輸氣管道站場放空管擴散事故模擬分析

王坤

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京　102249）

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輸氣管道站場放空管擴散事故模擬分析

王坤

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249）

摘要針對如何確定輸氣管道站場放空管內天然氣燃燒時釋放的輻射量對周邊環境的影響程度，建立了放空管擴散事故模型，使用安全評估軟件PHAST 6.51模擬計算出在不同放空速率下的事故影響范圍及變化特點，定量分析了不同放空速率對放空擴散范圍、燃燒熱輻射及爆炸超壓后果的影響程度，以及大氣穩定度對天然氣擴散和對噴射火熱輻射范圍的影響，得出了模擬分析結論：隨著放空速率的增大，天然氣擴散范圍逐步增加，熱輻射及爆炸的影響范圍也大幅增加；隨著大氣穩定度的增加，天然氣擴散越困難，大氣穩定度對噴射火熱輻射范圍無影響。

關鍵詞輸氣管道站場放空系統放空擴散事故模擬放空速率

修訂回稿日期：2016－02－05

0　引言

輸氣管道站場放空系統是管道安全設施的重要組成部分，主要作用是在管道檢修或出現故障時放空管道內的天然氣［1］，GB50183-2004石油天然氣工程設計規范規定火炬與天然氣站場的防火距離應根據熱輻射量計算確定，以避免火炬燃燒釋放的熱輻射量對周邊環境和居民造成傷害［2］。因此，對輸氣管道站場不同放空條件下進行后果模擬計算對于實際工程設計具有現實意義，筆者擬建立事故模型對站場不同放空條件下的影響后果進行分析。

1　模型描述

筆者使用國際公認的放空模擬安全評估軟件PHAST 6.51對管道放空后果工況進行模擬分析，模擬計算了不同放空速率下放空量擴散影響、燃燒熱輻射影響、爆炸影響和不同的放空環境條件對管道放空的影響，以分析不同放空速率及放空環境對放空后果的影響，為提高輸氣管道站場放空設計水平提供參考［3］。使用PHAST軟件的longpipeline模塊建立起站場的放空擴散模型，選取甲烷作為模擬氣體，站場的基礎平均溫度為20℃，平均風速為2 m／s，大氣穩定度為D，起始放空壓力為5.5 MPa，放空管高度設置為20 m，模擬過程分別選用了多種不同的放空速率，其中最小放空速率為2×104m3／h，最大放空速率為200×104m3／h，站場放空系統部分數據見表1。

輸入完計算所需參數后，PHAST軟件根據建立的放空模型，計算出特定條件下的放空事故模擬結果。

2　模擬結果分析

2.1擴散后果模擬

對8種不同放空速率造成的放空擴散后果分別進行模擬，得出甲烷濃度分別為2.2%和4.4%的最大影響范圍距離，模擬結果見表2。

表1　放空管放空數據表

從以上結果可以看出，天然氣擴散范圍跟放空速率有關，隨著放空速率的增加，天然氣擴散范圍逐步增加。放空速率從2×104m3／h增加到200×104m3／h時，甲烷濃度為4.4%的擴散范圍距離從0.2 m增加到9.1 m，濃度為2.2%的擴散范圍距離從2.1 m增加到22 m。從設定條件的計算結果來看，天然氣放空速率增加，可燃氣體的爆炸范圍增加，但增加的幅度較小，當放空速率低于200×104m3／h時，可認為25 m以外的地區是安全的。

表2　不同放空速率擴散影響范圍表

2.2燃燒熱輻射后果模擬

模擬定義的熱輻射值是根據美國工業衛生協會所指定的ERPG（緊急響應計劃指南）標準得出［4］，如表3所示［5］。不同放空速率燃燒時熱輻射影響范圍模擬結果見表4。

表3　熱輻射強度傷害一覽表

表4　不同放空速率燃燒時熱輻射影響范圍表

從模擬結果看出，天然氣熱輻射影響范圍跟放空速率有關，隨著放空速率的增加，影響范圍增大。在給定放空速率為200×104m3／h的工況下最遠影響距離為143 m。20×104m3／h、25×104m3／h和30×104m3／h的放空速率條件下，噴射火熱輻射強度沒有達到4 kW／m2以上的結果，因此這3種放空速率下發生噴射火對人體及設備沒有傷害。

2.3爆炸后果影響模擬

爆炸超壓對人的傷害程度值見表5［6］，模擬結果見表6。

表5　爆炸超壓對人的傷害程度表

表6　不同放空速率對爆炸超壓影響范圍表

從以上模擬結果可以看出，天然氣爆炸后果影響范圍受放空速率影響較大，隨著放空速率的增加，爆炸影響范圍增大。在給定放空速率為200× 104m3／h的工況下，最遠輕傷距離為47 m。

2.4大氣穩定度影響

計算不同大氣穩定度對放空管放空后果的影響范圍，結果見圖1和圖2。大氣穩定度設置范圍為A～F，從結果可以看出，隨著大氣穩定度的增加，天然氣擴散越困難，天然氣的爆炸影響范圍越大，但是從可爆云團的變化幅度來看，大氣穩定度的改變并沒有明顯影響云團的變化，故大氣穩定度對云團影響不大。從大氣穩定度對閃火范圍的影響結果來看，大氣穩定度越高，越不利于天然氣的擴散，天然氣爆炸范圍也越大，但是可爆云團變化幅度不大，可認為大氣穩定度對噴射火熱輻射范圍無影響。

圖1　不同大氣穩定度爆炸影響范圍模擬結果圖

圖2　不同大氣穩定度閃火影響范圍模擬結果圖

3　結論

1）輸氣站場放空管放空天然氣擴散一旦發生燃燒、爆炸等事故，會對周邊居民及環境造成嚴重傷害。天然氣擴散范圍跟放空速率有關，隨著放空速率的增加，天然氣擴散范圍逐步增加；放空速率對燃燒熱輻射的影響范圍影響很大，隨著放空速率的增大，熱輻射的影響范圍會大幅增加。

2）隨著大氣穩定度的增加，天然氣擴散越困難，但是可爆云團變化幅度不大，大氣穩定度對噴射火熱輻射范圍無影響。

3）合理選擇站場的放空速率對于減少事故傷害，降低放空系統的投資有著重要的意義，輸氣管道站場應考慮采取限制放空速率的措施。

4）放空立管和站場外部設施、內部設施的防火間距應經過有效的計算后確定，PHAST軟件可對各種常見事故模型進行定量模擬分析，對于輸氣管道站場的設計建造及安全管理有一定指導作用。

參考文獻

［1］趙晉云，周興濤，劉冰，等.國內外輸氣管道放空系統設計標準分析［J］.油氣儲運，2013，32（3）：274-278.

［2］云成生，韓景寬，章申遠，等.GB50183-2004石油天然氣工程設計防火規范［S］.北京：中國計劃出版社，2003.

［3］朱伯齡.PHAST軟件對液化天然氣泄漏擴散的研究［J］.計算機與應用化學，2009，26（11）：14-19.

［4］AIHA The AIHA 1999 Emergency Response Planning Guidelines and Workplace Environmental Exposure Level Guidelines Handbook（1999）［S］.Fairfax：AIHA Press，1999.

［5］顏錄通.CNG加氣站運行中的安全隱患與防范措施［J］.天然氣技術與經濟，2014，8（2）：53-56.

［6］王濤.CNG加氣母站風險分析及事故后果模擬［J］.經濟管理與安全環保，2010，30（9）：108.

（編輯：蔣龍）

作者簡介：王坤（1992－），碩士研究生，研究方向為油氣田完整性管理。E-mail：bibberwhut@163.com。

doi：10.3969／j.issn.2095-1132.2016.01.017

文獻標識碼：B

文章編號：2095-1132（2016）01-0057-03