基于事件树和ALOHA软件的CNG加气站储气井泄漏燃烧爆炸事故后果分析

姜 峰，胥朝波

(兰州理工大学石油化工学院，甘肃 兰州 730050)

随着人们对天然气资源的有效利用，压缩天然气(Compessed Natural Gas,CNG)加气站开始大量建设并不断投入使用，但由于近年来我国各地不断发生的CNG加气站爆炸事故，其安全问题也逐渐引起人们的重视。CNG加气站是一个复杂的系统，主要包括天然气预处理系统、调压计量系统、天然气压缩系统、储气系统、售气系统等。陈杰等[1]通过统计分析 2004 年10月至2007年12 月CNG加气站发生的的百起事故，发现风险最高的是储气系统和售气系统。储气系统的储气方式主要有储气钢瓶、储气罐、储气井三种，目前国内主要采用储气井的方式储气，因此分析CNG加气站储气井泄漏所产生的燃烧爆炸事故危害后果具有必要性。

目前虽然有各种安全评价方法(HAZOP分析法、事故树分析法、道化学指数评价法、检查表法等)，但都各具优缺点，只能基于已知事故现状做出定性或定量分析，不能对未发生的事故做出相对准确的数值模拟分析与预测，无法满足当前针对事故后果评价提供指导意义的要求；同时，虽然有FLACS、PHAST、SAFETI等安全分析软件，但这些数值模拟软件一般为离线模拟，过程比较复杂且计算耗时，不能在事故发生后实时地得出模拟结果，不利于应急人员及时做出疏散决策。而ALOHA数值模拟软件具有操作简单、事故后果影响区域清晰明了，且获取结果时间短，可为应急救援提供技术支持等方面的优势。因此，本文采用事件树分析与ALOHA数值模拟软件相结合的方法[1-3],对CNG加油站储气井泄漏所产生的燃烧爆炸事故危害后果进行定性和定量研究。

1 利用事件树分析法定性分析事故危害后果

事件树分析(Event Tree Analysis，ETA)法是安全系统工程中常用的一种演绎推理分析方法，起源于决策树分析(DTA)，它是一种按事故发展的时间顺序由初始事件开始推论可能的后果，从而进行危险源辨识的方法。该方法将系统可能发生的某种事故与导致事故发生的各种原因之间的逻辑关系用一种称为事件树的树形图表示，通过对事件树的定性与定量分析，找出事故发生的主要原因，为确定安全对策提供可靠依据，以达到预防事故发生的目的[4]。

事件树分析的主要流程如下：

(1) 确定事件系统的组成要素；

(2) 建立事件树图；

(3) 对事件树进行定性分析[5]。

CNG加气站储气系统地下储气井的结构见图1。储气井内天然气的泄漏主要是由井口装置泄漏引起，由于储气井是高压容器，一旦泄漏与空气混合，会迅速形成可燃气团，当遇到点火源时，发生喷射、扩散燃烧，产生喷射火或火球，甚至爆炸，并且在不同风速的影响下，所产生的事故后果影响半径也不同。本研究将事件树分析法运用于CNG加气站储气井泄漏事故后果定性分析中，建立的CNG加气站储气井泄漏事故后果事件树见图2。

图1 CNG加气站地下储气井结构示意图Fig.1 Diagram of the structure of underground gas storage well in CNG gas station

图2 CNG加气站储气井泄漏事故后果事件树Fig.2 Event tree of leakage consequence of the gas storage well in CNG gas station

由图2可见，储气井天然气泄漏在不同工况下可能产生的事故危害后果主要有两种情况：热辐射危害(喷射火和火球)和冲击波危害(蒸气云爆炸)。因此，本文先用事件树定性分析出储气井泄漏可能发生的事故后果，再通过建立数学模型进行定量分析。

2 建立数值模型定量分析事故危害半径

ALOHA软件是由美国环境保护署化学制品突发事件和预备办公室、美国国家海洋大气管理局共同开发的专门用于模拟危险化学品泄漏后果的软件，主要针对有毒气体扩散、易燃气体的燃烧爆炸进行后果模拟，现已成为危险化学品领域事故危害后果预测和事故应急救援的重要工具[6]。

本文主要运用ALOHA软件中的喷射火模型、蒸气云燃烧模型、蒸气云爆炸模型，对CNG加气站储气井泄漏燃烧爆炸事故的危害后果进行数值模拟定量分析，其主要模拟流程如下[7]：

(1) 设置泄漏源的位置、时间及泄漏点周围建筑物信息等。

(2) 在ALOHA软件数据库内选择具体泄漏的危险化学品种类。

(3) 设置发生泄漏的周边环境参数，包括环境温度、空气湿度、风速等信息。

(4) 选择泄漏源在泄漏设备的具体信息，包括运行压力、泄漏种类、泄漏口径等信息。

(5) 条件输入完毕后，运行ALOHA软件即可得到详细文本和图表，以显示泄漏事故的影响区域。

为了能够更加直观地体现ALOHA数值模拟软件分析方法，本文以我国某CNG加气站为例，利用ALOHA软件对储气井天然气泄漏所产生的事故危害后果(喷射火、火球和蒸气云爆炸)进行了数值模拟定量分析[8-10]。

2. 1 原始数据的收集

收集到的某CNG加气站原始参数见表1，该加气站储气井在故障工况下会发生天然气泄漏[11]。

表1 某CNG加气站原始参数Table 1 Environment profile of a CNG gas station

2. 2 喷射火模型的建立与分析

由于该加气站储气井为高压容器(工作压力为25 MPa)，当天然气泄漏开始时就接触点火源会形成喷射火，此事故后果主要通过热辐射强度对人体的危害半径来定量分析其危险程度[12]。热辐射强度对人体的影响分级见表2。

表2 热辐射强度对人体的影响分级Table 2 Classification of the effect of thermal radiation intensity on human

通过ALOHA软件，可模拟计算得到该加气站储气井泄漏形成喷射火时热辐射对人体的危害半径，见图3。

图3 5 m/s风速条件下储气井泄漏喷射火热辐射对人体的危害半径Fig.3 Hazardous radius of thermal radiation of the jet fire from leakage of gas storage well under the condition of 5 m/s wind speed

由图3可见，在5 m/s风速条件下，该加气站储气井泄漏发生喷射火时，以泄漏源为中心形成的热辐射对人体的危害半径为：灼痛感区域半径r=111 m；二级烧伤区域半径r=71 m；致死重伤区域半径r=49 m。

2. 3 蒸气云燃烧模型的建立与分析

当该加气站储气井发生泄漏时，天然气未立刻接触到点火源，没有形成喷射火，但在高压作用下会扩散形成可燃蒸气云，即蒸气云燃烧，其主要危害为热辐射影响，在运用ALOHA软件进行数值模拟时，设定其爆炸下限10% LEL(Lower Explosion Limit)、60% LEL作为危险区域的划分指标。

通过ALOHA软件，可模拟计算得到该加气站储气井泄漏形成可燃蒸气云发生闪燃的危害半径[13]，见图4。

图4 5 m/s风速条件下储气井泄漏可燃蒸气云发生闪燃的危害半径Fig.4 Combustible region of the vapor cloud from the leakage of gas storage well under the condition of 5 m/s wind speed

由图4可见，在60%LEL时，储气井泄漏可燃蒸气云发生闪燃的危害半径r=149 m,横向影响距离d=9 m；在10% LEL时，储气井泄漏可燃蒸气云发生闪燃的危害半径r=363 m,横向影响距离d=25 m。

2. 4 蒸气云爆炸模型的建立与分析

当该加气站储气井泄漏形成蒸气云遇到点火源发生爆炸时，其主要危害为冲击波超压，此事故后果可通过冲击波超压值范围来划分其危险区域，见表3。

表3 冲击波强度的影响分级Table 3 Classification of the impact of the shock wave strength

通过ALOHA软件，可模拟计算得到该加气站储气井泄漏发生蒸气云爆炸时形成的冲击波对周围的危害半径，见图5。

图5 5 m/s风速条件下储气井泄漏蒸气云爆炸产生冲击 波的危害半径Fig.5 Damage radius of explosion shock wave of the vapor cloud from the leakage of gas storage well under the condition of 5m/s wind speed

由图5可见，在5 m/s风速条件下，储气井泄漏发生蒸气云爆炸时产生的冲击波的危害半径为：玻璃破损区域半径r=129 m；人员重伤区域未出现；建筑物严重破坏区域未出现[14-15]。

3 结论与建议

本文先利用事件树分析法分析得出CNG加气站储气井天然气发生泄漏时可能会产生的几种事故危害后果，再建立数学模型，并运用ALOHA数值模拟软件定量分析事故的危害半径，得出直观图表，最后通过图表分析可以得出以下结论：

(1) 当储气井泄漏一开始就接触点火源时，会形成喷射火，其主要危害为热辐射对人体的影响，运用ALOHA软件可以建立喷射火模型并模拟出3种危害半径：灼痛感区域、二级烧伤区域、致死重伤区域；结合危害半径可以快速确定事故安全区域和逃生路线，可为应急救援提供可靠的技术支持。

(2) 当储气井发生泄漏且未立刻遇到点火源时，在高压作用下会形成可燃蒸气云，其主要危害也是热辐射影响，可运用ALOHA软件建立蒸气云燃烧模型并模拟出燃烧危害半径和横向影响距离；结合燃烧危害半径和横向影响距离可以设立精确的禁火区，可有效避免事故发生后形成的二次伤害。

(3) 当储气井发生泄漏形成可燃蒸气云并遇到点火源时，会发生蒸气云爆炸并产生冲击波，其主要危害为冲击波超压，运用ALOHA软件可以建立蒸气云爆炸模型并模拟出冲击波危害半径：建筑物严重破坏区域、人员重伤区域、玻璃破碎区域；结合危害半径可以根据事故基础参数采取有效隔离防护措施，也可以为后续新建加气站设计防爆设施提供可靠参数。

可见，运用本文方法不仅为事故应急救援和应急演练提供了可靠的技术支持，也为CNG加气站的日常安全管理、安全培训提供了精确的理论依据。但是本次运用ALOHA软件的数值模拟并不完善，只考虑了经典风速条件下的事故后果，后期将会继续研究在不同工况下的事故后果情况。

参考文献：

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