输气管道站场放空管扩散事故模拟分析

王坤

（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京　102249）



输气管道站场放空管扩散事故模拟分析

王坤

（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249）

摘要针对如何确定输气管道站场放空管内天然气燃烧时释放的辐射量对周边环境的影响程度，建立了放空管扩散事故模型，使用安全评估软件PHAST 6.51模拟计算出在不同放空速率下的事故影响范围及变化特点，定量分析了不同放空速率对放空扩散范围、燃烧热辐射及爆炸超压后果的影响程度，以及大气稳定度对天然气扩散和对喷射火热辐射范围的影响，得出了模拟分析结论：随着放空速率的增大，天然气扩散范围逐步增加，热辐射及爆炸的影响范围也大幅增加；随着大气稳定度的增加，天然气扩散越困难，大气稳定度对喷射火热辐射范围无影响。

关键词输气管道站场放空系统放空扩散事故模拟放空速率

修订回稿日期：2016－02－05

0　引言

输气管道站场放空系统是管道安全设施的重要组成部分，主要作用是在管道检修或出现故障时放空管道内的天然气［1］，GB50183-2004石油天然气工程设计规范规定火炬与天然气站场的防火距离应根据热辐射量计算确定，以避免火炬燃烧释放的热辐射量对周边环境和居民造成伤害［2］。因此，对输气管道站场不同放空条件下进行后果模拟计算对于实际工程设计具有现实意义，笔者拟建立事故模型对站场不同放空条件下的影响后果进行分析。

1　模型描述

笔者使用国际公认的放空模拟安全评估软件PHAST 6.51对管道放空后果工况进行模拟分析，模拟计算了不同放空速率下放空量扩散影响、燃烧热辐射影响、爆炸影响和不同的放空环境条件对管道放空的影响，以分析不同放空速率及放空环境对放空后果的影响，为提高输气管道站场放空设计水平提供参考［3］。使用PHAST软件的longpipeline模块建立起站场的放空扩散模型，选取甲烷作为模拟气体，站场的基础平均温度为20℃，平均风速为2 m／s，大气稳定度为D，起始放空压力为5.5 MPa，放空管高度设置为20 m，模拟过程分别选用了多种不同的放空速率，其中最小放空速率为2×104m3／h，最大放空速率为200×104m3／h，站场放空系统部分数据见表1。

输入完计算所需参数后，PHAST软件根据建立的放空模型，计算出特定条件下的放空事故模拟结果。

2　模拟结果分析

2.1扩散后果模拟

对8种不同放空速率造成的放空扩散后果分别进行模拟，得出甲烷浓度分别为2.2%和4.4%的最大影响范围距离，模拟结果见表2。

表1　放空管放空数据表

从以上结果可以看出，天然气扩散范围跟放空速率有关，随着放空速率的增加，天然气扩散范围逐步增加。放空速率从2×104m3／h增加到200×104m3／h时，甲烷浓度为4.4%的扩散范围距离从0.2 m增加到9.1 m，浓度为2.2%的扩散范围距离从2.1 m增加到22 m。从设定条件的计算结果来看，天然气放空速率增加，可燃气体的爆炸范围增加，但增加的幅度较小，当放空速率低于200×104m3／h时，可认为25 m以外的地区是安全的。

表2　不同放空速率扩散影响范围表

2.2燃烧热辐射后果模拟

模拟定义的热辐射值是根据美国工业卫生协会所指定的ERPG（紧急响应计划指南）标准得出［4］，如表3所示［5］。不同放空速率燃烧时热辐射影响范围模拟结果见表4。

表3　热辐射强度伤害一览表

表4　不同放空速率燃烧时热辐射影响范围表

从模拟结果看出，天然气热辐射影响范围跟放空速率有关，随着放空速率的增加，影响范围增大。在给定放空速率为200×104m3／h的工况下最远影响距离为143 m。20×104m3／h、25×104m3／h和30×104m3／h的放空速率条件下，喷射火热辐射强度没有达到4 kW／m2以上的结果，因此这3种放空速率下发生喷射火对人体及设备没有伤害。

2.3爆炸后果影响模拟

爆炸超压对人的伤害程度值见表5［6］，模拟结果见表6。

表5　爆炸超压对人的伤害程度表

表6　不同放空速率对爆炸超压影响范围表

从以上模拟结果可以看出，天然气爆炸后果影响范围受放空速率影响较大，随着放空速率的增加，爆炸影响范围增大。在给定放空速率为200× 104m3／h的工况下，最远轻伤距离为47 m。

2.4大气稳定度影响

计算不同大气稳定度对放空管放空后果的影响范围，结果见图1和图2。大气稳定度设置范围为A～F，从结果可以看出，随着大气稳定度的增加，天然气扩散越困难，天然气的爆炸影响范围越大，但是从可爆云团的变化幅度来看，大气稳定度的改变并没有明显影响云团的变化，故大气稳定度对云团影响不大。从大气稳定度对闪火范围的影响结果来看，大气稳定度越高，越不利于天然气的扩散，天然气爆炸范围也越大，但是可爆云团变化幅度不大，可认为大气稳定度对喷射火热辐射范围无影响。

图1　不同大气稳定度爆炸影响范围模拟结果图

图2　不同大气稳定度闪火影响范围模拟结果图

3　结论

1）输气站场放空管放空天然气扩散一旦发生燃烧、爆炸等事故，会对周边居民及环境造成严重伤害。天然气扩散范围跟放空速率有关，随着放空速率的增加，天然气扩散范围逐步增加；放空速率对燃烧热辐射的影响范围影响很大，随着放空速率的增大，热辐射的影响范围会大幅增加。

2）随着大气稳定度的增加，天然气扩散越困难，但是可爆云团变化幅度不大，大气稳定度对喷射火热辐射范围无影响。

3）合理选择站场的放空速率对于减少事故伤害，降低放空系统的投资有着重要的意义，输气管道站场应考虑采取限制放空速率的措施。

4）放空立管和站场外部设施、内部设施的防火间距应经过有效的计算后确定，PHAST软件可对各种常见事故模型进行定量模拟分析，对于输气管道站场的设计建造及安全管理有一定指导作用。

参考文献

［1］赵晋云，周兴涛，刘冰，等.国内外输气管道放空系统设计标准分析［J］.油气储运，2013，32（3）：274-278.

［2］云成生，韩景宽，章申远，等.GB50183-2004石油天然气工程设计防火规范［S］.北京：中国计划出版社，2003.

［3］朱伯龄.PHAST软件对液化天然气泄漏扩散的研究［J］.计算机与应用化学，2009，26（11）：14-19.

［4］AIHA The AIHA 1999 Emergency Response Planning Guidelines and Workplace Environmental Exposure Level Guidelines Handbook（1999）［S］.Fairfax：AIHA Press，1999.

［5］颜录通.CNG加气站运行中的安全隐患与防范措施［J］.天然气技术与经济，2014，8（2）：53-56.

［6］王涛.CNG加气母站风险分析及事故后果模拟［J］.经济管理与安全环保，2010，30（9）：108.

（编辑：蒋龙）

作者简介：王坤（1992－），硕士研究生，研究方向为油气田完整性管理。E-mail：bibberwhut@163.com。

doi：10.3969／j.issn.2095-1132.2016.01.017

文献标识码：B

文章编号：2095-1132（2016）01-0057-03