雷靜電作用下儲氣庫安全危害分析*

駱正山，劉 璐，張新生，王小完

(西安建筑科技大學 管理學院，陜西 西安 710055)

天然氣為作為一種綠色高效能源，在我國的能源結構中占比較大[1]。儲氣庫是天然氣調峰的重要手段之一，近年來國內外儲氣庫發生泄漏與爆炸的事故超過數十余起[2]，對人民的生命財產安全造成巨大威脅。美國加州Aliso Canyon儲氣庫發生天然氣泄漏，持續了111 d，導致經濟損失高達3.3億美元[3]。因此，開展儲氣庫安全分析具有重要的意義。

國內外學者對儲氣庫安全的研究主要是對其進行風險評價和泄漏后果危害分析：采用單因素分析法[4]或借助Bow-tie[5]對天然氣泄漏影響因素及風險進行分析；李麗鋒等[3]使用阻流模型和高斯煙羽模型對儲氣庫注采井泄漏后的泄漏速率和擴散范圍進行預測，借助TNT當量法計算爆炸危害范圍；劉狄龍[6]利用TNT當量法對蒸氣云爆炸和沸騰液體蒸氣爆炸進行定量的評估；陳國華等[7]對比分析TNT當量法和TNO多能法預測蒸氣云爆炸危害范圍的結果，得TNO多能法在衡量爆炸后果方面準確度較高；上述研究所采用的方法具有一定的局限性且精度不高，需要選擇合理有效的方法對儲氣庫安全進行分析。同時，靜電是石油化工業火災爆炸事故的主要成因，而對靜電的研究主要集中在事故原因分析和危險性分析：從介紹靜電的產生和控制措施[8]，到采用模糊分析法和魚骨圖與層次分析法結合對靜電后果風險評價[9]，都未對靜電危害后果量化分析。加之，雷電是中國十大自然災害，也會對儲氣庫安全產生很大影響。根據雷電致災機理，對雷電進行風險評價和致災因子相關性分析[10-11]，蘇伯尼等[12]對雷擊的全過程進行量化評價，得出雷擊后果的事故概率及危害范圍。

綜上，在研究儲氣庫安全時，主要考慮影響其泄漏的因素并對其進行風險評價和分析，未將具體的環境因素的影響考慮在內。而對于雷電和靜電危害分析的研究均是對單個方面進行分析，缺乏綜合考慮兩者共同作用在儲氣庫的后果。因此，本文提出對雷靜電影響下的儲氣庫泄漏后果進行預測。

鑒于此，分析靜電聚集和雷電因素影響下儲氣庫泄漏后果，構建雷靜電概率模型和儲氣庫泄漏后果模型，得出雷靜電對儲氣庫的影響概率，并對此情況下的儲氣庫泄漏后果分析。

1 理論分析

儲氣庫注采井泄漏包括井口泄漏和地層遷移泄漏。地層遷移泄漏分為遷移至其他地層和遷移后泄漏至大氣。不同情況導致的后果見圖1。

圖1 儲氣庫泄漏事故模擬圖

雷電是發生于大氣中的瞬時電壓和電流高、電磁輻射強的災害性天氣現象[13]。根據其種類不同造成的危害分別為直擊雷會對建筑物產生破壞和感應雷會通過室外的金屬線引燃室內物體。雷電機理即在形成雷云的過程中，遇到地面較高的建筑物時，雷閃電流的電磁場作用導致建筑物外部的導體感應產生電流或電壓進入內部，造成雷擊[14]。

2 建模

基于雷電機理和靜電聚集理論，建立雷靜電概率模型；基于高斯煙羽模型和CCPS-BST模型，建立儲氣庫泄漏后果模型。

2.1 雷靜電概率模型

計算閃電擊中儲氣庫及靜電引起火花的期望，得出雷靜電引發火災的概率。

(1)雷電擊中儲氣庫概率。基于IEC(國際電工委員會)提出的《IEC62305-2雷電防護第2部分：風險管理》，對儲氣庫年遭雷擊次數ND計算：

ND=NG×AD×CD×10-6。

(1)

式中：NG為雷擊大地密度：NG=0.1Td，Td為雷暴日數；AD為截收面積；CD為相對位置因子

(2)靜電引發火災爆炸概率。靜電放電量是指通過火花放電釋放的能量。靜電放電量為：

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(2)

式中：W為靜電放電量；C為靜電電容；V為帶電點位即靜電電位差。

儲氣庫庫體的導電片是火災爆炸的主要點火源之一。實驗測得通過電流達到400 A即可使得導電片產生點燃性火花[12]。若有n個導電片，庫體是等勢體則全部導電片是并聯的，因此，需約I≥n×400 A的電流使得靜電聚集產生火花。

閃電電流與負載電阻無關，基于國家標準《DL/T620—1997 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》可得電流值:

(3)

式中：I為電流幅度值(kA)；P為雷電實際電流超過I的概率。

由式(3)得靜電電荷積累到期望值的概率，乘以每年閃電擊中儲氣庫的期望，即得閃電擊中儲氣庫并產生火花的概率。

2.2 泄漏后果模型

高斯煙羽模型預測天然氣擴散質量濃度分布，結合閃火的后果評價準則，確定閃火的危害范圍；采用CCPS-BST模型預測蒸氣云爆炸的危害范圍。

(1)高斯煙羽模型。在預測氣體擴散范圍的模型中，DEGADIS模型適用重氣，BM模型適用中性氣體，高斯煙羽模型適用于中性氣體且周圍比較開闊的情況，具有簡便易于理解和計算結果與試驗結果能較好吻合的優點[15]。其數學表達式為：

(4)

式中：C(x，y，z)為下風向給定地點(x，y，z)處空氣中物質的質量濃度(g/m3)；H為泄漏源強的高度(m)；Q為泄漏速率(源強)(g/s)；u為風速(m/s)；x為下風向距離(m)；y為側向風距離(m)；z為垂直風向距離(m)；σy、σz分別為側向風向和垂直風向的擴散系數，根據文獻[16]取值。

(2)閃火模型。閃火是種非爆炸性燃燒過程，即可燃氣體或蒸氣與空氣混合后被點燃，其主要危害是灼燒和熱輻射。由于其熱輻射造成的傷害不大，主要分析直接灼燒的危害后果。從歐洲工業氣體協會(EIGA) 4得閃火的危害后果可采用混合氣體濃度燃燒下限來衡量。

(3)CCPS-BST 爆炸模型。蒸氣云爆炸的危害范圍預測主要是通過利用關系模型，即：TNT當量模型、TNO多能法和Baker-Strehlow-Tang模型等。TNT當量模型的依據是高能炸藥爆炸，低估了遠距離的破壞，且當距離爆炸波中心的距離接近零時，超壓會接近無限大，即高估了近距離的傷害范圍[17]。TNO多能法需要選擇合適的爆源強度，但缺少定量選擇的原則，也并未考慮不同可燃物對爆炸波的影響。Baker-Strehlow-Tang(BST)模型是由一組無量綱距離、無量綱峰值側向超壓的曲線組成，是根據火焰傳播速度來選取不同的爆炸波強度曲線，從而得出數據，預測結果與實際較為接近。

因此，建立CCPS-BST模型對爆炸危害范圍進行預測，通過CCPS模型得爆炸的總能量，BST確定爆炸超壓，以超壓為后果評價準則確定爆炸的危害范圍。

CCPS蒸氣云爆炸模型的計算公式如下：

E=ref×ef×He×Mass。

(5)

式中：E為爆炸總能量(MJ)；ref為地面反射因子；He為蒸氣的燃燒熱(MJ/kg)；Mass為蒸氣云爆炸的總質量(kg)。

由式(5)得爆炸總能量E，通過BST計算爆炸沖擊波超壓：

(6)

(7)

式中：r為距爆炸中心的距離(m)；patm為大氣壓強(MPa)；A、B、D、x0為常數，其取值參考文獻[18]。

3 實例分析

雷雨天氣下，某儲氣庫發生泄漏，占地面積約2.8×105m2，天然氣的儲藏溫度為-18℃，壓力為4.6 MPa。假定儲氣庫中裝有天然氣60 t，發生泄漏事故時一半，即泄漏量為30 t，室外平均氣溫為28℃，風速在2～6 m/s間變化。所在地的大氣穩定度頻率用帕斯奎爾( Passquil)分級法[19]表示，將大氣的擴散能力分為6個穩定度級別: 從A到F級表示氣象逐漸穩定。經調查得，當地大氣穩定度主要集中在B、C、D三個等級。

3.1 ALOHA及范圍確定

ALOHA具有較強的通用性，含多種擴散和爆炸模型，能全面較好的模擬天然氣泄漏后果、閃火及蒸氣云爆炸危害范圍。閃火的危害主要考慮火焰直接灼燒，以氣體爆炸下限(Lower Explosive Limit，LEL)來確定閃火的危害后果和范圍，具體如表1所示。蒸氣云爆炸的危害后果以超壓準則來確定，不同超壓值對目標物的損害對應關系見表2。

表1 閃火危害范圍劃分[20]

表2 蒸氣云爆炸的危害范圍劃分[21]

3.2 研究結果

通過ALOHA模擬大氣穩定度為C，風速為4 m/s的氣體擴散范圍、閃火及爆炸的危害范圍及不同風速和大氣穩定度對泄漏后果的影響如下圖所示。

(1)雷靜電對泄漏影響概率。根據式(1)得儲氣庫的年遭雷擊次數的期望ND為 0.899 6。若庫體有30個導電片，引發火花所需電流為12 kA，則靜電聚集產生火災的概率為0.73，雷電擊中儲氣庫產生火花次數的期望為0.657 7。

由此可見，在雷電產生火花的概率遠遠高于50%，在雷電和靜電的共同作用下，產生火花，導致天然氣在泄漏后由簡單的泄漏變成閃火或爆炸的概率極大。

(2)氣體擴散范圍。由圖2得，氣體擴散范圍沿著主導風向呈梭形分布，沿下風向的擴散距離大于下風向兩側的距離，且濃度隨著距離的增加而逐漸降低。圖3可知天然氣的擴散距離隨著風速的增加而減小，大氣越穩定，天然氣不易擴散，相同濃度下的擴散范圍大。

圖2 儲氣庫泄漏后的氣體擴散分布

圖3 不同大氣穩定度和風速對應的TEEL-1距離

(3)閃火的危害范圍。從圖4中可得閃火危害范圍沿風向呈梭形分布，與天然氣擴散規律相似，在主導風向的危害距離大于主導風向兩側。風速和大氣穩定度對易于發生閃火范圍(圖5)的影響規律相似，即風速越低，氣體越易聚集，閃火的危害距離越大；大氣越穩定，氣云易聚集且擴散緩慢，閃火危害范圍增加。

圖4 儲氣庫泄漏后的閃火危害范圍

圖5 不同風速和大氣穩定度的易于發生閃火半徑

(4)蒸氣云爆炸的危害范圍。由圖6得蒸氣云危害范圍由中心開始向四周擴散。同時，隨著風速由2 m/s增加到6 m/s，對天然氣泄漏擴散形成的氣云擾動加強，天然氣難以聚集，使得蒸氣云爆炸的傷害半徑顯著減小，爆炸的危害范圍隨著大氣穩定度的降低而減小(圖7)。

圖6 蒸氣云爆炸的危害范圍

圖7 不同風速和大氣穩定度下爆炸死亡區半徑

4 討論

通過不同擴散模型和爆炸模型得出的氣體擴散范圍和爆炸危害距離見表3、表4。與BM模型和DEGADIS模型比較，高斯煙羽模型所得結果較為全面，更加適用于模擬天然氣的擴散范圍。CCPS-BST模型彌補了TNT當量法局限性及TNO多能法結果相對比較保守的缺陷，預測的爆炸危害范圍較為準確和全面。

表3 不同模型得出天然氣擴散距離

表4 不同模型得出蒸氣云爆炸危害距離

5 結論

針對雷靜電作用下的儲氣庫泄漏情況，通過ALOHA模擬天然氣泄漏導致的閃火和蒸氣云爆炸危害范圍，可得以下結論：

(1)本研究建立雷靜電概率模型和儲氣庫泄漏后果模型，能更好的對雷靜電影響下的儲氣庫泄漏后果進行全面有效的評價。在雷電和靜電的共同作用下，儲氣庫泄漏的概率大大增加。儲氣庫泄漏后的氣體擴散范圍、閃火及爆炸的危害范圍都會受到風速和大氣穩定度的影響，危害范圍隨著風速和大氣穩定度的降低而增大。

(2)研究儲氣庫泄漏后果時考慮雷電和靜電的影響，具有顯著的科學價值與現實意義，也為儲氣庫泄漏的風險預警和防范提供了較為可靠的理論支持，進而豐富了對儲氣庫災害后果研究的理論體系。