冷放空天然气火灾爆炸事故影响范围模拟

2022-11-21蒋宏业李文倩张永城徐涛龙

西南石油大学学报(自然科学版) 2022年5期

关键词：热辐射顺风冲击波

蒋宏业，李文倩，张永城，徐涛龙，古芃

1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都 610500

2.中国石油新疆油田分公司油气储运分公司，新疆克拉玛依 834002

3.国家管网集团西气东输公司，上海浦东新区 200000

引言

天然气行业的大小站场、输气管线等都会遇到需要放空天然气的情况，放空量一般高达几百万立方米，输气管线需要根据具体情况选择冷放空[1]或者热放空。冷放空过程中，排出的天然气会混进空气中，一旦遇到火源，若混合气体不在爆炸极限的浓度内，可能发生火灾事故；若混合气体在爆炸极限的浓度内，可能会发生爆炸事故。

针对站场放空时气体排放的危险性，Jo 等[2]首次提出了简化的方程式，可以描述气体释放速率、气体射流量等与热通量的函数关系，可以估算管道气体泄漏排放后的危险面积。Andre 等[3]通过结合经验推导的理论公式以及计算流体动力学有限元模型，模拟了排放压缩天然气时，气体的排放速度和气体的扩散规律，可以估算出点火的几率和计算着火时火焰的稳定程度。梁俊奕[4]对两种工况下放空气体的扩散规律进行了研究，给出了放空气体存在点火危险的区域。齐建波等[5]建立数值模型，模拟了气体放空时的泄漏扩散过程，确定给出了气体排放扩散后的闪燃浓度范围。秦琴等[6]研究了放空火炬燃烧气体的热辐射强度与到火炬的距离的关系。贾保印等[7]通过建立数值模型，模拟了气体放空扩散的过程中，压力和流量等参数随时间的动态变化规律。

国内外学者在冷放空领域做了一些研究[8-12]，但没有专门针对站场冷放空作业时放空速率不同和放空压力不同对火灾热辐射的影响和对爆炸超压影响的研究。

结合华南CZ 站场现场实际条件，首先，模拟发生火灾后的热辐射影响范围，然后，模拟发生爆炸的冲击波超压影响范围，得到热辐射曲线和爆炸超压曲线，最后，模拟不同放空速率和放空压力分别对火灾热辐射及冲击波超压的影响，得出热辐射最远伤害距离和冲击波超压最远伤害距离，在此基础上提出了提高站场安全水平的相关建议。

1 冷放空天然气事故模型和伤害准则

1.1 管存量的计算

天然气放空管线在放空过程需要一定的放空压力，根据管内压力和当地大气压的关系，需要放空段管道的存气量的计算过程如图1 所示。

图1 管存量计算流程图Fig.1 Flow chart of pipe stock calculation

1.2 天然气泄漏扩散和燃爆模型

冷放空天然气的泄放可以使用断裂模型模拟，扩散天然气比较轻，扩散范围常用PHAST 64-PR模型模拟。

由于天然气爆炸过程与TNT 炸药包爆炸过程比较相似，爆炸模拟使用TNT 模型，火灾模拟选择固体香蕉喷射火模型[13-17]。

1.3 事故伤害准则

1.3.1 热辐射影响

国内外研究机构给出了热辐射伤害[18]采用的热通量伤害准则[19]，如表1 所示。

表1 热辐射伤害的热通量伤害准则Tab.1 Heat flux damage criterion for thermal radiation damage

根据表1 给出的热通量伤害值，以分别代表死亡、重伤和轻伤的3 个参考值（37.5，25.0 和4.0 kW/m2）作为火灾伤害的阈值，分别把其影响区域视作为死亡区、重伤区及轻伤区，把建筑损坏的最小值取为12.5 kW/m2。

1.3.2 冲击波超压影响

冲击波超压准则[20]如表2 所示，分别研究超压对人员、建筑和设备的影响，进而区分其超压伤害程度。

表2 冲击波产生的超压伤害准则Tab.2 Damage criterion of overpressure induced by shock wave

根据表2 给出的冲击波超压伤害值，以分别代表死亡、重伤和轻伤的3 个参考值（69.0、34.0、13.8 kPa）作为冲击波超压伤害的阈值，分别把其影响区域视作为死亡区、重伤区及轻伤区，把建筑损坏的最小值取为20.7 kPa。

2 工程条件

CZ 分输清管站位于湖南省CZ 市，到上游阀室的管线长13.8 km，管线外径1 016 mm，壁厚约17.5 mm。输气管线的设计压力10 MPa，放空压力为6 MPa。CZ 站距离放空立管86 m，根据当地风速玫瑰图，站场所在地年平均风速5 m/s。假设天然气管道已经平稳运行，天然气管道温度等于地温，根据设计资料，全年平均温度为19.8°C，转化为热力学温度为292.95 K。

CZ 站天然气来气采自川气东送某净化厂净化气，来气组分如表3 所示。

表3 来气主要组分表Tab.3 Main components of incoming gas %

天然气上游管道内径为981 mm，将上述值代入计算流程图1 的公式，则CZ 站至上游阀室段管线的管内存气量为10 409 m3，再代入计算流程图1 的公式求得该段天然气管道储气量在大气状况下体积为70.15×104m3，求得压缩因子Z1=0.840 7，温度T1为292.95 K。

为了考虑最不利状况，本次模拟管线上游管线需要紧急放空，通过打开越站阀（HVB0101）上游的1#阀门（BV0122）和2#阀门（CV0106）开始放空，放空量为所有管存量，放空压力为6 MPa，放空速率为20×104m3/h。由于站场周边林木茂盛，故未采用热放空形式，而是将放空管线直接同放空立管连接。放空立管高15 m，放空立管前管线直径为350 mm。

3 火灾影响范围定量模拟

3.1 泄漏浓度范围

扩散范围刚开始随时间的变化慢慢增大，20 s后逐渐达到稳定的浓度分布状态，以CZ 站放空处为中心线，中心线浓度比随顺风距离的分布如图2所示。

图2 中心线浓度比和顺风距离关系Fig.2 Relationship between concentration ratio of centerline and downwind distance

计算得该混合气体的燃烧下限（LFL）为4.50%。将燃烧下限的一半（0.5LFL）2.25% 作为最低检测体积分数。模拟得到扩散气体体积分数为2.25%～4.50%的侧视图分布情况，如图3 所示。

图3 气体体积分数为2.25%～4.50%的云团高度与顺风距离侧视图Fig.3 Side view of cloud cluster height and downwind distance with gas volume fraction of 2.25%～4.50%

3.2 火灾影响范围

在放空过程中，若闪燃范围内遇到火源，可能会引起火灾。热辐射的影响范围开始是随着时间推移而增大，达到60 s 后喷射火的热辐射逐渐稳定，模拟60 s 的喷射火热辐射曲线比较能反映出火灾热辐射影响范围，火灾热辐射强度和顺风距离关系见图4。

图4 火灾热辐射强度和顺风距离关系Fig.4 Relationship between fire heat radiation intensity and downwind distance

CZ 站距离放空立管86 m，从图4 和表1 可以看出，最大的热辐射值是7.9 kW/m2，对人员和周围建筑及设备的影响只达到轻伤区的范围，热辐射轻伤区的影响范围如图5 所示。

图5 热辐射轻伤区范围Fig.5 Range of thermal radiation slight injury area

4 爆炸影响范围定量模拟

4.1 泄漏扩散影响范围

已知放空混合气体爆炸下限（LEL）为5.00%，爆炸上限（UEL）为15.00%，模拟得到扩散气体体积分数为5.00%～15.00%的侧视图分布情况如图6所示。

图6 气体体积分数为5.00%～15.00%的云团高度与顺风距离侧视图Fig.6 Side view of cloud cluster height and downwind distance with gas volume fraction of 5.00%～15.00%

4.2 爆炸冲击波超压影响范围

在气体发生爆炸时，其冲击波超压比热辐射的伤害力更强，故爆炸阶段主要研究冲击波超压的伤害范围，用TNT 模型模拟出的冲击波超压和顺风距离关系如图7 所示。

图7 冲击波超压和顺风距离关系Fig.7 Relationship between shock wave overpressure and downwind distance

结合图7 和表2 可以得出，爆炸冲击波超压的影响范围如图8 所示。

图8 爆炸超压影响范围Fig.8 Influence range of explosion overpressure

5 不同放空速率和放空压力的影响

现场放空是通过调整阀门开度来调整放空速率的，如果需要紧急放空，就可能会全开阀门尽快放空，但是这样就牵涉到要设置更大的警戒范围。如果是正常放空就会尽可能小速率地放空，这样设置更小的放空范围，警戒区域也更小。而放空时，在综合考虑安全和时间等因素后，选择一个最适合的放空压力对放空的安全性和经济性有重要影响。

5.1 火灾热辐射影响范围

5.1.1 不同放空速率下火灾的热辐射影响范围

模拟计算了大气稳定度为D 级、风速为5 m/s，内压为6 MPa 时，不同放空速率条件下喷射火焰辐射范围，见表4。

表4 不同放空速率下喷射火灾热辐射范围Tab.4 Radiation range of jet flame under different venting rates

5.1.2 不同放空压力下火灾的热辐射影响范围

模拟计算了不同放空压力下大气稳定度为D级、风速为5 m/s 时，紧急放空时喷射火焰辐射范围，如表5 所示。

表5 不同放空压力下喷射火灾热辐射范围Tab.5 Radiation range of jet flame under different vent pressure

根据模拟结果，绘制喷射火焰辐射范围与顺风距离的曲线，如图9 所示。

图9 喷射火热辐射影响范围对比图Fig.9 Comparison of influence range of jet fire thermal radiation

可以看出：（1）随着放空速率的增大，火灾热辐射范围急剧增大，当放空速率从10×104m3/h 增大到80×104m3/h 时，顺风方向上轻伤区热辐射距离从37.006 m 增大到126.498 m，增长了241.900%。在模拟的5 种工况中，仅当放空速率在80×104m3/h时，在顺风距离13.258～35.308 m 处热通量大于建筑损坏的最小值（12.5 kW/m2）。

（2）随着放空压力的增大，火焰辐射范围急剧增大，当放空压力从2 MPa 增大到8 MPa 时，顺风方向上轻伤区热辐射距离从132.63 m 增大到269.72 m，增长了103.360%。模拟的5 种工况都有热通量大于12.5 kW/m2达到建筑损坏最小值的情况，在模拟工况中，放空压力8 MPa 时，在顺风距离0～115.594 m 处热通量大于建筑损坏的最小值（12.5 kW/m2）。

5.2 爆炸冲击波超压的影响范围

5.2.1 不同放空速率下的冲击波超压影响范围

模拟计算了大气稳定度为D 级、风速为5 m/s，内压为6 MPa 时，不同放空速率（20、40、60、70、80）× 104m3/h 条件下冲击波超压范围，如表6所示。

表6 不同放空速率下冲击波超压范围Tab.6 Overpressure range of shock wave under different venting rates

5.2.2 不同放空压力下的冲击波超压影响范围

模拟计算不同放空压力下大气稳定度为D 级、风速为5 m/s，紧急放空时冲击波超压范围，如表7所示。

表7 不同放空压力下冲击波超压范围Tab.7 Overpressure range of shock wave under different vent pressure

根据模拟结果，绘制冲击波超压范围（局部）与顺风距离的曲线，如图10 所示。

图10 冲击波超压影响范围对比图Fig.10 Comparison of impact range of shock wave overpressure

可以看出：（1）放空速率越大，爆燃的冲击波超压的影响范围越广，当放空速率从20×104m3/h 增大到80×104m3/h 时，顺风方向上轻伤区热辐射距离从99.5 m 增大到198.0 m，增长了98.995%。在模拟工况中，放空速率在80×104m3/h 时，导致建筑损坏的最远距离为148.25 m。

（2）放空压力越大，爆燃的冲击波超压的影响范围越广，当放空压力从2 MPa 增大到8 MPa 时，顺风方向上轻伤区热辐射距离从48.5 m 增大到78.5 m，增长了61.856%。在模拟工况中，放空压力在8 MPa 时导致建筑损坏的最远距离为59.86 m。

因此，为了保证站场工作人员及附近居民安全，进行紧急放空应严格控制放空速率和放空压力，并在距离放空管线处做好预防火苗和救火的防护措施。此外，也要注意做好避雷措施。