黃麗姣，楊珉，蔣依(湖南安全生產(chǎn)科學(xué)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

0 引言

石油庫(kù)是收發(fā)、儲(chǔ)存原油、成品油及其他易燃和可燃液體化學(xué)品的獨(dú)立設(shè)施[1]，儲(chǔ)油罐作為油庫(kù)儲(chǔ)存油品的重要容器，也是罐組的主要設(shè)備之一。而控制室是油庫(kù)的心臟，是工藝生產(chǎn)過程和應(yīng)急調(diào)度的指揮中心。若油庫(kù)發(fā)生油品泄漏、蒸氣云燃爆事故，中央控制室一旦被破壞將會(huì)造成整個(gè)油庫(kù)陷于癱瘓，造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失，威脅人員的生命安全，甚至引發(fā)更大的次生災(zāi)害。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程的加快，危險(xiǎn)化學(xué)品相關(guān)產(chǎn)業(yè)也得到了蓬勃發(fā)展。隨著現(xiàn)代社會(huì)文明進(jìn)步，對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)在對(duì)人員、社會(huì)和環(huán)境等方面提出了更高、更迫切的要求。安全生產(chǎn)是經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)健康發(fā)展的標(biāo)志，是黨和政府對(duì)人民利益高度負(fù)責(zé)的要求。根據(jù)應(yīng)急〔2019〕78 號(hào)文：“控制室應(yīng)滿足防火防爆要求”。根據(jù)應(yīng)急〔2020〕84 號(hào)文：“涉及甲乙類火災(zāi)危險(xiǎn)性的生產(chǎn)裝置控制室布置在裝置區(qū)內(nèi)，但未按照(GB 50779)完成抗爆設(shè)計(jì)、建設(shè)和加固的，要求限期改正”。因此，對(duì)油庫(kù)爆炸造成的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別、綜合評(píng)估，獲得控制室的爆炸沖擊波參數(shù)，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制室原址或異地合規(guī)性改造提出合理化建議。爆炸沖擊波參數(shù)是控制室建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件，對(duì)于建設(shè)結(jié)構(gòu)合理、功能齊全的控制中心是非常必要的。

1 研究方法

當(dāng)大量的可燃液體或氣體發(fā)生泄漏且沒有被立即點(diǎn)燃，可燃?xì)庠茖?huì)持續(xù)擴(kuò)散。如果可燃?xì)庠圃趽砣臻g或者受限空間內(nèi)積聚并被點(diǎn)火源點(diǎn)燃，這時(shí)可能發(fā)生蒸氣云爆炸(VCE)。TNT 當(dāng)量法是把危險(xiǎn)物料蒸氣云爆炸的破壞作用轉(zhuǎn)化為TNT 爆炸的破壞作用，從而把危險(xiǎn)物料蒸氣云的量轉(zhuǎn)化成TNT 當(dāng)量。它是較早用于蒸氣云爆炸對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的影響的一種方法，簡(jiǎn)單易行，易于操作，但未考慮危險(xiǎn)物料蒸氣云擴(kuò)散及爆炸沖擊波的衰減，存在明顯缺陷[2]。

Multi-Energy 模型以危險(xiǎn)物料半球形蒸氣云為模型，假設(shè)中心點(diǎn)火，火焰以恒定速度傳播，以數(shù)值的方法計(jì)算不同燃燒速度下的危險(xiǎn)物料蒸氣云的爆炸強(qiáng)度，獲得該危險(xiǎn)物料的爆炸強(qiáng)度曲線。這種模型在理論上比較合理，能夠預(yù)測(cè)不同強(qiáng)度的爆炸超壓的影響。

DNV(挪威船級(jí)社)公司的安全管理和技術(shù)評(píng)價(jià)在全世界都具有權(quán)威地位，其開發(fā)的SAFETI 軟件擁有多年工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，擁有泄漏模塊、擴(kuò)散模塊、后果影響模塊和風(fēng)險(xiǎn)模塊，各個(gè)模塊均經(jīng)過實(shí)驗(yàn)認(rèn)證和比對(duì)，計(jì)算準(zhǔn)確度高，被國(guó)家應(yīng)急管理部認(rèn)可和推薦。該軟件可以準(zhǔn)確地模擬預(yù)測(cè)危險(xiǎn)物料泄漏后在特定天氣狀況和地理?xiàng)l件下的擴(kuò)散狀況，得到危險(xiǎn)物料蒸氣云濃度和爆炸超壓情況。

2 爆炸影響標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)對(duì)所有識(shí)別出的失效事件的計(jì)算模擬得到爆炸超壓。識(shí)別出失效事件中既有嚴(yán)重后果-低概率事件(如破裂)，也包含較輕后果-高概率事件(如小孔泄漏)，以及其他中高頻率和中高后果事件。美國(guó)API 752 指導(dǎo)文件中提出在確定化學(xué)品生產(chǎn)場(chǎng)地內(nèi)長(zhǎng)期有人的建筑物時(shí)，業(yè)主可根據(jù)自己的風(fēng)險(xiǎn)接受水平選擇合適的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。常見的參考標(biāo)準(zhǔn)有：

(1)基于最嚴(yán)重的后果確定建筑物的抗爆炸超壓的能力。需要指出的是最嚴(yán)重的后果一般具有較低的概率，而且需要很高的防護(hù)成本。

(2)基于風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)果確定建筑物抗爆炸超壓的能力。參照《中國(guó)石化既有建筑物抗爆治理指導(dǎo)意見(試行)》，考慮爆炸、火災(zāi)和中毒對(duì)建筑物人員的影響，其中推薦采用1×10-4次/年為超壓頻率參考標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)《中國(guó)石化既有建筑物抗爆治理指導(dǎo)意見(試行)》第2.2 條：當(dāng)建筑物受到的爆炸沖擊波超壓≥6.9 kPa 或沖量≥207 kPa·ms，且未進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)時(shí)，建筑物宜進(jìn)行抗爆治理。

3 油庫(kù)應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 潛在爆炸區(qū)域的爆炸強(qiáng)度等級(jí)

Multi-Energy 模型是將擁塞空間作為潛在爆炸區(qū)域(PES)，并將潛在爆炸區(qū)域的爆炸強(qiáng)度等級(jí)分為十個(gè)等級(jí)。Kinsella 通過區(qū)域內(nèi)點(diǎn)火能量、擁塞程度以及是否平行平面受限三個(gè)參數(shù)對(duì)潛在爆炸區(qū)域爆炸強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行劃分。

(1)點(diǎn)火能量。據(jù)區(qū)域內(nèi)點(diǎn)火源的強(qiáng)度劃分為高和低點(diǎn)火能量，點(diǎn)火源的點(diǎn)火能量＜100 MJ 時(shí)被稱為低點(diǎn)火能量，反之為高點(diǎn)火能量。

(2) 擁塞程度。高：PES 內(nèi)障礙物密集排列，其中障礙物所占的體積占區(qū)域體積的30%以上且障礙物之間的間距小于3 m；低：障礙物所占的體積占區(qū)域體積小于30%或障礙物的間距大于3 m；無：PES 內(nèi)沒有障礙物。

(3)平行平面受限。平行平面受限：PES 兩面或三面有墻/實(shí)體阻擋。平行平面不受限：除地面外，PES其他方向不受限。

3.2 失效模型

設(shè)備、管線可能會(huì)發(fā)生不同尺寸的泄漏場(chǎng)景，如：小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏，甚至管線完全破裂，根據(jù)泄漏事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，建立汽油、柴油儲(chǔ)罐、罐車等罐體破裂、5 mm 孔徑泄漏、25 mm 孔徑泄漏和100 mm孔徑泄漏等失效模型。

3.3 泄漏量

完全破裂的泄漏場(chǎng)景按設(shè)備內(nèi)全部容量瞬時(shí)泄漏考慮，即泄漏量為容器內(nèi)全部物料。連續(xù)泄漏的泄漏量由泄漏速率、泄漏時(shí)間確定。其中泄漏速率可通過SAFETI 軟件計(jì)算確定。在最大泄漏量的基礎(chǔ)上，考慮到探測(cè)和切斷系統(tǒng)的有效性。該油庫(kù)設(shè)置有可燃?xì)怏w報(bào)警儀。一旦發(fā)生泄漏，可燃?xì)怏w探頭會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，現(xiàn)場(chǎng)人員確認(rèn)泄漏后，可遠(yuǎn)程控制切斷閥。因此探測(cè)系統(tǒng)分級(jí)選B，隔離系統(tǒng)分級(jí)選A。設(shè)備設(shè)施泄漏量按發(fā)生5 mm 泄漏時(shí)間按40 min，25 mm 泄漏時(shí)間按30 min，發(fā)生100 mm 泄漏時(shí)間按20 min 計(jì)算。

3.4 失效頻率

失效頻率指易燃、有毒等危險(xiǎn)物料在不同失效模型中發(fā)生泄漏的可能性。易燃、有毒等危險(xiǎn)物料發(fā)生泄漏，可能發(fā)展成為不同后果的事故，導(dǎo)致人員傷亡的發(fā)生。對(duì)每一個(gè)失效模型的發(fā)生頻率的模擬是基于《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》的規(guī)定和油庫(kù)實(shí)際情況綜合確定。

3.5 氣象條件

可燃物料向大氣的泄放后果很大程度上取決于泄漏出的物料稀釋并擴(kuò)散到安全濃度的速度。因此，當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件對(duì)這兩個(gè)方面的影響非常重要。首先，風(fēng)向決定了一個(gè)泄放物料的漂移方向(朝向或偏離所關(guān)注的位置)；第二，實(shí)際的氣候條件，在風(fēng)速及大氣穩(wěn)定度(衡量大氣的紊亂度) 方面，決定了可燃和有毒云團(tuán)多快能擴(kuò)散到無危害的濃度值。根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》的要求，在擴(kuò)散模擬時(shí)，綜合考慮當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向(十六種風(fēng)向)、風(fēng)速、及穩(wěn)定度聯(lián)合頻率。

3.6 擴(kuò)散表面粗糙度

根據(jù)紫皮書對(duì)擴(kuò)散表面粗糙度的分類確定潛在爆炸區(qū)域擴(kuò)散表面粗糙度。該油庫(kù)“障礙物到泄漏源的距離/ 相應(yīng)的主要障礙物的高度”比值在15～20之間，因此擴(kuò)散表面粗糙度取0.25 m。

3.7 點(diǎn)火源

(1)立即點(diǎn)火概率。DNV GL Safeti 默認(rèn)立即點(diǎn)火概率是0.3，其僅僅適用于在大的工業(yè)化工廠中發(fā)生的非常大的可燃?xì)怏w泄漏。研究中通常采用的方法是對(duì)Safeti 風(fēng)險(xiǎn)模型中的每一個(gè)失效事件進(jìn)行初步的泄漏分析，確定出泄漏流量和泄漏物中的氣相比例。立即點(diǎn)火概率與裝置類型、物質(zhì)種類及泄漏(釋放)有關(guān)。本次分析中，立即點(diǎn)火概率將根據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[3]的立即點(diǎn)火的點(diǎn)火概率進(jìn)行設(shè)定。

(2)延遲點(diǎn)火概率。失效事件的延遲點(diǎn)火概率既可以由Safeti 軟件根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)定義好的點(diǎn)火源計(jì)算得出，也可在Safeti 里進(jìn)行失效事件定義時(shí)直接給出。

對(duì)每一個(gè)泄漏事件，計(jì)算出來的延遲點(diǎn)火概率值會(huì)隨著天氣類別、風(fēng)速和風(fēng)向、點(diǎn)火源的數(shù)量、強(qiáng)度和與擴(kuò)散可燃蒸氣云團(tuán)的接觸時(shí)間不同而不同。

對(duì)于延遲點(diǎn)火的概率計(jì)算綜合考慮了點(diǎn)火源特性、泄漏物的組分以及點(diǎn)火源處于蒸氣云團(tuán)內(nèi)的概率，可用式(1)表示：

式中：P(t)為0～t時(shí)間內(nèi)發(fā)生點(diǎn)火的概率；Ppresent為當(dāng)蒸氣云經(jīng)過時(shí)，點(diǎn)火源存在的概率；ω為點(diǎn)火效率(s-1)，與點(diǎn)火源有關(guān)；t為時(shí)間(s)。

點(diǎn)火效率根據(jù)點(diǎn)火源在某一段時(shí)間內(nèi)的點(diǎn)火概率綜合計(jì)算得到，不同點(diǎn)火源在1 min 內(nèi)的點(diǎn)火概率可參考AQ/T 3046—2013 《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指南》，由于人員也可能成為點(diǎn)火源，Safeti 軟件自動(dòng)將區(qū)域內(nèi)的人員列為點(diǎn)火源進(jìn)行模擬計(jì)算。

3.8 模擬計(jì)算

在Safeti8.4 風(fēng)險(xiǎn)定量計(jì)算軟件的不同模塊中輸入油庫(kù)的相關(guān)參數(shù)，其過程如下：

(1)插入地圖。在軟件的Map 模塊插入油庫(kù)區(qū)域位置圖、總平面布置圖和設(shè)備布置圖，設(shè)置好原點(diǎn)和比例尺。根據(jù)油庫(kù)防火堤的設(shè)置情況劃定罐區(qū)和裝車區(qū)的防火堤面積、高度和類型。

(2)輸入氣象數(shù)據(jù)。在軟件的Weather 模塊中按當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鬏斎腼L(fēng)速、大氣穩(wěn)定度和選擇十六種風(fēng)向。

(3) 建模。在軟件的Models 模塊中建立油庫(kù)汽油儲(chǔ)罐(4 臺(tái)3 000 m3)、柴油儲(chǔ)罐(6 臺(tái)3 000 m3)、汽油罐車(2 輛30 m3)、柴油罐車(2 輛30 m3)等罐體破裂、5 mm 孔徑泄漏、25 mm 孔徑泄漏和100 mm 孔徑泄漏等模型，并在軟件中輸入“物質(zhì)、泄漏量、溫度(常溫)、壓力(常壓)、泄漏孔徑、泄漏概率及設(shè)備設(shè)施直徑、高度等參數(shù)”等數(shù)據(jù)。

(4)設(shè)置潛在爆炸區(qū)域。在軟件的Map 模塊根據(jù)油庫(kù)實(shí)際情況設(shè)置潛在爆炸區(qū)域，輸入擴(kuò)散表面粗糙度等數(shù)據(jù)。

(5)設(shè)置點(diǎn)火源和人口。在軟件的Risk 模塊根據(jù)油庫(kù)及周邊的點(diǎn)火源和人口情況設(shè)置點(diǎn)火源和人口(根據(jù)白天和晚上人口的具體情況進(jìn)行設(shè)置)，確定點(diǎn)火源的類型(如：船舶、機(jī)動(dòng)車、電力線、公路、鐵路、化工廠)和點(diǎn)火概率。

(6)設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)觀測(cè)點(diǎn)。根據(jù)模擬的目的和關(guān)鍵點(diǎn)，在地圖中控制室不同方位設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)觀測(cè)點(diǎn)，運(yùn)行成功后可得到各風(fēng)險(xiǎn)觀測(cè)點(diǎn)的爆炸超壓超越曲線及爆炸沖量超越曲線。

(7)建立run rows。由于白天和晚上的作業(yè)情況、人口情況、點(diǎn)火源情況、氣象數(shù)據(jù)均存在差異，因此設(shè)置白天和晚上兩個(gè)run rows。在各自的run row 中選擇相應(yīng)的失效模型、人口情況、點(diǎn)火源情況、氣象數(shù)據(jù)等。在軟件的combinations 模塊中設(shè)置白天和晚上的貢獻(xiàn)率。

(8) 運(yùn)行。運(yùn)行run rows 后，可得到該油庫(kù)控制室爆炸超壓超越曲線及爆炸沖量超越曲線，具體結(jié)果如表1、圖1 和圖2 所示。

圖1 控制室爆炸超壓超越曲線

圖2 控制室爆炸沖量超越曲線

表1 控制室的爆炸超壓值、沖量一覽表

3.9 結(jié)果分析與討論

通過SAFETI 定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算軟件采用Multi-Energy模型定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法對(duì)該油庫(kù)控制室爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估結(jié)果顯示：該油庫(kù)控制室面向具有火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)性裝置一側(cè)超壓0.001 MPa 的頻率1×10-8次/年，低于《中國(guó)石化既有建筑物抗爆治理指導(dǎo)意見》第2.2 條要求，不需進(jìn)行抗爆治理。

本次模擬中失效模型的失效頻率是參考GB/T 37243—2019 中相應(yīng)失效模型的失效頻率進(jìn)行模擬的。在具體的化工企業(yè)控制室承爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，可結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況，根據(jù)物料的溫度、壓力、相態(tài)、組成、ESD 緊急切斷閥等信息對(duì)涉及危險(xiǎn)物料的PID 圖進(jìn)行危險(xiǎn)源辨識(shí)與節(jié)點(diǎn)劃分，采用軟件DNVGL LEAK 對(duì)反應(yīng)容器、儲(chǔ)罐、熱交換器、工藝管線、壓縮機(jī)、泵、儀表接口等設(shè)備設(shè)施的泄漏頻率進(jìn)行整合得到各節(jié)點(diǎn)設(shè)備設(shè)施的泄漏概率，這樣的失效概率更接近生產(chǎn)過程中的實(shí)際失效頻率。DNVGL LEAK 軟件含有一個(gè)龐大的歷史失效頻率數(shù)據(jù)庫(kù)，其歷史失效數(shù)據(jù)是DNV GL 基于對(duì)世界上幾個(gè)重要失效頻率數(shù)據(jù)庫(kù)的深入研究而建成的。

本次是對(duì)已建成的控制室進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)模擬，對(duì)新建企業(yè)擬建控制室或已投產(chǎn)企業(yè)控制室異地合規(guī)性改造也具有重大意義。分析爆炸事故定量事故后果和風(fēng)險(xiǎn)模擬結(jié)果，得到的爆炸超壓值及爆炸沖量值是控制室建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件，對(duì)需要進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)的控制室可提供合理化建議。

目前，國(guó)內(nèi)還未制定控制室爆炸影響標(biāo)準(zhǔn)，主要參考《中國(guó)石化既有建筑物抗爆治理指導(dǎo)意見(試行)》的相關(guān)規(guī)定，制定控制室爆炸影響標(biāo)準(zhǔn)，仍是后續(xù)研究迫切及重要的內(nèi)容。

4 結(jié)語

運(yùn)用挪威船級(jí)社(DNV)的Safeti8.4 風(fēng)險(xiǎn)定量計(jì)算軟件，采用Multi-Energy 模型對(duì)油庫(kù)內(nèi)各危險(xiǎn)裝置、設(shè)施進(jìn)行爆炸事故后果及爆炸風(fēng)險(xiǎn)的模擬，計(jì)算出廠內(nèi)各危險(xiǎn)裝置、設(shè)施發(fā)生爆炸事故對(duì)控制室的影響。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求和現(xiàn)場(chǎng)控制室爆炸風(fēng)險(xiǎn)定量計(jì)算結(jié)果，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制室原址或異地合規(guī)性改造提出合理化建議。

準(zhǔn)確模擬各危險(xiǎn)裝置、設(shè)施發(fā)生爆炸事故后果及爆炸風(fēng)險(xiǎn)對(duì)控制室的影響，是采取有效措施降低控制室風(fēng)險(xiǎn)的前提。因此，進(jìn)一步完善控制室承爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和爆炸影響標(biāo)準(zhǔn)，仍是后續(xù)研究的重要內(nèi)容。