燃气管网喷射火事故警戒区域的研究

2024-01-18杨晓明李雅斐

安全 2024年1期

杨晓明, 李雅斐, 王凯, 周鑫, 柴浩

(1.天津市地下铁道集团有限公司,天津 300000;2.天津城建大学,天津 300384;3.天津市西青区住房和建设综合行政执法支队,天津 300380)

0 引言

燃气具有易燃易爆的特性。燃气管网一旦发生泄漏扩散,遇到火源可能引发喷射火、蒸气云爆炸、闪火等危险事故。《2022年全国燃气事故分析报告》中指出,2022年全年共收集到国内(不含港澳台)燃气事故802起,其中,管网事故212起。在156起已确定事故原因的燃气管网事故中,由于第三方施工破坏导致的事故数量占70%以上[1]。这些燃气事故中,人员伤亡的主要原因是燃气泄漏发生燃爆或燃爆引发的次生灾害,因此,燃气管网应重点关注泄漏事故后的燃爆现象[2-3]。国内对于燃气泄漏警戒区域的研究起步较晚,又因燃气燃爆后果实验耗资较大、技术不完善,所以没有大量开展全尺寸燃气燃烧或爆炸后果的试验。警戒区域的设置主要依据燃气泄漏扩散的影响范围来确定,常用的研究方法有高斯烟羽、烟团模型、唯象模型等。但是,Spyros等[4]提出在确定燃气事故的警戒区域时,有必要考虑燃气泄漏后可能发生的后果,包括喷射火事故和爆炸事故,并且应以发生这些事故的浓度下限作为研究依据;根据美国石油学会发布的API RP 581—2016《基于风险的检测技术》报告,燃气管网持续泄漏引发爆炸、闪火、喷射火、安全排放的概率分别为0.04、0.06、0.1、0.8[5];丁谢镔[6]提出,燃气发生持续性泄漏时,在管道压强、泄漏时长、风速、气温、日照辐射强度等5组单变量场景组内对比分析吸入毒性、易燃和爆炸破坏3个危险因素的影响范围,结果表明吸入毒性范围值最小,易燃范围值最大。由以上研究可以得出,当燃气管网发生持续泄漏事故时,存在10%的可能性发生喷射火事故。因此,在划分燃气泄漏事故的警戒区域时,考虑喷射火事故的影响十分必要。

目前,我国在喷射火事故方面的研究也取得了一定的成果。蒋宏业等[7]采用定量分析的方法分析城市燃气管道泄漏造成喷射火事故的危害范围,并建立计算模型;冯瑶等[8-9]借助DNV Phast &Safeti v6.7 模拟软件对地铁站附近的燃气管道进行定量风险评估,假设埋地燃气管道发生中孔泄漏,计算燃气泄漏扩散到地面发生闪火、喷射火、爆炸事故的影响范围及车站地面的出入口、风亭受事故影响的大小,并在此基础上分析燃气管道与地铁安全间距评估过程中遇到的问题;田靓[10]采用数值积分模型计算的方法对喷射火的形貌和热辐射伤害进行计算,分析喷射火的规律,证明风会加速燃气的扩散,扩大喷射火事故的影响范围。燃气喷射火事故的研究虽然取得了一定的突破,但是现阶段的研究仅围绕喷射火事故的计算模型展开,很少有研究考虑喷射火事故对警戒区域划分的影响。因此,本文利用PHAST软件模拟不同风速下管道破损后喷射火事故产生的热辐射影响范围,并以此为依据划分燃气管网发生泄漏事故时的警戒区域。

1 燃气泄漏事故常用警戒区域设置方法

当燃气发生泄漏时,泄漏的气体与空气混合,遇到高温、明火或静电火花极易引起燃烧或爆炸事故。根据《城镇燃气管理条例》规定,燃气事故发生后,燃气经营企业应立即启动本单位燃气事故应急预案,组织抢险、抢修,有关部门和单位应当按照燃气事故应急预案,立即采取措施防止事故扩大,做好燃气突发事件的指挥、处置等工作。目前,各燃气经营企业制定的应急预案在泄漏事故警戒区域设置上没有明确的设置方法,通常是现场救援指挥到达事故现场后才开始采取措施。

杨春生[11]建议发生燃气泄漏事故时,以泄漏点为中心设置3层封锁线,如图1。具体设置方法如下:

(1)第一层警戒区为现场封锁线内区域,通常以泄漏燃气浓度爆炸下限10%来划分,该区域是火灾或爆炸的致死区域,需要根据燃气泄漏的规模、事故灾情的大小来决定。

(2)第二层警戒区为警戒封锁线内、现场封锁线外的区域,是火灾、爆炸发生后的致伤区域,需根据燃气泄漏事故的规模大小、影响范围来确定。

(3)第三层警戒区为交通封锁线内、警戒封锁线外的区域,是消防部门、救援部门、燃气公司等的驻扎区域,也是交通管制区域,由警戒封锁线向外延伸20～30m。

图1 燃气泄漏事故现场警戒区域设置Fig.1 Warning area setting of the gas leakage accident site

高速泄漏的燃气极易与破损口摩擦产生火花,发生燃气喷射火事故。喷射火事故将造成燃气泄漏事故范围进一步扩大,导致第二层警戒区内的人员受伤。杨春生[11]提出的方法未考虑喷射火事故对于警戒区域的影响,划定的警戒区域较小。除此之外,环境风速也会影响喷射火的辐射范围,因此,在研究喷射火事故的警戒区域时,也要考虑环境风速的影响。

2 考虑危害后果的警戒区域设置

喷射火是当燃气发生泄漏时,喷出的气体遇到点火源形成的火焰[12]。喷射火焰将对燃烧瞬间滞留在泄漏源附近的人造成热辐射伤害。

挪威船级社开发的PHAST软件可以在二维平面上模拟燃气泄漏事故后果的影响范围,广泛应用于燃气管道泄漏、燃爆事故等的分析研究。本文将运用PHAST软件,研究不同风速下,燃气泄漏发生喷射火事故热辐射的影响范围,为警戒范围的划分提供科学建议。

2.1 燃气泄漏计算模型

燃气泄漏发生喷射火事故时,会产生高强度热辐射,距离火焰中心越近,热辐射强度越大,距离越远,热辐射强度越小。当热辐射通量强度达到某一阈值时会造成设备损伤甚至人员伤亡。在模拟喷射火事故时,可将该阈值代入喷射火计算模型中,计算出火焰中心与目标点之间的距离[13]。

查询相关规范和文献[14]可知,当热辐射通量为4kW/m2时,造成人员受伤;当热辐射通量为12.5kW/m2时,10s后导致人员1度烧伤,1min后导致1%死亡,并造成设备损坏。因此,将4kW/m2作为轻度危险区域的设定阈值,计算喷射火影响半径R1;将12.5kW/m2作为重度危险区域的设定阈值,计算喷射火热辐射影响半径R2。

2.1.1 泄漏量计算

当燃气管道发生中孔泄漏时,管内的流动过程可近似地看作等温过程。在中孔泄漏模型中,燃气的泄漏速度与其流动状态有关。计算泄漏量要先判断泄漏速度属于音速流动还是亚音速流动,前者称为临界流,后者称为亚临界流[15]。泄漏点处的压力会逐渐增加,此时,处于亚临界流状态;当气体泄漏速度达到音速并保持不变,这种状态称为临界流状态,此时泄漏点处的压力为临界压力p。引入临界压力比对泄漏点压力进行判断,设临界压力比为β。燃气的泄漏流量为:

(1)

(2)

式中:

k—绝热指数,燃气取1.3;

qm—燃气泄漏流量,kg/s;

A—泄漏孔口面积,m2;

p1—泄漏点处管道压力,Pa;

pa—大气压力,Pa;

R—燃气的气体常数,J/kg·K;

T—燃气温度,K。

2.1.2 喷射火模型

常见的喷射火计算模型有单点源模型、多点源模型、固体火焰模型和线性积分模型,单点源模型将火焰中心简化为一个点,模型简单便于计算,但精度不高;多点源模型考虑了火焰形状的影响,但其计算精度较低;线性积分模型和固体火焰模型的计算精度较高,但线性积分模型计算复杂,采用固体火焰模型计算可满足精度要求[16]。现阶段常用的固体火焰模型主要有Cone模型和API RP521模型[17]。对比2种固体模型,API RP521模型在小规模泄漏场景的计算精度比Cone模型高,但在大规模泄漏场景中却不如Cone模型[18]。为更加准确地估算大规模燃气泄漏场景喷射火的影响范围,本文采用Cone模型,计算模型,如图2。

图2 喷射火计算模型Fig.2 The jet fire calculation model

喷射火影响范围计算公式为:

I=I0uK

(3)

K=log14.4N-0.108l-0.13

(4)

式中:

I—目标的热辐射强度,kW/m2;

I0—喷射源的热辐射强度,kW/m2;

u—视角系数;

K—大气投射系数;

N—相对湿度,取0～1;

l—目标到火焰表面的距离,m。

2.2 典型场景设置

以天津某燃气公司铺设的管道作为本文研究对象,原因如下:

(1)管网规模和历史。天津地区的燃气管网规模庞大,建造时间跨度大,该地区燃气设施老旧,管网老化占比较高。老化的管网容易出现破损和泄漏,燃气泄漏事故风险增加,存在一定的安全隐患。

(2)管理体系较完备。该燃气公司拥有统一的管理办法和成熟的管理体系,管理办法编制较为齐全,应急处置方案完整规范。

本文选取该燃气公司铺设的某段燃气管道(设计压强为0.8MPa,公称直径为500mm)为模拟场景。

2.2.1 气候、地理环境因素

由于燃气泄漏事故与气候变化有较强的关联,天津市的具体气象信息,见表1。该地区冬季燃气泄漏事故频发,将冬季主导风向东风设定为模拟风向。以燃气管道泄漏点为圆心,设定阈值的热辐射距离为半径,该区域为燃气喷射火事故的影响范围。天津地区风力大多为1～6级,偶有7、8级风,不考虑极端强对流天气条件,各级风力对照的风速根据丁谢镔[6]的研究进行选取,本文选取风速为1、5、10、15、20m/s。

表1 气象信息Tab.1 Meteorological information

2.2.2 管道破损泄漏情景设置

依据AQ 3046—2013《化工企业定量风险评价导则》规定,泄漏场景可分为完全破裂及孔泄漏2大类,见表2。

表2 泄漏场景Tab.2 Leakage scenarios

依据SY/T 6714—2008《基于风险检验的基础方法》建议,同类设备泄漏频率值,见表3。

表3 同类设备泄漏频率Tab.3 Leak frequency of similar equipment

依据表3中的泄漏频率,孔径泄漏(中孔泄漏)为25.4mm的泄漏频率最高,故管道破损场景选取孔径泄漏为25mm。

2.2.3 泄漏时长的选取

该公司《输配公司管网抢修管理办法》规定,各管线抢修队在接到抢修指令后,抢修人员必须在5min之内出车,正常情况下40min之内到达抢修现场。抢修人员接到报警到达事故现场后,可有效组织人员疏散、控制周边交通,故模拟计算的泄漏时长设置为40min。

3 结果分析

3.1 计算结果

由于喷射火实际为三维模型,为便于分析,以坐标(0,0)为泄漏点,以泄漏点位置的下风向距离为横坐标,得到喷射火在不同风速影响下的热辐射强度计算结果,如图3。由图3可知,热辐射水平随着下风距离的增加呈现先增加后减小的趋势;随着风速的增大,同一距离点的喷射火辐射强度依次减小,热辐射出现峰值向下风侧扩散的距离也在不断缩短,具体表现为风速每增大5m/s,热辐射强度减小约4kW/m2,出现峰值的范围减小约1.5m。

图3 不同风速下热辐射水平Fig.3 Thermal radiation levels at different wind speeds

分别取4kW/m2和12.5kW/m2作为阈值,将下风距离和侧风距离呈现在俯视图中,喷射火事故的影响范围,如图4。从图4可以看出,受风速的影响,喷射火的影响范围向下风向偏移,随着风速的增大,喷射火事故的影响范围逐渐缩小,当风速大于15m/s时,变化不再明显。

(a) 4kW/m2

(b) 12.5 kW/m2图4 喷射火事故影响范围Fig.4 Range of jet fire accident

选取天津地区年平均风速5m/s作为典型场景进行分析,以泄漏点为圆心,下风距离的最大值作为确定热辐射影响范围的半径,如图5。从图5可知,阈值为4kW/m2的影响半径R1约距泄漏口下风向12m;阈值为12.5kW/m2的影响半径R2约距泄漏口下风向10m。将热辐射通量为12.5kW/m2的区域作为重度危险区域,救援人员若进入此区域处理险情必须穿戴防护用品,并采取必要的保护措施;将热辐射通量为4kW/m2的区域作为轻度危险区域,在此区域内,要尽快疏散群众以保障安全。以本场景中事故为例,在此风速环境下,当消防救援人员需要进入阈值为12.5kW/m2的区域时,需要穿戴防护用品,且采取必要的保护措施;当该燃气管道发生25mm孔径泄漏时,建议将周围12m以内划分为危险区域,尽快疏散群众。

图5 典型场景热辐射影响范围Fig.5 Range of thermal radiation influence in typical scenarios

3.2 结果分析

利用PHAST软件模拟不同风速下管道破损后喷射火事故的热辐射影响范围,分析结果显示:

(1)在理想状态下,当城市燃气管道发生连续泄漏时,其影响范围随着时间延长达到一定范围后保持不变。风速为变量的场景中,风速较小时,喷射火事故的影响范围较大,随着风速的增大,影响范围逐渐减小。当风速达到15m/s时,喷射火事故的影响范围不再变化,这是因为燃气燃烧需要一定的浓度,当风速大于15m/s时,泄漏的燃气到达最远距离后被空气稀释,浓度低于爆炸极限,喷射火焰逐渐熄灭。因此,当救援力量到达现场时,需要采集现场风速进行分析。

(2)考虑喷射火事故后果划分重度、轻度危险区域,将热辐射通量为12.5kW/m2的区域作为重度危险区域,救援人员若进入此区域内处理险情必须穿戴防护用品,并采取必要的保护措施;将热辐射通量为4kW/m2的区域作为轻度危险区域,在此区域内,要尽快疏散群众以保障安全。这2个危险区域需要根据事故地点的风向、风速及管道压强做出适当的调整。

(3)当消防救援到达泄漏事故现场时,依据杨春生[11]的方法划分出第一层警戒线的半径后,建议与重度危险区域半径进行比较,若第一层警戒线的半径小于重度危险区域的半径时,为保障周围群众的安全,建议重新划定警戒范围,将重度危险区域作为事故中心。从重度危险区域外开始划分第一层警戒线,一方面可为突发喷射火事故提供缓冲区;另一方面可以保障救援人员的安全。