高压可燃气体管道安全间距的确定

孟亦飞, 赵东风

(中国石油大学(华东)化学化工学院,山东青岛266555)

高压可燃气体管道安全间距的确定

孟亦飞, 赵东风

(中国石油大学(华东)化学化工学院,山东青岛266555)

喷射火事故是高压可燃气体管道的主要灾害形式,对南京等地区的气象数据进行分析统计,得到了影响喷射火事故的风速、大气湿度、大气温度、风向等主要气象因素的分布形式,同时对风向、泄漏口直径、泄漏口角度等主要影响因素的分布进行了合理假设。采用蒙特卡罗方法对高压可燃气体管道的喷射火灾害进行分析,结合相应的热辐射破坏准则,给出了各准则下对应安全间距确定的方法,采用C#.net对计算过程进行了程序实现,对不同管径、不同压力的天然气管道进行了大量计算,给出了临界破坏值12.5 kW/m2,95%置信度时天然气管道对应的安全间距确定图。

喷射火; 蒙特卡罗法; 热辐射; 安全间距

高压可燃气体管道在使用过程中会由于外力打击、腐蚀破坏等原因发生泄漏,外泄的高压可燃气体根据点火时间的不同会导致喷射火和蒸气云爆炸两种事故类型,分别以热辐射和爆炸波的形式对周围环境中的设施、人员造成伤害。当高压气体管道设置在较为空旷的地方时,泄漏气体形成的蒸气云爆炸由于低约束、低阻塞而不具备明显的压力效应[1],所以在这种情况下,确定天然气管道与周围设施的安全间距时应主要考虑喷射火对周围设施导致的热辐射伤害[2]。对特定的某高压可燃气体管道而言,可能发生的喷射火事故后果由于风向、气温、大气湿度等气象因素的不同以及泄漏裂口面积、形状、方向等的不同而具有很大的差异,目前一般采用的做法是人为选取特征数值的方法来确定上述参数,这显然具有相当的主观性,难以得到统一的认同,特别是在考虑喷射火方向时,为方便计算,往往仅考虑竖直方向或水平方向两种情况,完全不能代表现实中的多角度任意方向喷射火的情况。本文对任意方向喷射火伤害模型进行研究;对南京、北京、上海等地的气象数据进行分析,研究相关气象参数的一般分布形式;同时对管道泄漏裂口面积、形状及方向等参数的分布进行分析,结合蒙特卡罗方法研究高压可燃气体管道的喷射火伤害,并以此为基础研究高压可燃气体管道周围设施安全间距确定的方法,为天然气管道的安全架设等提供合理的依据。

1 喷射火伤害理论

1.1 喷射火事故模型

在喷射火伤害研究过程中,一般将火焰形状简化为中心轨迹线及圆锥平头截体两种理想模型[3],中心轨迹模型将喷射火简化为一条曲线,假定所有的热辐射均从这条曲线上的点等量辐射出来,如图1所示;而圆锥平头截体将喷射火简化为如图2所示的形状,对外的热辐射假定从火焰表面均匀辐射出来。

Fig.1 Center line trajectory model sketch map图1 喷射火中心轨迹模型

Fig.2 Tilted frustum of a cone model sketch map图2 喷射火圆锥平头截体模型

文献[3-4]较为详细地说明了中心轨迹模型及圆锥平头截体模型的应用方法,由于公式内容较多,本文不加赘述。两种模型比较起来,中心轨迹模型计算简单,适用于任意角度的喷射火计算,但计算精度相对较差,而圆锥平头截体模型结果更为接近真实情况,但由于其形状较为复杂,辐射计算时,视角因子计算困难(特别是任意角度的喷射火),目前采用这种方法时大多只考虑竖直火焰的情况[5]。在本文考虑的问题中,希望在一定的结果精度保证下研究分析各种角度的喷射火对周围的辐射情况,因此对上述两种方法进行了结合处理,得到了如图3所示的示意图,即首先使用圆锥平头截体模型计算火焰的几何形状,然后将火焰等间距分割,看作一系列辐射球,各辐射球的辐射量由当前分割体表面积所占喷射火总表面积的比率决定。通过这种处理方法,可以较好地解决任意角度喷射火辐射热伤害的问题。

Fig.3 Sketch map of the model proposed图3 模型示意图

1.2 热辐射伤害理论

喷射火对周围环境的伤害主要是其热辐射作用,表1中列出了最为常用的几种热辐射入射强度临界值以及它们对应的设备伤害情况和人员伤害情况[6],这些临界值可以选来作为确定安全间距的依据。

表1 热辐射伤害准则Table 1 Heat radiation damage rules

2 相关不确定参数分布

对于某确定高压气体管道来说,喷射火事故的危害程度受到很多因素的影响,主要包括气象数据及泄漏源数据[3],其中气象数据中主要包括风向、风速、湿度、大气温度等参数;泄漏源数据主要包括裂口面积、裂口形状、裂口角度等。而这些参数在现实中往往具有相当的不确定性,这就导致了喷射火事故危害程度无法准确衡量。

蒙特卡罗方法根据各不确定性参数的分布形式进行批量随机计算,最终对进行结果进行统计,以得到结果的分布方式,进一步可以获得不同置信度下的结果,目前广泛应用于各种不确定问题的分析[7],是评估高压气体管道喷射火事故危害的较好选择。

2.1 气象数据

2.1.1 风速、湿度分布 对江苏南京等地区日平均风速及日平均湿度进行统计分析,发现风速分布及湿度分布均可以采用对数正态分布函数描述,具体函数形式分别如式(1)、式(2)所示,表2给出了几个城市的风速分布及湿度分布参数值。

表2 部分城市风速、湿度分布参数表Table 2 Parameters list for wind speed and humidity of some cities

风向的分布信息可以从当地风玫瑰图获取,但由于风向波动极大,且具有相当的不连续性,很难采用特定形式的函数来准确描述其分布,本文简单假定各个方向风向出现概率相等。

2.1.2 气温分布 气温分布相对风速、湿度分布较为复杂,一般大约呈现两个分布高峰,通过对南京等地区日平均温度进行分析,发现可以采用式(3)的函数形式来表示相应分布。表3给出了几个城市的温度分布参数值。

表3 部分城市温度分布参数表Table 3 Parameters list for air tem perature of some cities

2.2 泄漏源数据

泄漏源相关的不确定性参数有裂口面积、裂口形状以及裂口角度三个参数。

2.2.1 泄漏裂口面积 文献[8]中给出了一种描述管线不同直径泄漏口出现频率的方程,这个方程被证明在较广泛的范围之内与其他资料上的相关数据保持了较好的一致性[8],具体方程如(4)所示。式中:R-泄漏裂口直径,mm;

fa(R)-直径为R的泄漏裂口的实际出现频率,m-1a-1。

根据式(4)可以推导得出直径为D的管线出现各不同直径裂口的分布方程。

f(R)-直径为D的管道上不同直径泄漏裂口的分布函数。

2.2.2 泄漏裂口形状及泄漏裂口角度 裂口的形状多种多样,不同形状的裂口的主要区别在于泄漏系数的不同。气体泄漏时,圆形(多边形)、三角形、长方形泄漏裂口对应的泄漏系数分别为1.00,0.95和0.90;文献[7]指出,一般的事故性泄漏裂口的形状往往并不规则,大多数的泄漏裂口的形状介于圆形(多边形)与三角形之间。本文假设其分布是以0.97为最高点的三角形分布,分布形式如图4所示。

Fig.4 Leak coefficient distribution sketch map图4 泄漏系数分布函数

裂口相对于风向的夹角是影响喷射火焰辐射热场的一个重要参数。由于风向变化多端且裂口方位也可能因为各种因素而不同,所以二者之间夹角很难确定,可简单假设裂口面积与风向之间夹角在0°～180°之间均匀分布。

3 程序的编制

根据上述的思想,结合蒙特卡罗原理,采用C#.net编制了高压可燃气体管道喷射火伤害分析程序。程序的框架如图5所示。

Fig.5 Flow chart of the procedure图5 程序流程示意图

4 高压气体管道安全距离确定

从图5中可以看出,程序的返回结果为各热辐射伤害级别对应的临界距离,根据不同的要求可以确定相应的安全距离,对多次计算的结果进行统计,便可得到各热辐射伤害级别对应的距离分布情况。通过上述方法,可以得到不同压力、不同直径的高压气体管道喷射火对应的安全距离,图6是采用上述程序计算绘制得到的南京地区天然气管道安全距离图表(假设临界破坏值12.5 kW/m2,95%置信度)。

从图6中可以看出,随着天然气管道直径及内压的增加,其安全间距也逐渐增加,但随着管径和内压的逐渐增大,安全间距的增长也逐渐缓慢,最终趋向稳定。

Fig.6 Safety distance confirmation diagram for pressurized nature gas pipeline图6 天然气管道安全距离确定

5 结束语

本文研究了采用蒙特卡罗方法对高压气体管道的安全间距确定的方法,总结起来有如下几点:

(1)对喷射火伤害理论进行了介绍,结合现有的两种主流方法,给出了一种方便于计算任意角度喷射火辐射伤害的计算模型;

(2)对南京等城市的气象数据进行分析,给出了风向、风速、湿度、大气温度等气象参数的分布形式;

(3)对管道泄漏裂口的面积、形状及角度的分布进行分析,给出了各自合适的分布形式;

(4)采用C#.net进行了程序编制,给出了主要的程序流程示意图;

(5)对不同直径,不同压力的天然气管道进行计算,给出了临界值12.5 kW/m2,置信度95%时对应的安全间距确定图。

[1］Mercx W P M,van den Berg A C,Hayhurst C J,et al.Developments in vapour cloud explosion blast modeling[J].Journal of hazardous materials,2000,71:301-319.

[2］Sklavounos S,Rigas F.Estimation of safety distances in the vicinity of fuel gaspipe lines[J].Journal of loss prevention in the process industries,2006,19:24-31.

[3］Cowley L T,Johnson A D.Oil and gas fires characteristics and impact[R].London:health and safety executive,1992:89-107.

[4］Soares C G,Teixeira A P.Probabilistic modelling of offshore fires[J].Fire safety journal,2000,34:25-45.

[5］Papazoglou IA,Nivolianitou Z,Aneziris O,et al.Risk-informed selection of a highway trajectory in the neighborhood of an oil-refinery[J].Journal of hazardous materials,1999,A 67:111-144.

[6］宇德明.易燃、易爆、有毒危险品储运过程定量风险评价[M].北京:中国铁道出版社,2000.

[7］朱本仁.蒙特卡罗方法引论[M].济南:山东大学出版社,1987.

[8］CCPS.Guidelines for chemical process quantitative risk analysis[M].2nd.New York:A IChE,2000.

(Ed.:W YX,Z)

Estimation of Safety Distance for Flammable Pressurized Gas Pipelines

M ENG Yi-fei,ZHAO Dong-feng
(College of Chem istry and Chem ical Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Qingdao Shandong266555,P.R.China)

Jet fire was the most serious accident of pressurized gas pipelines.Weather data of Nanjing and some other cities was taken as an example to study the distribution of w ind speed,humidity and air temperature.Distribution functions of all these parameters and relevant coefficients for some cities were brought.Wind direction,leakage area and leakage direction were also analyzed and reasonable distribution functions were supposed.Monte-Carlo method was used to analysis the jet fire hazard of certain pressurized gas pipeline,and the safety distances can be estimated by considering heat radiation damage rules.C#.net was used to develop an analyzing procedure for the jet fire hazard,which was used to estimate the effective distances of a batch of computations pressurized nature gas pipelines with different diameter and internal pressure,and a safety distance confirmation diagram was p lotted,the radiation threshold value and the confidence of which were respectively 12.5 kW/m2and 95%.

Jet fire;Monte-Carlo method;Heat radiation;Safety distance

.Tel.:+86-532-86984680;e-mail:myf213@yahoo.com.cn

TE973

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2011.02.04

2010-12-13

孟亦飞(1982-),男,江苏姜堰市,讲师,博士。

中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目(2008D-4706);青岛市科技计划基础研究项目(09-1-3-6-Jch)。

1006-396X(2011)02-0079-04

Received13December2010;revised27January2011;accepted2M arch2011