蔣宏業(yè) ，李文倩，張永城，徐濤龍，古 芃

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500

2.中國石油新疆油田分公司油氣儲(chǔ)運(yùn)分公司，新疆 克拉瑪依 834002

3.國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸公司，上海 浦東新區(qū) 200000

引言

天然氣行業(yè)的大小站場(chǎng)、輸氣管線等都會(huì)遇到需要放空天然氣的情況，放空量一般高達(dá)幾百萬立方米，輸氣管線需要根據(jù)具體情況選擇冷放空[1]或者熱放空。冷放空過程中，排出的天然氣會(huì)混進(jìn)空氣中，一旦遇到火源，若混合氣體不在爆炸極限的濃度內(nèi)，可能發(fā)生火災(zāi)事故；若混合氣體在爆炸極限的濃度內(nèi)，可能會(huì)發(fā)生爆炸事故。

針對(duì)站場(chǎng)放空時(shí)氣體排放的危險(xiǎn)性，Jo 等[2]首次提出了簡(jiǎn)化的方程式，可以描述氣體釋放速率、氣體射流量等與熱通量的函數(shù)關(guān)系，可以估算管道氣體泄漏排放后的危險(xiǎn)面積。Andre 等[3]通過結(jié)合經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)的理論公式以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)有限元模型，模擬了排放壓縮天然氣時(shí)，氣體的排放速度和氣體的擴(kuò)散規(guī)律，可以估算出點(diǎn)火的幾率和計(jì)算著火時(shí)火焰的穩(wěn)定程度。梁俊奕[4]對(duì)兩種工況下放空氣體的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究，給出了放空氣體存在點(diǎn)火危險(xiǎn)的區(qū)域。齊建波等[5]建立數(shù)值模型，模擬了氣體放空時(shí)的泄漏擴(kuò)散過程，確定給出了氣體排放擴(kuò)散后的閃燃濃度范圍。秦琴等[6]研究了放空火炬燃燒氣體的熱輻射強(qiáng)度與到火炬的距離的關(guān)系。賈保印等[7]通過建立數(shù)值模型，模擬了氣體放空擴(kuò)散的過程中，壓力和流量等參數(shù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

國內(nèi)外學(xué)者在冷放空領(lǐng)域做了一些研究[8-12]，但沒有專門針對(duì)站場(chǎng)冷放空作業(yè)時(shí)放空速率不同和放空壓力不同對(duì)火災(zāi)熱輻射的影響和對(duì)爆炸超壓影響的研究。

結(jié)合華南CZ 站場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，首先，模擬發(fā)生火災(zāi)后的熱輻射影響范圍，然后，模擬發(fā)生爆炸的沖擊波超壓影響范圍，得到熱輻射曲線和爆炸超壓曲線，最后，模擬不同放空速率和放空壓力分別對(duì)火災(zāi)熱輻射及沖擊波超壓的影響，得出熱輻射最遠(yuǎn)傷害距離和沖擊波超壓最遠(yuǎn)傷害距離，在此基礎(chǔ)上提出了提高站場(chǎng)安全水平的相關(guān)建議。

1 冷放空天然氣事故模型和傷害準(zhǔn)則

1.1 管存量的計(jì)算

天然氣放空管線在放空過程需要一定的放空壓力，根據(jù)管內(nèi)壓力和當(dāng)?shù)卮髿鈮旱年P(guān)系，需要放空段管道的存氣量的計(jì)算過程如圖1 所示。

圖1 管存量計(jì)算流程圖Fig.1 Flow chart of pipe stock calculation

1.2 天然氣泄漏擴(kuò)散和燃爆模型

冷放空天然氣的泄放可以使用斷裂模型模擬，擴(kuò)散天然氣比較輕，擴(kuò)散范圍常用PHAST 64-PR模型模擬。

由于天然氣爆炸過程與TNT 炸藥包爆炸過程比較相似，爆炸模擬使用TNT 模型，火災(zāi)模擬選擇固體香蕉噴射火模型[13-17]。

1.3 事故傷害準(zhǔn)則

1.3.1 熱輻射影響

國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)給出了熱輻射傷害[18]采用的熱通量傷害準(zhǔn)則[19]，如表1 所示。

表1 熱輻射傷害的熱通量傷害準(zhǔn)則Tab.1 Heat flux damage criterion for thermal radiation damage

根據(jù)表1 給出的熱通量傷害值，以分別代表死亡、重傷和輕傷的3 個(gè)參考值（37.5，25.0 和4.0 kW/m2）作為火災(zāi)傷害的閾值，分別把其影響區(qū)域視作為死亡區(qū)、重傷區(qū)及輕傷區(qū)，把建筑損壞的最小值取為12.5 kW/m2。

1.3.2 沖擊波超壓影響

沖擊波超壓準(zhǔn)則[20]如表2 所示，分別研究超壓對(duì)人員、建筑和設(shè)備的影響，進(jìn)而區(qū)分其超壓傷害程度。

表2 沖擊波產(chǎn)生的超壓傷害準(zhǔn)則Tab.2 Damage criterion of overpressure induced by shock wave

根據(jù)表2 給出的沖擊波超壓傷害值，以分別代表死亡、重傷和輕傷的3 個(gè)參考值（69.0、34.0、13.8 kPa）作為沖擊波超壓傷害的閾值，分別把其影響區(qū)域視作為死亡區(qū)、重傷區(qū)及輕傷區(qū)，把建筑損壞的最小值取為20.7 kPa。

2 工程條件

CZ 分輸清管站位于湖南省CZ 市，到上游閥室的管線長(zhǎng)13.8 km，管線外徑1 016 mm，壁厚約17.5 mm。輸氣管線的設(shè)計(jì)壓力10 MPa，放空壓力為6 MPa。CZ 站距離放空立管86 m，根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速玫瑰圖，站場(chǎng)所在地年平均風(fēng)速5 m/s。假設(shè)天然氣管道已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行，天然氣管道溫度等于地溫，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，全年平均溫度為19.8°C，轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)溫度為292.95 K。

CZ 站天然氣來氣采自川氣東送某凈化廠凈化氣，來氣組分如表3 所示。

表3 來氣主要組分表Tab.3 Main components of incoming gas %

天然氣上游管道內(nèi)徑為981 mm，將上述值代入計(jì)算流程圖1 的公式，則CZ 站至上游閥室段管線的管內(nèi)存氣量為10 409 m3，再代入計(jì)算流程圖1 的公式求得該段天然氣管道儲(chǔ)氣量在大氣狀況下體積為70.15×104m3，求得壓縮因子Z1=0.840 7，溫度T1為292.95 K。

為了考慮最不利狀況，本次模擬管線上游管線需要緊急放空，通過打開越站閥（HVB0101）上游的1#閥門（BV0122）和2#閥門（CV0106）開始放空，放空量為所有管存量，放空壓力為6 MPa，放空速率為20×104m3/h。由于站場(chǎng)周邊林木茂盛，故未采用熱放空形式，而是將放空管線直接同放空立管連接。放空立管高15 m，放空立管前管線直徑為350 mm。

3 火災(zāi)影響范圍定量模擬

3.1 泄漏濃度范圍

擴(kuò)散范圍剛開始隨時(shí)間的變化慢慢增大，20 s后逐漸達(dá)到穩(wěn)定的濃度分布狀態(tài)，以CZ 站放空處為中心線，中心線濃度比隨順風(fēng)距離的分布如圖2所示。

圖2 中心線濃度比和順風(fēng)距離關(guān)系Fig.2 Relationship between concentration ratio of centerline and downwind distance

計(jì)算得該混合氣體的燃燒下限（LFL）為4.50%。將燃燒下限的一半（0.5LFL）2.25% 作為最低檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)。模擬得到擴(kuò)散氣體體積分?jǐn)?shù)為2.25%～4.50%的側(cè)視圖分布情況，如圖3 所示。

圖3 氣體體積分?jǐn)?shù)為2.25%～4.50%的云團(tuán)高度與順風(fēng)距離側(cè)視圖Fig.3 Side view of cloud cluster height and downwind distance with gas volume fraction of 2.25%～4.50%

3.2 火災(zāi)影響范圍

在放空過程中，若閃燃范圍內(nèi)遇到火源，可能會(huì)引起火災(zāi)。熱輻射的影響范圍開始是隨著時(shí)間推移而增大，達(dá)到60 s 后噴射火的熱輻射逐漸穩(wěn)定，模擬60 s 的噴射火熱輻射曲線比較能反映出火災(zāi)熱輻射影響范圍，火災(zāi)熱輻射強(qiáng)度和順風(fēng)距離關(guān)系見圖4。

圖4 火災(zāi)熱輻射強(qiáng)度和順風(fēng)距離關(guān)系Fig.4 Relationship between fire heat radiation intensity and downwind distance

CZ 站距離放空立管86 m，從圖4 和表1 可以看出，最大的熱輻射值是7.9 kW/m2，對(duì)人員和周圍建筑及設(shè)備的影響只達(dá)到輕傷區(qū)的范圍，熱輻射輕傷區(qū)的影響范圍如圖5 所示。

圖5 熱輻射輕傷區(qū)范圍Fig.5 Range of thermal radiation slight injury area

4 爆炸影響范圍定量模擬

4.1 泄漏擴(kuò)散影響范圍

已知放空混合氣體爆炸下限（LEL）為5.00%，爆炸上限（UEL）為15.00%，模擬得到擴(kuò)散氣體體積分?jǐn)?shù)為5.00%～15.00%的側(cè)視圖分布情況如圖6所示。

圖6 氣體體積分?jǐn)?shù)為5.00%～15.00%的云團(tuán)高度與順風(fēng)距離側(cè)視圖Fig.6 Side view of cloud cluster height and downwind distance with gas volume fraction of 5.00%～15.00%

4.2 爆炸沖擊波超壓影響范圍

在氣體發(fā)生爆炸時(shí)，其沖擊波超壓比熱輻射的傷害力更強(qiáng)，故爆炸階段主要研究沖擊波超壓的傷害范圍，用TNT 模型模擬出的沖擊波超壓和順風(fēng)距離關(guān)系如圖7 所示。

圖7 沖擊波超壓和順風(fēng)距離關(guān)系Fig.7 Relationship between shock wave overpressure and downwind distance

結(jié)合圖7 和表2 可以得出，爆炸沖擊波超壓的影響范圍如圖8 所示。

圖8 爆炸超壓影響范圍Fig.8 Influence range of explosion overpressure

5 不同放空速率和放空壓力的影響

現(xiàn)場(chǎng)放空是通過調(diào)整閥門開度來調(diào)整放空速率的，如果需要緊急放空，就可能會(huì)全開閥門盡快放空，但是這樣就牽涉到要設(shè)置更大的警戒范圍。如果是正常放空就會(huì)盡可能小速率地放空，這樣設(shè)置更小的放空范圍，警戒區(qū)域也更小。而放空時(shí)，在綜合考慮安全和時(shí)間等因素后，選擇一個(gè)最適合的放空壓力對(duì)放空的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重要影響。

5.1 火災(zāi)熱輻射影響范圍

5.1.1 不同放空速率下火災(zāi)的熱輻射影響范圍

模擬計(jì)算了大氣穩(wěn)定度為D 級(jí)、風(fēng)速為5 m/s，內(nèi)壓為6 MPa 時(shí)，不同放空速率條件下噴射火焰輻射范圍，見表4。

表4 不同放空速率下噴射火災(zāi)熱輻射范圍Tab.4 Radiation range of jet flame under different venting rates

5.1.2 不同放空壓力下火災(zāi)的熱輻射影響范圍

模擬計(jì)算了不同放空壓力下大氣穩(wěn)定度為D級(jí)、風(fēng)速為5 m/s 時(shí)，緊急放空時(shí)噴射火焰輻射范圍，如表5 所示。

表5 不同放空壓力下噴射火災(zāi)熱輻射范圍Tab.5 Radiation range of jet flame under different vent pressure

根據(jù)模擬結(jié)果，繪制噴射火焰輻射范圍與順風(fēng)距離的曲線，如圖9 所示。

圖9 噴射火熱輻射影響范圍對(duì)比圖Fig.9 Comparison of influence range of jet fire thermal radiation

可以看出：（1）隨著放空速率的增大，火災(zāi)熱輻射范圍急劇增大，當(dāng)放空速率從10×104m3/h 增大到80×104m3/h 時(shí)，順風(fēng)方向上輕傷區(qū)熱輻射距離從37.006 m 增大到126.498 m，增長(zhǎng)了241.900%。在模擬的5 種工況中，僅當(dāng)放空速率在80×104m3/h時(shí)，在順風(fēng)距離13.258～35.308 m 處熱通量大于建筑損壞的最小值（12.5 kW/m2）。

（2）隨著放空壓力的增大，火焰輻射范圍急劇增大，當(dāng)放空壓力從2 MPa 增大到8 MPa 時(shí)，順風(fēng)方向上輕傷區(qū)熱輻射距離從132.63 m 增大到269.72 m，增長(zhǎng)了103.360%。模擬的5 種工況都有熱通量大于12.5 kW/m2達(dá)到建筑損壞最小值的情況，在模擬工況中，放空壓力8 MPa 時(shí)，在順風(fēng)距離0～115.594 m 處熱通量大于建筑損壞的最小值（12.5 kW/m2）。

5.2 爆炸沖擊波超壓的影響范圍

5.2.1 不同放空速率下的沖擊波超壓影響范圍

模擬計(jì)算了大氣穩(wěn)定度為D 級(jí)、風(fēng)速為5 m/s，內(nèi)壓為6 MPa 時(shí)，不同放空速率（20、40、60、70、80）× 104m3/h 條件下沖擊波超壓范圍，如表6所示。

表6 不同放空速率下沖擊波超壓范圍Tab.6 Overpressure range of shock wave under different venting rates

5.2.2 不同放空壓力下的沖擊波超壓影響范圍

模擬計(jì)算不同放空壓力下大氣穩(wěn)定度為D 級(jí)、風(fēng)速為5 m/s，緊急放空時(shí)沖擊波超壓范圍，如表7所示。

表7 不同放空壓力下沖擊波超壓范圍Tab.7 Overpressure range of shock wave under different vent pressure

根據(jù)模擬結(jié)果，繪制沖擊波超壓范圍（局部）與順風(fēng)距離的曲線，如圖10 所示。

圖10 沖擊波超壓影響范圍對(duì)比圖Fig.10 Comparison of impact range of shock wave overpressure

可以看出：（1）放空速率越大，爆燃的沖擊波超壓的影響范圍越廣，當(dāng)放空速率從20×104m3/h 增大到80×104m3/h 時(shí)，順風(fēng)方向上輕傷區(qū)熱輻射距離從99.5 m 增大到198.0 m，增長(zhǎng)了98.995%。在模擬工況中，放空速率在80×104m3/h 時(shí)，導(dǎo)致建筑損壞的最遠(yuǎn)距離為148.25 m。

（2）放空壓力越大，爆燃的沖擊波超壓的影響范圍越廣，當(dāng)放空壓力從2 MPa 增大到8 MPa 時(shí)，順風(fēng)方向上輕傷區(qū)熱輻射距離從48.5 m 增大到78.5 m，增長(zhǎng)了61.856%。在模擬工況中，放空壓力在8 MPa 時(shí)導(dǎo)致建筑損壞的最遠(yuǎn)距離為59.86 m。

因此，為了保證站場(chǎng)工作人員及附近居民安全，進(jìn)行緊急放空應(yīng)嚴(yán)格控制放空速率和放空壓力，并在距離放空管線處做好預(yù)防火苗和救火的防護(hù)措施。此外，也要注意做好避雷措施。

6 結(jié)論

（1）在冷放空過程中發(fā)生火災(zāi)時(shí)，不會(huì)影響到站場(chǎng)內(nèi)部設(shè)備和人員；但在放空過程發(fā)生爆炸時(shí)，輕傷區(qū)剛好波及站場(chǎng)，設(shè)備不會(huì)受到損壞。

（2）火災(zāi)的熱輻射影響范圍受到放空壓力的影響更大，在研究的工況下，最遠(yuǎn)輕傷距離為269.720 m，放空壓力在8 MPa 時(shí)，在順風(fēng)距離達(dá)到建筑損壞的最小值的最遠(yuǎn)距離為115.594 m。因此，控制放空壓力對(duì)控制意外爆燃事故熱輻射范圍極為重要。

（3）爆炸的沖擊波超壓范圍受到放空速率的影響更大，在模擬工況下，最遠(yuǎn)輕傷距離為198.00 m，導(dǎo)致建筑損壞的最遠(yuǎn)距離為148.25 m。因此，控制放空速率是有效控制意外爆燃事故及其引起的沖擊波超壓傷害事故的重要手段。