1、风险分析 2023 年第 3 期 30 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 基于 PHAST 软件的输气管道冷放空安全距离研究 基于 PHAST 软件的输气管道冷放空安全距离研究 刘美磊 陈 敏 中国石油工程建设有限公司西南分公司 四川成都 610041 摘 要：为应对输气管道在冷放空作业中面临的火灾和蒸汽云爆炸事故，在梳理冷放空模型和伤害准则的基础上，利用挪威船级社（DNV）PHAST 软件模拟冷放空过程中的泄漏扩散过程，根据扩散半径确定热辐射和爆炸超压的影响范围，并分析不同放空速率、放空压力、地面粗糙度下的伤害距离。结果表明，正常工况下，冷放空引发的火灾不会造成站内人员
2、伤亡及设备损坏；冷放空引发的爆炸形成的轻伤区会波及站内，而风速较低时引发的爆炸不会造成站内人员伤亡及设备损坏；对于热辐射伤害，放空压力的影响较大，对于冲击波超压伤害，放空速率的影响较大；地面粗糙度对热辐射和超压的影响较小。研究结果可为减轻火灾爆炸事故后果提供实际参考。关键词：输气管道；冷放空；放空压力；放空速率；地面粗糙度 因设备检修、管道泄漏、下游堵塞、支线抢修等原因，输气管道和站场会遇到放空天然气的情况1。介质在放空管路中的流动过程相对简单，但进入大气环境后，受瞬态减压、近场射流和远场扩散等过程的影响，其扩散情形会有所不同。根据放空过程中是否点火，将放空方式分为冷放空和热放空2-4。鉴于冷
3、放空的安全扩散半径通常为热放空的 30%50%，故其在征地困难及高后果区、高敏感区的站场内应用较多。天然气等可燃气体扩散后，当其体积分数在达到一定浓度时，依然会引发火灾或蒸汽云爆炸，进而对人员和设备造成损害。针对放空过程的危险性分析，黄坤等5对冷放空的闪燃范围进行了模拟和计算，确定了不同风速和大气稳定度下的轻伤范围；李新建6采用单点源模型对放空过程中的热辐射强度进行了模拟，确定了站场与周边的合理安全距离；薛旭艳等7给出了冷放空下的浓度边界空间和热放空下的热辐射影响范围，对放空立管与站场间的安全距离进行了修正；梁俊奕8根据介质亚临界流不点火模型，模拟了不同工况下的天然气扩散过程，得到了风速对扩散
4、规律的影响。以上学者对放空危害进行了研究，但对于爆炸超压、热辐射影响和放空压力、放空速率等参数敏感性分析的研究不够深入。基于此，本文利用挪威船级社的 DNV PHAST 软件模拟冷放空过程中的泄漏扩散范围，根据扩散半径确定热辐射和爆炸超压的影响范围，进而得到不同放空速率、放空压力下的伤害距离，为确定合理的放空安全距离提供理论依据和实际参考。1 冷放空模型及伤害阈值 1.1 冷放空模型 由于天然气的相对分子质量为 16，较空气轻，故采用连续扩散的 UDM 模型。该模型整合了高斯烟羽模型、BM 模型和 P-G 模型的优点，可以描述某一特定工况、特定时刻下的气体浓度等值分布，从而获得气体云团分布、下
5、风及上风参数等。公式如下：0(,)()expexp22mnC x y zzyC xzy=|-|（1）式（1）中：C气体浓度，mg/m3；C0中心线的气体浓度，mg/m3；x、y、z下风、侧风和竖直方向上的坐标位置，m；浓度标准偏差；n、m浓度竖直分布、横向分布的指数。火灾引发的热辐射采用 API RP521 香蕉喷射火模型，该模型将火焰形状简化为下窄上宽的圆锥形，同时忽略介质射流中的水平分量，作者简介：刘美磊，硕士研究生，工程师，研究方向：石油化工安全技术。2023 年第 3 期 风险分析 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 31 认为热辐射均由火焰中心提供。通过计算火焰高
6、度、视角系数和火焰表面辐射量等参数，最终确定不同距离下的热辐射通量。公式如下：c24QHIr=（2）式（2）中：I入射的热辐射通量，kW/m2；Q介质放空的质量流量，kg/s；Hc甲烷燃烧热值，取 55.6 MJ/kg；燃烧效率因子，取 0.2；r火焰中心到被测目标的距离，m。爆炸引发的超压采用 TNT 当量模型，将蒸汽云爆炸中形成的能量等效为不同质量的 TNT爆炸效果。TNT 模型较 TNO 多能法、BST 模型相比，准确度较高，对设备的数值要求较低9，能够评估近距离的爆炸伤害后果，并计算事故周围的破坏情况。公式如下：fcTNTTNT1.8aW HWH=（3）式（3）中：WTNTTNT 当量
7、，kg；aTNT 当量系数，取 0.04；Wf蒸汽云爆炸中起作用的燃料质量，kg；HTNTTNT 的燃烧热值，取 4.52 MJ/kg。1.2 伤害阈值 根据 PHAST 软件的模拟结果，结合伤害准则，确定热辐射和超压的影响范围，见表 1和表 210-11。将 4 kW/m2、25 kW/m2、37.5 kW/m2分别定义为火灾轻伤、重伤和死亡区的伤害阈值，12.5 kW/m2定义为建筑和设备的热辐射伤害阈值；将 13.8 kPa、34 kPa 和 69 kPa 定义为爆炸轻伤、重伤和死亡区的伤害阈值，20.7 kPa定义为建筑和设备的爆炸超压伤害阈值。表 1 热辐射伤害准则 热辐射值/（kW
8、/m2）人员伤害程度 建筑和设备损伤程度 1.6 长时间辐射无感觉 无影响 4.0 持续 20 s 感觉到疼痛，但皮肤未必起泡 30 min 内玻璃破裂 9.5 持续 20 s 导致二度烧伤 1 h 内玻璃破裂 12.5 持续 10 s 导致一度烧伤；持续 1 min 导致 1%的死亡概率 设备轻度损坏，木材和塑料熔化所需的最小热通量 25.0 持续 10 s 导致重伤；持续 1 min 导致 100%的死亡概率 设备轻度损坏，木材和塑料燃烧所需的最小热通量 37.5 持续 10 s 导致 1%的死亡概率；持续 1 min 导致100%的死亡概率 设备中度损坏，钢结构发生严重变形 表 2 爆炸
9、超压伤害准则 超压/kPa 人员伤害程度 建筑和设备损伤程度 6.9 碎片飞溅砸伤 门窗损坏，小型设备损坏 13.8 轻度伤害 建筑物部分损坏，常压设备轻度损坏 20.7 中度伤害 民用建筑物坍塌，常压设备中度损坏 34.0 严重伤害 工业和民用建筑物均产生坍塌，常压设备重度损坏，压力设备轻度损坏 69.0 大多数情况下死亡 混凝土出现明显的倾覆或结构破坏，压力设备中度损坏 138.0 死亡概率 100%房屋全部倒塌，所有设备均无法使用 风险分析 2023 年第 3 期 32 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 2 实例分析 2.1 基本情况 某输气站场距离上游阀室的距离
10、15 km，主管道管径 D101616 mm，设计压力 10 MPa，输送温度 20。放空立管距离站场 70 m，立管直径 350 mm，立管高度 20 m，放空前采用下游分段降压的方式将管内压力降至 6 MPa，因站场周边存在居民区和较多的树木覆盖，故采用冷放空的方式。为考虑极端工况，模拟管道泄漏引发的紧急冷放空，放空量为管内所有管存量。根据管内压力与大气压的关系，通过气体状态方程和压缩系数方程，计算得到大气状态下的管存量为 70104 m3，天然气压缩因子为 0.85。放空时的气质组分见表 3，模拟夏季、冬季 2 种气象条件，其中夏季风速 5 m/s，大气稳定度为 D，冬季风速 1.5 m
11、/s，大气稳定度为 F。表 3 气质组分表 名称 CH4 C2H6 C3H8 N2 CO2 体积分数/%97.5 0.5 1.2 0.5 0.3 2.2 火灾影响范围 在 PHAST 软件中采用压力容器模型设置管存量、温度、压力等参数，采用短管模型设置放空管内径、高度，采用控制阀控制流量，设置初始放空速率为 10104 m3/h。以混合气体爆炸下限的 50%作为点火的下限浓度，得到扩散气体的侧视图，见图 1。在低风速下，放空的初始动量占主导地位，此时，气体主要向上扩散；在高风速下，远场扩散的动量占主导地位，此时云团向右下方偏移，气体向水平方向扩散。此外，扩散中下风风向的扩散距离远大于上风风向、
12、侧风风向云团高度，故后续以下风风向作为安全距离的判定依据。根据放空过程中遇到点火源的情况，得到喷射火作用下的热辐射范围，见图 2。随着下风距离的增加，热辐射先增大后减小，其中低风速下的热辐射只扩散至 2.6 kW/m2，高风速下的最大热辐射为 7.1 kW/m2，均未超过火灾重伤区、死亡区的半径范围。此时，轻伤区半径为 63.1 m，未超过放空立管与站场间的距离，因此，冷放空引发的火灾不会造成站内人员伤亡、设备损坏。图 1 扩散气体侧视图 图 2 热辐射与下风距离的关系 2.3 爆炸影响范围 气体在扩散的过程中，当浓度在爆炸极限范围内时，如遇点火源，还会引发蒸汽云爆炸，根据 TNT 模型得到爆
13、炸作用下的超压范围，见图 3。由于低风速下形成的气云浓度空间过小，无法形成有限蒸汽云浓度空间，故没有模拟到超压值。随着下风距离的增加，超压值先迅速增大后快速减小，并在一定范围内形成压力平台区，高风速下对应的轻伤区、重伤区、死亡区和设备损坏区的半径分别为 75.7 m、70.5 m、65.5 m 和 72.7 m，此时，轻伤区半径已超过放-4-202468101201020304050607080 1.5m/s，F 5.0m/s，D云团高度/m下风距离/m 2023 年第 3 期 风险分析 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 33 空立管与站场的距离，而风速较低时冷放空引发的
14、爆炸不会造成站内人员伤亡及设备损坏。图 3 爆炸超压与下风距离的关系 2.4 不同条件对放空的影响 在放空过程中，风速、风向、大气稳定度、放空立管直径和高度等因素均会影响放空安全距离，但这些因素均属于外部因素，往往不可控，不具备指导现场实际操作的意义，故在此只考虑放空速率、放空压力和地面粗糙度对放空安全距离的影响。2.4.1 不同放空速率下的安全距离 模拟计算了风速 5 m/s、大气稳定度 D，放空压力 6 MPa 时，不同放空速率下的热辐射和超压影响半径，见表 4。放空速率与放空阀开度和放空压力有关，随着放空速率增大，热辐射强度峰值有所增加，但最大超压值却基本不变，这是由于放空速率的增大导致
15、气云中可供燃烧的燃料增多，在近地面产生的热辐射强度变大，但气云中起到 TNT 作用的燃料质量却是有限的，故最大超压值基本保持不变。表 4 不同放空速率下的热辐射和超压影响半径 放空速率/（104m3/h）热辐射 超压 最大热辐射/（kW/m2）轻伤半径/m 最大超压值/kPa 轻伤半径/m 重伤半径/m 死亡半径/m 10 7.1 63.1 80.5 75.7 70.5 65.5 20 10.3 87.5 80.6 88.2 83.1 78.1 40 12.1 105.7 80.5 92.9 87.3 83.0 60 13.4 128.2 80.7 95.5 90.9 86.2 当放空速率从1
16、0104 m3/h增长到60104 m3/h时，最大热辐射值均未达到火灾死亡或重伤的标准，下风向的轻伤最大半径从 63.1 m 增长至 128.2 m，增幅 103%；只有当放空速率为 60104 m3/h 时，在下风距离 14.1 至 35.6 m处的热辐射强度大于设备损害阈值 12.5 kW/m2。当放空速率从10104 m3/h增长到60104 m3/h时，超压引发的影响半径较热辐射小，下风向的轻伤最大半径从 75.7 m 增长至 95.5 m，增幅 21%，且增幅越来越小；当放空速率为 60104 m3/h 时，在下风距离 92.1 m处的超压值大于设备损害阈值 20.7 kPa。2.4.2 不同放空压力下的安全距离 模拟计算了风速 5 m/s、大气稳定度 D，放空速率 10104 m3/h 时，不同放空压力下的热辐射和超压影响半径，见表 5。放空压力直接影响放空气体流量，进而影响最大热辐射强度出现的位置，随着放空压力增大，热辐射强度峰值有所增加，但最大超压值仍然保持不变。当放空压力从 2 MPa 增长到 6 MPa 时，最大热辐射值均未达到火灾死亡或重伤的标准，下风向的轻伤最