2 000 m3乙烯球罐泄漏后果模拟分析

秦华礼

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819)

2 000 m3乙烯球罐泄漏后果模拟分析

秦华礼

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819)

分析了球罐泄漏事故的原因，在总结泄漏特点的基础上设定球罐的泄漏场景，运用DNV PHAST软件对某厂区全压力罐区的乙烯球罐进行泄漏扩散以及燃爆事故的模拟。本文研究了不同孔径和风速下，可燃气体的泄漏扩散规律、蒸汽云爆炸影响范围以及灾难性破坏时沸腾液体扩展蒸汽爆炸(BLEVE)事故的影响范围，定量分析事故危险性，从而有利于企业罐区的事故预防以及应急救援。

乙烯球罐；DNV PHAST；泄漏扩散；蒸汽云爆炸；BLEVE

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.05.010

在现代化工生产中，乙烯裂解装置的使用逐渐增多，而乙烯球罐作为乙烯裂解装置中关键的存储设备，使用时若操作压力大、温度低、储存量大，就会成为重大危险源，一旦发生泄漏，会造成火灾、爆炸、人员伤亡等严重后果。在球罐运行过程中，球罐及安全附件等设备的不合理设计、制造和施工过程的本身质量、外界恶劣工作环境、低周疲劳失效和安全人为管理等问题，均会导致球罐超压或泄漏，引发爆炸事故。

历史上曾多次发生由于球罐破坏而引发的灾难。根据事故案例分析可以发现，球罐事故发生的原因有多种，包括超压本体破裂；安全阀、压力表、温度测量仪等安全装置的损坏；进出口阀门、法兰等处的断裂或损坏；工作人员的误开启等引发的泄漏爆炸。

1 软件模型介绍

DNV PHAST软件是典型的后果模型软件，在技术评价与安全管理的领域具有权威性，其包含全面的危险物质数据库和一系列事故模型，适用范围广泛。DNV PHAST软件主要用于定量风险分析和后果分析，对物质泄漏、扩散过程、火灾爆炸和毒性的模拟计算，给出可燃有毒云团的扩散范围、可燃物质的热辐射范围、爆炸冲击波影响范围等风险值，可实现后果的定量风险分析，为事故发生后的现场控制采取相应的安全对策措施等提供了科学的依据。PHAST软件镶嵌有泄漏模块、扩散模块、燃烧爆炸模块。

1.1 泄漏模块

泄漏模块是用来计算物料泄漏到大气环境中的流速和状态的软件。该软件的泄漏计算考虑了多种可能的情况，包括有：液相、气相或者气液两相泄漏；纯物质或者混合物的泄漏；稳定的泄漏或随时间变化的泄漏；室内泄漏；长输管道泄漏。

当泄漏发生在液相区时，例如储罐罐底接管等处的泄漏，其泄漏速率根据流体力学的伯努利方程[3]进行计算：

式中：Q为液体泄漏质量流量，k g/s；C1为液体泄漏系数，模型中按圆形口泄漏；A为泄漏口面积，m；ρ为液体密度，kg/m3；P为罐内或管道压力，Pa；P0为环境压力，1.01×105Pa；g为重力加速度，9.8 m/s；h为泄漏口以上液位高度，m。

1.2 扩散模块

PHAST软件气体泄漏扩散部分的计算一般运用UDM模型。UDM是一种将多种模型结合起来的复合模型，也存在一定的缺陷，对于纯净物发生泄漏后的扩散模拟精度较高，而对于混合物泄漏的模拟精度较低。UDM模型通过计算在某一时刻物质泄漏扩散的浓度分布连接等浓度点绘制成等浓度线，通过等浓度线来描述云团此时的高度、宽度、下风距离，模型比较复杂，其以时间和距离作为关键变量，通过一系列代数方程来描述扩散的云团，对于瞬时和连续释放通过不同的方程来描述并考虑了整个扩散状态(喷射、云团密度、自然对流、强制对流等)[4]。UDM所用的基本方程为：

其中：ζ=z-zcld(t)，R(x)=R(y)

式中：x为下风向水平距离，xcld为下风向云团水平中心位置，y为横风向距离，ζ为烟羽中心线距离，t为释放前行的时间，z为地面之上垂直高度，Zcld为云团中心线距地面高度，C为浓度，Co为中心线浓度，Fh(x)为浓度水平方向的分布，m为浓度水平分布指数，Ry为横风浓度扩散系数，Rz为垂直浓度扩散系数。

通过对上述方程的不断迭代和修正，可以求出气体浓度与时间、距离的关系，UDM可以很好地模拟出各种状态下气体泄漏扩散。UDM模型包含4种情况的泄漏，分别有稳态泄漏、瞬时泄漏、有限时间泄漏和随时间变化的泄漏。

1.3 火灾爆炸模块

在本软件中可以计算得到以下可能的可燃性后果：沸腾液体膨胀蒸汽云爆炸(BLEVE)和火球、喷射火、池火、闪火和蒸汽云爆炸。

PHAST包含的火球模型有HSE(UK)，TNO“YellowBook”和DNV推荐模型：HSE(UK)没有考虑火球的抬升过程，这个结果偏于保守；TNO“YellowBook”考虑了火球的抬升问题[5]；DNV推荐模型是运用TNO模型模拟火球的半径、火球持续时间和抬升的高度，并运用了HSE方法计算辐射通量。

PHAST软件包含有4个独立的爆炸模型：TNT模型、TNOMulti-Energy模型、Baker-Strehlow模型和BLEVE Blast模型。TNT模型是最简单的，是PHAST软件早期版本默认使用的爆炸模型。Multi -Energy模型是最为复杂的，需要大量周围环境的数据。Baker Strehlow模型的复杂程度介于前两者之间[6]。

2 球罐实例建模

根据某化工工业园物料贮运区2000 m3乙烯球罐作为实例，分析持续泄漏后火灾爆炸后果。

泄漏源不同，其发生的事故类型不同。对于液化乙烯，若持续小口径泄漏，如连接法兰，根据点火时间地点和现场条件的不同，发生火灾爆炸的后果不同，在泄漏点立即点燃会形成喷射火，延迟点火则容易形成闪火或蒸汽云爆炸；若发生持续中型或大型孔径的泄漏，如罐体、接管等，则容易发生池火或蒸汽云爆炸，其中以蒸汽云爆炸为主。若在外界火场环境或机械撞击作用下，罐体则会发生BLEVE火球或蒸汽云的爆炸，这是灾难性破坏。

基本数据如下：介质乙烯，体积为2 000 m3；充装系数为0.9；贮量为815 716.0 kg；工作温度为-34℃；工作压力为1.65 MPa；大气温度为20℃；大气压力为101 325 Pa；相对湿度为80%；地表粗糙度系数为0.1；风向为东北；稳定度为D，不同风速选取了1.5 m/s，3 m/s，5 m/s；泄漏位置距离地面高度为3 m，8 m，持续泄漏时间为10 min。

3 模拟后果分析

3.1 球罐泄漏扩散影响范围

液化乙烯的泄漏扩散时，由于泄漏口径温度远远大于液体的沸点温度，所以液化乙烯会在泄漏口处迅速闪蒸，在泄漏口初始喷射扩散时，由于罐体中的压力比大气压力大，初始扩散呈现湍流膨胀喷射，厚云不断膨胀，随着高浓度的扩散云层与空气湍流混合，初始动量的影响减小，直致云层出现稳态扩散。

在PHAST“容器/管道源”模型下可得到各种气体扩散后果的输出，有以泄漏源沿风向扩散的距离为轴线的接地云团宽度和沿下风向最大中心线浓度分布，分析危险有害区域。

(1)图1和图2为罐底进出口管线泄漏孔径50 mm处的水平泄漏扩散图。

图1 罐底接管50 mm孔径泄漏扩散侧视图

图2 罐底接管50 mm孔径泄漏扩散最大浓度俯视图

在罐底接管孔径50 mm泄漏时，由泄漏口的喷射动量的作用，罐内乙烯以液体形式喷射，部分液态乙烯瞬时闪蒸，由于初始动量的影响，厚云夹带的微滴不断膨胀扩散，在30.71 m处气云膨胀变大触及地面，云团中夹带的微滴在42.99 m处全部汽化。

在图1浓度侧视图中可以看出，乙烯气体的爆炸上限360000 mg/m3，在8 m处，爆炸下限27 000 mg/m3，在100 m处，0～8 m处为准火灾爆炸危险区域，8～100 m为火灾爆炸的危险区域。

图2表示气云在垂直高度方向为0时的俯视图，即地表浓度俯视图。由图可知火灾爆炸危险区域宽度最大达到10m。爆炸区域的面积为485 m2。职业卫生标准浓度11 500 mg/m3的影响范围为250 m，面积达8 277 m2，燃烧爆炸达到下限27 000 mg/m3的一半，即13 500 mg/m3，影响范围达到210 m，面积达到5 229 m2，是确定应急警戒区域的依据，因为该数据是开放空间的计算结果，当飘散的气云遇到阻碍时可能使某一区域气云积聚而达到爆炸极限，遇到明火爆炸。

(2)图3和图4是罐底3 m处，罐底进出口管线泄漏孔径100 mm处的水平泄漏扩散图。

图3 罐底接管100mm孔径泄漏扩散侧视图

图4 罐底接管100mm孔径泄漏扩散最大浓度俯视图

罐底接管孔径100 mm泄漏时，33.78 m处气云膨胀变大触及地面，云团中夹带的微滴在74.74 m处全部汽化。

在图3浓度侧视图可以看出，乙烯气体的爆炸上限为360000 mg/m3，在18 m处，爆炸下限为27000 mg/m3，在220 m处，0～18m为准危险区域，18～220 m为火灾爆炸的危险区域。

由图4可知火灾爆炸危险区域宽度最大达到30 m。爆炸区域的面积为4 344 m2；职业卫生标准浓度11 500 mg/m3的影响范围达到490 m，面积达41 359 m2，是人员疏散的警戒区域；燃烧爆炸下限一半(即13 500 mg/m3)的影响范围达到430 m，面积达到28 233 m2，是确定应急警戒区域的依据。

(3)图5和图6是球罐罐体距地面8 m处，罐体裂口孔径100 mm时水平泄漏扩散图。

图5 罐体裂口孔径100 mm孔径泄漏扩散侧视图

图6 罐体裂口孔径100 mm泄漏扩散最大浓度俯视图

球罐在长期使用情况下，罐体可能发生裂纹，在外力或者外界热作用下，会发生应力降低，发生裂纹扩张。罐体发生裂口孔径100 mm泄漏时，由报告中得知气相云层在70.68 m处膨胀扩大触及地面；云团中夹带的乙烯液滴在106.4 m处后全部挥发。

在图5浓度侧视图可以看出，乙烯气体的爆炸上限360 000 mg/m3在14 m处，爆炸下限27 000 mg/m3达到在185 m处，0～14 m为准危险区域，14～185 m为火灾爆炸的危险区域。

图6表示气云在垂直高度方向为0时的俯视图，即地表浓度俯视图。由图可知，火灾爆炸危险区域宽度最大达到20 m。爆炸区域的面积为1701.66 m2；职业卫生标准浓度11 500 mg/m3的影响范围达到440 m，是人员疏散的警戒区域；燃烧爆炸下限一般13 500 mg/m3的影响范围达到390 m。

(4)图7是不同风速下罐底进出口管线泄漏孔径50 mm处的最大浓度扩散面积俯视图。

图7 不同风速泄漏扩散最大浓度俯视图

图7表示在罐底接管50 mm相同孔径下的泄漏，并在同等大气稳定F条件下，研究比较了风速1.5 m/s，3 m/s，5 m/s对乙烯气体扩散的影响。图中表明，风速的大小对气体扩散作用显著，风速越小，云团的宽度越大，影响面积越大，爆炸危险性越大。由此可以推测，在下风向的扩散中，风速起着支配作用，这是因为风速的大小影响了气云的平流输送作用，增大了气体之间的湍流，使气体更容易被稀释，因此高的风速有利于气体的扩散。

3.2 球罐蒸汽云爆炸后果分析

表1是罐底进出口管线水平泄漏孔径50 mm，100 mm时爆炸冲击波的影响范围。

表1 三种不同压力下的蒸汽云爆炸危险危害定量分析结果

3.3 球罐BLEVE爆炸后果分析

当乙烯球罐由于罐体腐蚀失效、受外界机械碰撞破坏、外部火焰烘烤的受热状态等原因，导致液态乙烯瞬时泄漏汽化，遇火源可能产生BLEVE火球，随之产生的强烈热辐射会造成一定的人身伤害和建筑物破坏。图8、图9是运用火球模型对乙烯球罐发生灾难性破坏时的事故后果进行的模拟分析。表2是BLEVE的火球危害定量的分析结果，表3是BLEVE冲击波危害定量的分析结果。

图8 球罐灾难性破坏BLEVE火球辐射影响范围

图9 球罐灾难性破坏BLEVE爆炸冲击波影响范围

表2 BLEVE的火球危害定量分析结果

表3 BLEVE冲击波危害定量分析结果

4 结语

通过以上对乙烯球罐泄漏后果的模拟分析，可以得出以下结论。

(1)孔径不同扩散影响范围不同。孔洞为50 mm泄漏时，乙烯气体浓度(27 000，360 000 mg/m3)的火灾爆炸区域在8～100 m。在罐体裂口100 mm处泄漏扩散，火灾爆炸区域在14～185 m。孔洞越大，泄漏物质越多，危险区域越大。

(2)不同风速下气体泄漏扩散所产生的易燃易爆区域的面积不同。风速为5 m/s时，相对危害最轻，易燃易爆区域面积为179.684 m2；风速为3 m/s时，泄漏危害程度居中，易燃易爆区域面积为286.585 m2；风速为1.5 m/s时，泄漏危害程度最重，易燃易爆区域面积分别为408.553 m2。可见相同条件下，风速越大，下风向的气体浓度越小，危险性越小。

(3)气体泄漏扩散引起的蒸汽云爆炸冲击波会造成人员的伤害和设备的损坏。孔径50 mm时，其安全距离为321 m，孔径100 mm时，其安全距离为719 m。且孔径越大，影响范围越大。

(4)乙烯球罐内乙烯全部泄漏后产生的火球在不同热辐射通量下的影响半径，以及不同超压下对人员、财产的影响范围，BLEVE的后果最为严重。因此在实际工作中要加强管理，减少事故发生条件。

[1]李育娟.液化石油气球罐区的风险评价[J].石油化工设备，2009，1(18)：86-89.

[2]詹宏昌.液化石油气储罐事故模拟评价及应用[J].广东化工，2009，2(16)：90-93.

[3]何学秋.安全工程学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.

[4]黄昆.LPG储罐火灾与爆炸事故分析[J].西南石油学院学报，2004，5(26)：76-78.

[5]潘鹏.DNV PHAST下软件在气体扩散模拟分析中的应用[J].石油化工设计，2006，23(2)：61-62.

[6]朱伯龄.PHAST软件对液化天然气泄漏扩散的研究[J].计算机应用化学，2009，11(28)：53-55.

修改稿日期：2016-04-16

Simulation Analysis of Consequences of Leakage in 2 000m3Ethylene Spherical Tank

QIN Hua-li
(School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang Liaoning 110819 China)

This paper analyzes the causes of spherical tank leakage accidents.Based on the leakage characteristics，a leakage scene is set.Then DNV PHAST software is used to simulate the leakage diffusion and combustion and explosion accident for the full pressure tank of ethylene spherical tank in the entire factory.It also studies，under the conditions of different pore sizes and wind speeds，the leakage and diffusion pattern of flammable gases，the influence of vapor cloud explosion and the effect of boiling liquid expanding vapor explosion(BLEVE).The quantitative analysis of the accident risk is conducive to the accident prevention and emergency rescue in the tank area of enterprise.

ethylene spherical tank；DNV PHAST；leakage diffusion；vapor cloud explosion；BLEVE

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.05.010

TQ053.2

B

1004-8901(2016)05-0037-05

秦华礼(1964年-)，男，黑龙江佳木斯人，1994年毕业于东北大学安全技术及工程专业，硕士，副教授，现主要研究系统安全科学及工程。