)的爆炸超壓、死亡半徑、重傷半徑等,分析其發(fā)生爆炸事故的傷害范圍,其爆炸超壓的強(qiáng)度范圍見(jiàn)表3。
表3 爆炸超壓強(qiáng)度范圍
4.4.2 參數(shù)設(shè)定
通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件后果模塊中的蒸氣云模型,設(shè)定研究范圍的最遠(yuǎn)距離為400m,儲(chǔ)罐形狀選擇圓柱形,爆炸形式選擇地面爆炸,模擬狀態(tài)選擇理想氣體爆炸運(yùn)行計(jì)算,其余儲(chǔ)罐泄漏參數(shù)見(jiàn)表4。
表4 蒸氣云爆炸模擬參數(shù)
4.4.3 結(jié)果分析
在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件定量風(fēng)險(xiǎn)分析軟件中輸入LNG儲(chǔ)罐泄漏的基本參數(shù),選擇所要模擬的災(zāi)害事故即蒸氣云爆炸,運(yùn)行計(jì)算后輸出圖表分析,可以得到蒸氣云爆炸最壞情況下的超壓與擴(kuò)散距離以及蒸氣云爆炸半徑,具體結(jié)果如圖7和圖8所示。
圖7 蒸氣云爆炸最壞情況下的超壓與擴(kuò)散距離
圖8 蒸氣云爆炸最壞情況下的擴(kuò)散距離與爆炸半徑
由圖7我們可以看出蒸氣云爆炸在三種不同氣壓下的具體情況,分別為0.02068 bar、0.1379 bar和0.2068 bar(1 bar=0.1MPa),在距離爆炸發(fā)生處順風(fēng)距離104m處達(dá)到爆炸超壓極限值1 bar,并保持該極限值持續(xù)順風(fēng)擴(kuò)散了32m左右,此時(shí)由表5知當(dāng)爆炸超壓達(dá)到0.1MPa時(shí),人員死亡率可以達(dá)到100%,故此時(shí)對(duì)人體傷害程度最大。在距離爆炸發(fā)生處順風(fēng)距離136m時(shí)其爆炸超壓才呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì),擴(kuò)散至順風(fēng)距離330m時(shí)超壓降至最低為0.025 bar,在此范圍內(nèi)已經(jīng)到達(dá)了安全區(qū),人員的身體健康得到了保證。圖8是在三種沖擊波超壓下得出的最壞情況的爆炸半徑,其中0.02068 bar情況下不對(duì)人群構(gòu)成威脅,周圍建筑玻璃窗會(huì)損壞,由圖8知傷害半徑大約為側(cè)風(fēng)距離215m。0.1379 bar情況下對(duì)人員傷害程度不大,周圍建筑設(shè)施的玻璃可能會(huì)破碎,由圖8知傷害半徑大約為側(cè)風(fēng)距離55m。0.2068 bar情況下對(duì)人員造成傷害,周圍建筑墻體會(huì)出現(xiàn)裂縫等災(zāi)害,由圖8知傷害半徑大約為側(cè)風(fēng)距離41m左右。
LNG成分中還存在有少量的氣味非常濃烈且難聞的硫化氫氣體,當(dāng)LNG儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏并接收熱量后,LNG會(huì)蒸發(fā)并擴(kuò)散至空氣中,造成環(huán)境的污染。此外LNG本身是低溫存儲(chǔ)的液體,當(dāng)出現(xiàn)泄漏口時(shí),會(huì)流淌到地面形成液池,這也是前面提到的池火災(zāi)發(fā)生的導(dǎo)火索,如果相關(guān)工作人員沒(méi)有注意到LNG泄漏,則其液池面積會(huì)越來(lái)越大,當(dāng)LNG氣化站附近有河流時(shí),會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng),液池逐漸流入河流中,造成水體污染,嚴(yán)重的話會(huì)感染水中的生物,誘發(fā)新病毒的產(chǎn)生,繼而威脅到人類的生命健康。
通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件模擬了LNG泄漏所產(chǎn)生的池火,噴射火和蒸氣云爆炸的發(fā)生狀況,定量分析了這些災(zāi)害的嚴(yán)重程度,對(duì)于泄漏所產(chǎn)生的中毒窒息和其它衍生災(zāi)害等定性分析了產(chǎn)生的事故后果,本文得出結(jié)論如下:
(1)當(dāng)池火災(zāi)發(fā)生時(shí),越早控制越好,盡量不要讓火勢(shì)蔓延至晚期,當(dāng)距離池火災(zāi)發(fā)生處順風(fēng)距離12m時(shí)為池火的死亡半徑,順風(fēng)距離23m時(shí)為輕傷半徑,某LNG加氣站儲(chǔ)罐區(qū)各儲(chǔ)罐間距離為55m,故發(fā)生池火災(zāi)時(shí)對(duì)相鄰儲(chǔ)罐的危害不是很大,主要是注重人員的撤離。
(2)噴射火的死亡半徑為順風(fēng)距離47m,輕傷半徑為順風(fēng)距離71m,考慮到個(gè)相鄰儲(chǔ)罐間距為55m,此時(shí)容易引起相鄰罐體發(fā)生火災(zāi)爆炸事故,因此需在LNG儲(chǔ)罐工作區(qū)間內(nèi)安裝監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置,及早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)控制火勢(shì)。
(3)蒸氣云爆炸時(shí)安全半徑大約為側(cè)風(fēng)距離215m,輕傷半徑大約為側(cè)風(fēng)距離41m左右,但側(cè)風(fēng)距離55m時(shí)會(huì)對(duì)周圍的建筑設(shè)施等產(chǎn)生影響,以儲(chǔ)罐間距55m為例,會(huì)引發(fā)相鄰罐體的爆炸,因此對(duì)于工種場(chǎng)所內(nèi)含有LNG儲(chǔ)罐區(qū)的工廠,注意設(shè)置好儲(chǔ)罐的安全間距,避免二次爆炸事故。