高玉格 趙欣 關(guān)磊 黃濤 席建

（1.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012；2.中國寰球工程有限公司，北京 100012；3.云南云天化石化有限公司，云南昆明 650000）

0 引言

目前國內(nèi)存在少量涉危企業(yè)為了保證潔凈生產(chǎn)或者設(shè)備設(shè)施防凍保暖或者工藝技術(shù)保密等原因?qū)⒀b置等設(shè)備設(shè)施建設(shè)在建筑物內(nèi)的情況。建設(shè)在建筑物內(nèi)的裝置，可以把建筑物作為保護(hù)層，一旦裝置發(fā)生火災(zāi)爆炸或泄漏事故，建筑物可以有效防范事故擴(kuò)大化，建筑物可以阻擋超壓沖擊波、熱輻射和毒氣對外界人員的傷害，例如《建筑設(shè)計防火規(guī)范［2018版］》（GB 50016—2014）［1］里列舉了“ 兩座庫房的相鄰?fù)鈮鶠榉阑饓r，防火間距可以減小”。高玉格等［2］提出了城市涉氨使用企業(yè)將涉氨生產(chǎn)線建設(shè)在建筑物內(nèi)，把泄漏的氨毒氣控制在特制廠房內(nèi)；中國氯堿工業(yè)協(xié)會在《關(guān)于氯氣安全設(shè)施和應(yīng)急技術(shù)的指導(dǎo)意見》（（2010）協(xié)字第070 號）里明確液氯貯槽應(yīng)建設(shè)在密閉廠房里；挪威首都奧斯陸郊外的一處合營加氫站于2019 年6 月10 日發(fā)生爆炸，沒有造成人員傷亡，從媒體報道提供的圖片可以看出該加氫站建在抗爆圍墻內(nèi)。越來越多的輕工業(yè)、電子制造業(yè)、食品冷庫業(yè)等涉危企業(yè)選址在大城市，隨著工業(yè)生產(chǎn)智能化發(fā)展，采用機(jī)器人巡檢、操作和應(yīng)急［3-6］，通過建構(gòu)筑物有效隔離風(fēng)險，將使固有風(fēng)險不高的企業(yè)進(jìn)軍大城市成為可能。

1 研究目的

本文針對一個外墻為防火墻的甲類庫房距離廠外道路路邊距離不足20 m 的情景，采用危險與可操作性分析（HAZOP）、保護(hù)層分析（LOPA）和Gexcon公司開發(fā)的泄漏及爆炸危害分析軟件FLACS 進(jìn)行事故后果模擬，探討建筑物作為保護(hù)層的可能性。

2 軟件FLACS 事故模擬的模型算法

Gexcon 公司開發(fā)的FLACS 爆炸模型建模時把現(xiàn)場已有場景放入模型中，在模型里考慮了各種影響因素，更接近真實事故發(fā)展?fàn)顩r，已得到全尺寸試驗驗證，在火災(zāi)爆炸事故后果模擬領(lǐng)域被廣泛采用［7-11］。FLACS 考慮了化學(xué)反應(yīng)和湍流耦合，建立了守恒方程，在方程中變量參數(shù)包含了流體特征的質(zhì)量、動量、能量以及組分，采用有限體積法并配合邊界條件，在三維笛卡爾網(wǎng)格下求解，包括燃料消耗量、燃燒產(chǎn)物、火焰速度、熱輻射通量以及超壓等變量的值，詳見如下方程：

3 研究方法

3.1 以某企業(yè)的庫房為例

某企業(yè)火災(zāi)類別為甲類的1 號庫房，西側(cè)外墻距離廠外道路路邊距離16 m，不滿足《建筑設(shè)計防火規(guī)范（2018 年版）》（GB 50016—2014）［1］的20 m 要求，該庫房的外墻為單層鋼架結(jié)構(gòu)式防火墻，墻體為200 mm厚加氣混凝土砌塊墻，庫房墻體耐火極限大于2h。庫房內(nèi)設(shè)防火堤，防火堤寬8.8 m、長10 m、高1.75 m、厚200 mm，防火堤內(nèi)設(shè)有2 個臥式常溫常壓儲罐，罐體材質(zhì)為314 不銹鋼，儲存介質(zhì)為戊烷，每個罐體積50 m3，罐頂設(shè)有呼吸閥和氮氣密封，2 個儲罐之間設(shè)有隔堤，儲罐頂部設(shè)有消防水噴淋，呼吸閥連通室外揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）處理系統(tǒng)。為了確保安全，企業(yè)采取了通過降液位至40%以下的減量生產(chǎn)措施。

3.2 HAZOP 分析和LOPA 分析［12］

以1 個戊烷儲罐為節(jié)點，進(jìn)行HAZOP 分析，以3 個偏離（戊烷儲罐壓力高、戊烷儲罐液位高和戊烷儲罐泄漏）為例，HAZOP記錄詳見表1（風(fēng)險矩陣參考《中國石化安全風(fēng)險評估指導(dǎo)意見》（中國石化安風(fēng)［2018］38 號）［13］。

表1 HAZOP 記錄

由HAZOP 分析發(fā)現(xiàn)戊烷儲罐壓力高和戊烷儲罐液位高風(fēng)險等級都是D5，即高風(fēng)險，可能導(dǎo)致火災(zāi)爆炸，戊烷儲罐壓力高設(shè)有5 個保護(hù)層，例如戊烷罐頂設(shè)有呼吸閥，壓力高，可以通過呼吸閥將氣體排出儲罐；戊烷罐頂設(shè)有壓力遠(yuǎn)傳高報警，一旦儲罐壓力報警，操作人員參與處理，關(guān)閉氮氣進(jìn)入儲罐的閥門等。戊烷儲罐液位高有4 個保護(hù)層，例如在戊烷罐上有差壓式脈沖液位計和觸點式液位計，液位高報警，高高（1OO2）聯(lián)鎖停戊烷罐卸料泵。這些保護(hù)層的作用通過進(jìn)一步進(jìn)行LOPA分析，半定量給出各層保護(hù)措施有效性。本文LOPA 記錄格式參見《保護(hù)層分析（LOPA）方法應(yīng)用導(dǎo)則》（AQT 3054—2015）［14］表E.3 化工行業(yè)典型IPL（獨立保護(hù)層independent protection layer）的PFD（要求時的失效概率probability of failure on demand）。LOPA 分析方法依據(jù)《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全第3 部分：確定要求的安全完整性等級的指南》（GBT 21109.3—2007）［15］附錄F。LOPA 記錄見表2。

表2 以戊烷儲罐和庫房內(nèi)活動人員為保護(hù)目標(biāo)的LOPA 記錄

由LOPA 分析發(fā)現(xiàn)：

（1）針對戊烷儲罐壓力高工況，保護(hù)措施能夠滿足要求，不僅可以保護(hù)戊烷儲罐和戊烷儲罐周圍活動人員安全，也可以使建筑物不被破壞。

（2）針對戊烷儲罐液位高：戊烷儲罐上設(shè)有2 個遠(yuǎn)傳液位計，液位高高聯(lián)鎖停戊烷儲罐進(jìn)料泵，要求安全儀表功能等級為SIL1。

（3）針對戊烷泄漏，可燃?xì)怏w報警儀報警，操作人員進(jìn)庫房采用防爆器具收集泄漏出來的戊烷，將泄漏儲罐中的戊烷倒到另一個儲罐里。該偏離保護(hù)措施不足，不能完全削減風(fēng)險，故建議企業(yè)增加非SIS 之外保護(hù)系統(tǒng)，例如選用不易腐蝕的材質(zhì)，每年進(jìn)行靜密封點泄漏檢測和設(shè)備完整性檢測等。

針對庫房外人員是否安全，進(jìn)一步做LOPA分析。

以庫房外和廠外道路上活動人員為保護(hù)目標(biāo)的LOPA 記錄見表3，通過對比，針對戊烷儲罐壓力高和戊烷儲罐液位高這2 種工況，又增加了庫房防火墻這個保護(hù)層，故保護(hù)層不僅僅滿足要求，還有剩余。針對戊烷泄漏，仍然不能確定庫房外和廠外道路上活動人員的安全性，需要根據(jù)庫房里儲存戊烷的量進(jìn)一步做事故后果模擬。

表3 以庫房外和廠外道路上活動人員為保護(hù)目標(biāo)的LOPA 記錄

3.3 FLACS 事故后果模擬

采用挪威三維CFD 軟件FLACS 模擬戊烷泄漏引發(fā)火災(zāi)爆炸事故后果。

3.3.1 蒸氣云爆炸

蒸氣云爆炸模擬條件：戊烷儲罐管線發(fā)生破裂，泄漏流量為5 kg/s。通過擴(kuò)散模擬可知，泄漏發(fā)生4.9 s 時，處于爆炸極限的可燃?xì)怏w已覆蓋戊烷庫房一半的體積；泄漏發(fā)生16 s后，處于爆炸極限的可燃?xì)怏w已基本充滿整個庫房。模擬假設(shè)庫房內(nèi)充滿戊烷氣體后發(fā)生蒸氣云爆炸。庫房東墻設(shè)有10 扇玻璃窗和北墻設(shè)有1 扇玻璃窗（圖1—圖2），按照GB/T 37243—2019 附錄G.3 可知，玻璃破裂的典型壓力為1.03 kPa，故設(shè)定玻璃窗為減壓面板。當(dāng)庫房發(fā)生蒸氣云爆炸時，最大的爆炸超壓值為6.580 7 kPa，詳見圖3。東墻上10 扇玻璃窗承壓較低會先破裂泄壓，庫房內(nèi)最大超壓值約在3 kPa 左右，見圖4。庫房外爆炸超壓俯視圖和側(cè)視圖見圖5—圖7。

圖1 東墻設(shè)有10 扇玻璃窗

圖2 北墻設(shè)有1 扇玻璃窗

圖3 庫房內(nèi)爆炸超壓模擬后果

圖4 庫房玻璃破損后火焰噴射圖

圖5 庫房外爆炸超壓俯視圖

圖6 庫房外爆炸超壓側(cè)視圖（左視圖）

圖7 庫房外爆炸超壓側(cè)視圖（右視圖）

由圖5—圖7 可知，當(dāng)發(fā)生蒸氣云爆炸導(dǎo)致庫房玻璃破損時，室外最大超壓值為1.1 kPa，主要影響集中在庫房東側(cè)及北側(cè)區(qū)域，靠近廠外道路的西側(cè)防火墻體，無玻璃窗戶，故無超壓泄出。

蒸氣云爆炸模擬結(jié)果不會影響廠外道路上活動人員和車輛。

3.3.2 池火災(zāi)分析

假定儲罐全破裂，泄漏至防火堤內(nèi)的戊烷立即被點火，事故模擬分為火災(zāi)發(fā)生時開啟和關(guān)閉事故通風(fēng)2 種情況。

3.3.2.1 發(fā)生池火時開啟事故風(fēng)機(jī)

對軟件模擬過程進(jìn)行截圖分析，分別截取了8.8 s（此時火勢開始變大變強(qiáng)，庫房頂外部能看到燒穿房頂?shù)男』鹧妫?1.2 s（此時火勢最強(qiáng)，庫房頂外部能看到強(qiáng)勢的火焰）、22 s（此時火勢開始由強(qiáng)變?nèi)?，庫房頂外部能看到火勢衰減火焰）和115 s（此時火焰開始熄滅，庫房頂外部看不到火焰）時廠房內(nèi)和廠房外燃燒情況，詳見圖8—圖15，從截圖和對應(yīng)數(shù)據(jù)可以看出，燃燒情況到22 s時達(dá)到最強(qiáng)，之后慢慢衰減，到115 s，庫房頂部已經(jīng)看不到火焰。

圖8 燃燒8.8 s 廠房內(nèi)火焰溫度及火災(zāi)輻射熱

圖9 燃燒11.2 s 廠房內(nèi)火焰溫度及火災(zāi)輻射熱

圖10 燃燒22 s 廠房內(nèi)火焰溫度及火災(zāi)輻射熱

圖11 燃燒115 s 廠房內(nèi)火焰溫度及火災(zāi)輻射熱

圖12 燃燒8.8 s 廠房外火焰溫度及火災(zāi)輻射熱

圖13 燃燒11.2 s 廠房外火焰溫度及火災(zāi)輻射熱

圖14 燃燒22 s 廠房外火焰溫度及火災(zāi)輻射熱

圖15 燃燒115 s 廠房外火焰溫度及火災(zāi)輻射熱

圖16 為廠房外火災(zāi)輻射熱范圍，從模擬結(jié)果可知，當(dāng)戊烷儲罐全破裂，防火堤內(nèi)發(fā)生池火災(zāi)，并且開啟通風(fēng)的情況下，3.2 kW/m2的輻射熱僅覆蓋至廠房外西側(cè)2 m 處，不會影響到廠外道路上活動人員和車輛。

3.3.2.2 發(fā)生池火時關(guān)閉事故風(fēng)機(jī)

在關(guān)閉風(fēng)機(jī)情況下廠房內(nèi)和廠房外的燃燒情況見圖17—圖24。

圖18 燃燒11.2s廠房內(nèi)火焰溫度及火災(zāi)輻射熱（關(guān)閉風(fēng)機(jī)）

圖19 燃燒22 s廠房內(nèi)火焰溫度及火災(zāi)輻射熱（關(guān)閉風(fēng)機(jī)）

圖20 燃燒115 s廠房內(nèi)火焰溫度及火災(zāi)輻射熱（關(guān)閉風(fēng)機(jī)）

圖21 燃燒8.8 s廠房外火焰溫度及火災(zāi)輻射熱（關(guān)閉風(fēng)機(jī)）

圖22 燃燒11.2 s 廠房外火焰溫度及火災(zāi)輻射（關(guān)閉風(fēng)機(jī)）

圖23 燃燒22 s廠房外火焰溫度及火災(zāi)輻射熱（關(guān)閉風(fēng)機(jī)）

圖24 燃燒115 s廠房外火焰溫度及火災(zāi)輻射熱（關(guān)閉風(fēng)機(jī)）

從模擬結(jié)果可知，當(dāng)廠房內(nèi)戊烷罐全破裂，防火堤發(fā)生火災(zāi)，并且未開啟通風(fēng)的情況下，3.2 kW/m2的輻射熱僅覆蓋至廠房西側(cè)2 m 處，比開啟通風(fēng)情景下火災(zāi)影響范圍略小。

4 結(jié)論

（1）通過HAZOP和LOPA 分析庫房內(nèi)戊烷儲罐發(fā)生火災(zāi)爆炸情景，不能確定廠外道路上活動人員和車輛的安全性，通過FLACS 軟件進(jìn)一步進(jìn)行事故后果模擬，顯示庫房的防火墻可以作為保護(hù)層，火災(zāi)爆炸不會影響到廠外道路上活動人員和車輛。

（2）發(fā)生池火時開啟事故風(fēng)機(jī)和關(guān)閉事故風(fēng)機(jī)，對事故后果影響無明顯區(qū)別。

（3）隨著工業(yè)生產(chǎn)智能化發(fā)展，涉危廠房采用機(jī)器人巡檢和應(yīng)急，生產(chǎn)工藝全自動化操作，通過建構(gòu)筑物有效隔離風(fēng)險，將使固有風(fēng)險不高的企業(yè)進(jìn)軍大城市成為可能。