塔榆增压站输气管道喷射火灾危害模拟风险评价

李建山

(中国石化华北油气分公司，河南郑州 450006)

塔榆增压站输气管道喷射火灾危害模拟风险评价

李建山

(中国石化华北油气分公司，河南郑州450006)

通过对塔榆增压站输气管道喷射火灾模拟风险评价，定量分析喷射火的危害和引发次生灾害的可能性，以帮助运行单位制定事故应急预案。

输气管道 天然气 喷射火灾 风险评价

大牛地气田塔榆增压站主要作用是保持天然气管道中的规定流量、最优压力，提高管道输送能力，解决大牛地气田管线长、压力不足导致不能长距离输送等影响产量的问题，输送的主要物质为天然气，易燃易爆，一旦泄漏，遇火源极易发生火灾爆炸，可能造成巨大的人员伤亡和高额财产损失。通过喷射火灾危害模拟评价，可以为站场抢险救灾等提供依据，帮助运行单位制定事故应急预案。

1 喷射火灾危害评价方法

天然气管道一旦泄漏，造成火灾爆炸的类型与点火时间密切相关。如果在泄漏裂口处被点燃，则形成喷射火。

关于喷射火的研究已有大量文献报道。Hawthorne[1]是较早研究射流火焰的，把射流混合理论应用于强制对流范围内火焰长度的研究，得出了火焰长度的计算式。Bagster和Schubach[2]将垂直射流火焰近似为圆柱体，利用2个化学计量因子对Hustad和Sonju提出的火焰长度计算式进行修正，得出了适用范围更广的计算公式。Kalghatgi[3]的研究最具代表性，他将射流火焰形状近似为平截头圆锥体，研究了孔口轴线与水平风向呈90°和非90°情况下的碳氢射流扩散火焰，给出了定义火焰形状的几个尺寸参数与R(风速与气体射流速度比)的关系式，由这些关系式得出的曲线与Brzus towski[4]结果相近。

本文以Kalghatgi的研究结果为依据，采用“THORNTON”模型进行模拟计算，该模型假定喷射火形状为圆锥形，同固体表面一样具有相同的表面辐射率。

2 喷射火计算

2.1 泄漏量的计算

管线的典型泄漏情况和裂口尺寸一般取管径的20%～100%[4]，塔榆增压站出站管线为DN700碳钢无缝钢管，直径700 mm。假设在塔榆增压站出站管线某处发生破裂，裂口形状为圆形，裂口尺寸是直径700 mm的20%，即0.14 m。管道中气体泄漏质量流量与其流动状态有关，按照工程热力学的研究结果，为了简化计算过程的复杂性，可以假设管道中天然气的泄漏属于无耗散的准静态过程，在泄漏瞬间没有与外界实现热交换，则该流动属于可逆的绝热流动。

当P0/P≤(2/(K+1))K/(K-1)时，气体流动属于音速流动，当P0/P>(2/(K+1))K/(K-1)时，气体流动属于亚音速流动(K为绝热指数，P0为泄漏出来气体的压力，P为天然气管道内介质泄漏前的压力)。

设管道裂口处的天然气压力等于出口外界环境的大气压力P0=0.1 MPa，P=8.0 MPa(按设计压力计算)，则P0/P=0.012 5；而由于天然气的主要成分为甲烷，其K值查表为1.32，则(2/(K+1))K/(K-1)=0.542；即P0/P=0.012 5≤(2/(K+1))K/(K-1)则流动属于音速流动，出口截面上压力小于临界压力，故该裂口为缩放型喷管。

音速流动时，泄漏量按下式计算：

Q0=CdAP[MK(2/(K+1))(K+1)/ (K-1)/(RT)]0.5

(1)

式中：Q0——气体泄漏速度，kg/s；

Cd——气体泄漏系数，当裂口形状为圆形时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90；

A——裂口面积，m2；

P——泄漏气体压力，Pa；

M——泄漏气体分子量，kg/mol；

K——泄漏气体的绝热指数，即气体的定压比热和定容比热之比；

R——气体常数，J/(mol·K)；

T——气体温度，K。

则可求Q0=17.05 kg/s，泄漏量计算取值说明见表1。

2.2 喷射口泄漏气体流速的计算

由Q0=A×ρ×V可求V=Q0/(A×ρ)

(2)

式中：ρ——泄漏气体在通常状况(20℃、1标准大气压)下的密度，kg/m3；

V——喷射口气体速度，m/s。

求得：V=1 544.7 m/s。

表1 泄漏量计算取值说明

2.3 喷射火焰长度的计算

喷射火焰长度按式(3)进行计算：

H/D=a[V2/(gD)]0.2

(3)

式中：H——火焰长度，m；

D——裂口直径，m；

a——系数，甲烷为21；

g——重力加速度，m/s2。

求得：H=52.1 m。

2.4 点热源热辐射通量的计算

点热源的热辐射通量按式(4)计算：

q=η×Q0×Hc

(4)

式中：q——点热源热辐射通量，W；

η——效率因子，可取0.35；

Hc——泄漏气体的燃烧热，J/kg。

求得：q=175 524 000 W。

2.5 点热源热辐射强度的计算

射流轴线上某点热源i到距离该点x处一点的热辐射强度为：

Ii=q×R/(4×π×x2)

(5)

式中：Ii——点热源i至目标点x处的热辐射强度，W/m2；

R——发射率，取决于燃烧物质的性质，取0.2；

x——点热源到目标点的距离，m。

2.6 目标点热辐射强度的计算

某一目标点处的入射热辐射强度等于喷射火的全部点热源对目标的热辐射强度的总和：

I=I1+I2+…+In

(6)

式中：I——某一目标点处的入射热辐射强度，W/m2；

n——计算时选取的点热源数，一般取n=5。

2.7 喷射火伤害范围的确定

火灾损失估算建立在热辐射强度与损失等级的相应关系的基础上，不同热辐射强度造成伤害或损失的情况见表2。

表2 不同热辐射强度所造成的损失

死亡、重伤、轻伤及财产损失半径分别指热辐射作用下的死亡、重大烧伤、一度烧伤和引燃木材的损失半径。

根据计算出来的I，依据表2来确定各个伤害及财产损失半径。

当4.0≤I<12.5时，对目标造成引燃木材伤害；

当12.5≤I<25时，对目标造成轻伤伤害；

当25≤I<37.5时，对目标造成重伤伤害；

当I≥37.5时，对目标造成死亡伤害。

以喷射火焰的中部为原点，火焰方向为X轴方向，分别在坐标(-18，0)、(-9，0)、(0，0)、(9，0)、(18，0)等5个点设置点火源，根据表2分别计算热辐射强度为37.5 kW/m2、25 kW/m2、12.5 kW/m2、6.4 kW/m2、1.6 kW/m2的区域范围。计算结果见表3。

可由计算机绘出伤害半径见图1，图例说明见表4。

表3 计算结果

图1 0.14 m直径孔洞泄漏灾害后果截面图

表4 图例说明

3 评价结果分析

a)塔榆增压站出站管线的设计压力为8.0 MPa，若发生0.14 m直径裂口，其可能的喷射火焰长度为52.1 m，造成人员1度烧伤上限值为42 m，造成1 min内100%、10s内1%人员死亡、设备全部损坏的上限值为38 m。

b)泄漏点周围的地形、管道破裂的位置、管线裂缝的几何形状、当时的风力与风向、泄漏持续时间及天然气泄漏总量、附近建筑的类型等因素会影响事故火灾的燃烧范围大小，现场在根据上述伤害值进行应急救援时应充分考虑这些因素。

[1] Hawthorne W R,Weddell D S, Hottel H C.Diffusion in laminar flame jets[J].Combustion Flame and Explosion Phenomena，1949(3):254-266.

[2] Bagster D F,Schubach S A.The prediction of jet fire dimensions[J].J Loss Pre Process Ind，1996，9(3):241-245.

[3] Kalghatgi G T.The visible shape and size of a turbulent hydrocarbon jet diffusion flame in a crosswind[J].Comb Flames，1983，52:91-106.

[4] Phani K Raj.LNG fires:A review of experimental results,models and hazard prediction challenges[J].Journal of Hazardous Materials，2007，140:444-464.

[5] 刘铁民，张兴凯，刘功智. 安全评价方法应用指南[M].北京：化学工业出版社，2005：294.

DaniudiGasFieldTayuPipelineBoosterStationJetFireHazardSimulationRiskAssessment

Li Jianshan

(SINOPEC North China Oil and Gas Branch, Henan, Zhenghzou 450006)

Through the simulation of Daniudi gas field Yayu pipeline booster station jet fire risk assessment, this paper gives quantitative analysis of hazards and the possibility of secondary disasters caused by the jet fire, to help run the unit to develop emergency plans.

pipeline; natural gas; jet fire disaster; risk assessment

2016-05-05

李建山，高级工程师，博士，现任中国石化华北油气分公司副总经理。