基于數值模擬的儲罐事故影響后果分析

李鵬

摘要：作為天然氣供應安全穩定的重要設施，地下儲氣庫站場存在地面裝置壓力高，對于安全性的要求很高。針對儲氣庫儲罐可能發生的各種事故及后果，利用數值模擬軟件進行了擴散、火災輻射熱、點火爆炸的后果計算，通過模擬計算得出不同事故的影響范圍，有利于工程設計綜合考慮設施設計、平面布局等安全措施，對于已建設施有利于運營單位直觀了解事故后果危害，進而采取相應安全對策措施。

關鍵詞：地下儲氣庫;數值模擬;事故;泄漏;火災;爆炸

1?地下儲氣庫儲罐概況及危險性分析

根據采出氣組份、處理工藝和提高裝置收益等各類需要，油氣藏地下儲氣庫設置的儲罐主要有凝析油儲罐、輕烴儲罐、甲醇儲罐、乙二醇儲罐等。儲氣庫氣井井流物存儲在地下，由于地下溫度高，很多重組分大都以氣態形式存在，隨著地面的開采，井流物被開采至地面的過程中，溫度逐漸降低，重組分逐漸析出，成液態，稱之為凝析油，在進一步處理和初加工過程中（比如降溫），從天然氣中析出的液體烴類混合物稱之為輕烴。甲醇乙二醇一般常規儲量較小，本文僅考慮儲量較大的輕烴和凝析油，且兩者性質相近，以輕烴作為典型案例進行研究。

根據《危險化學品名錄》（2013年完整版）、《石油化工企業設計防火規范》（GB 50160-2008），地下儲氣庫儲罐主要介質危險特性見表1所示。

從以上主要介質危險特性可知，地下儲氣庫站內的可燃物質火災危險性而言，氣體類屬于易燃氣體，甲類火災危險物質;液體類，包括了低閃點、中閃點的易燃液體，屬于甲類火災危險物質，就站內的生產過程火災危險性而言，屬于甲類火災危險性。

2?事故原因及后果分析流程

根據對大量典型泄漏事故的調查，儲氣庫各介質儲罐周邊出事故可能發生的原因有：

（1）管線泄漏

管線泄漏沒有時間規律，往往由于管道焊接質量問題或管材本身質量問題導致管線凸緣、異徑接口、彎管、連接處等位置發生泄漏。

（2）閥門、法蘭泄漏

各種閥門、連接法蘭、泵的密封填料、活塞的堵塞等設備及部件發生泄漏，多數情況下導致是氣體的緩慢小量的泄漏。

（3）儲罐泄漏

大多發生在管線與罐體相接處，如進出口、連通管口、注水口、脫水口、溫度計口等，由于組焊質量或銹蝕等問題發生泄漏。

（4）人為誤操作

由于人工操作失誤導致充裝冒頂、閥門誤開等問題導致介質泄漏。

在地下儲氣庫工程中，一旦發生泄漏事件，可能引起池火、爆炸、閃火、噴射火等。

3?后果模擬與風險評估

下面以儲氣庫為例進行火災爆炸后果模擬與風險評估，并對其后果影響范圍進行分析，以便進一步提出安全的事故控制措施。

3.1 后果危害評定準則

（1）擴散

對液化石油氣的事故評定，一般有通風條件的非危險性建筑要求氣體擴散濃度不能超過爆炸下限的50%（50% LEL）。本文考慮1/2 的爆炸下限（50%LEL）、爆炸下限（LEL）和爆炸上限（UEL）3個濃度等級。

（2）熱輻射

熱輻射對人體的影響與熱輻射強度、持續時間及人的年齡、性別、皮膚暴露程度、身體健康狀況有關;熱輻射對設備的影響與破壞取決于作用時間的長短。當目標接受到的熱通量大于或等于引起目標破壞所需的臨界熱通量時，目標被破壞;否則，目標不被破壞。

（3）爆炸超壓

爆炸事故計算遵循沖擊波超壓傷害破壞準則，主要選取3 種超壓情形，分別得出每種沖擊波超壓造成影響的距離范圍，為爆炸事故防護和應急提供參考數據，分別是：① 0.02-0.03MPa（0.2068 bar）情形下，沖擊波超壓對人體造成傷害，可能造成建筑物墻壁裂縫或窗框損壞;② 0.006-0.015 MPa（0.1379 bar）超壓情形下，造成受壓面的門窗玻璃大部分破損，對人員傷害不大;③ 0.02068 bar 超壓影響范圍較大，可能造成玻璃窗破壞，但對人基本無傷害。

3.2 儲罐泄露影響區域計算

儲罐發生泄露后，如果沒有接觸到火源，則由于與空氣之間的換熱發生閃蒸無法點燃，氣象擴散與空氣混合形成蒸汽云擴散。利用PHAST模擬得到的儲罐泄露擴散濃度范圍表如表2所示。

3.3 儲罐泄露火災熱輻射區域計算

儲罐發生泄露閃蒸后，若遇到點火源極易發生火災，火災的熱輻射可能造成人員傷害或死亡，經模擬計算儲罐泄露火災輻射影響范圍表如表3所示。

3.4 儲罐泄露產生爆炸超壓區域計算

輕烴泄漏發生閃蒸后形成的可燃氣體與空氣混合形成蒸氣云擴散，在擴散過程遇點火源，達到一定濃度范圍時，極容易形成爆炸。爆炸的傷害主要和爆炸超壓相關。PHAST 模擬儲罐泄漏導致爆炸超壓影響范圍表如表4所示。

4?結論及事故控制措施

經過以上事故分析及模擬計算，可以看出，在儲氣庫罐區中從小孔泄漏到儲罐災難性破裂，造成擴散至1/2爆炸極限的距離最小為102.52m，最大為916.1m;火災輻射熱造成死亡的距離最小為50.41m，最大為85.32m;擴散與點火發生爆炸因沖擊波造成死亡的距離最小為117.14m，最大為1060.61m。從以上距離可以看出，儲罐一旦發生泄露、點火熱輻射、點火爆炸造成的范圍均很大，易造成站場內操作人員的傷亡事故，造成的經濟及社會影響均極大。根據事故發展的流程可以看出，要保證儲氣庫各類介質儲罐的安全水平，必須從防止儲罐泄露、點火源和安全間距控制三方面入手。

（1）儲罐泄露控制

制定完備的巡檢、檢查保養作業程序，定期對相關設施進行檢查維護;

根據模擬計算結果或規范等制定完備的應急預案，一旦發生事故根據應急預案控制并消滅事故。

結合介質性質、風向等因素合理設置可燃氣體檢測報警儀等監控裝置并進行定期檢測維護，在泄露事故初期及時發現防止事故擴大化。

（2）點火源控制

相關電氣設備采用防爆型并定期維護保養;嚴格控制火種及可能產生火源的裝置設備進入生產區域;動火作業嚴格制定作業程序并采取有效防范措施;嚴禁生產維護中不規范作業，例如敲打、拋擲設備等;防雷防靜電設備定期檢查維護等。

（3）安全間距控制

嚴格按照GB50183《石油天然氣工程設計防火規范》等相關防火規范和法律法規的要求設置儲罐與其他設備設施和辦公場所的安全間距及方位，并考慮定量模擬后果影響距離等。

參考文獻：

[1] 《危險化學品名錄》（2013年完整版）;

[2] 《石油化工企業設計防火規范》（GB 50160-2008）;

[3] 《甲醇儲罐泄漏事故后果模擬與風險評估》廣東化工，第41卷第16期;

[4] 《集輸場站量化風險評價癥用研究》長江大學，2 012，王明鳳;

[5] 《儲罐區重大火災事故后果分析》內蒙古石油化工，2014年第16期。