许 娟 贾彦杰 徐 丽 陈崎奇 杨 斯 白 雪

(1. 中国石油西南管道昆明输油气分公司；2. 中国石油管道建设项目经理部中缅项目部；3. 中国石油大学储运与建筑工程学院)

输气干线放空系统火灾爆炸事故后果评估

许 娟*1贾彦杰1徐 丽1陈崎奇1杨 斯2白 雪3

(1. 中国石油西南管道昆明输油气分公司；2. 中国石油管道建设项目经理部中缅项目部；3. 中国石油大学储运与建筑工程学院)

首先采用FLUENT软件对放空气体扩散进行定量计算，确定火灾爆炸的中心，然后采用挪威船级社PHAST软件对放空气体可能产生的火灾爆炸影响范围进行定量计算和影响分析，最终确定不同放空量和风速下地面上火球事故爆炸和热辐射范围，对放空系统安全设计和应急救援具有一定的意义。

输气干线 放空系统 FLUENT PHAST 火灾爆炸 后果评估

放空系统是天然气站场安全设施的重要组成部分，其安全与否关系到输气管道和处理装置的平稳运行和人民生命财产及国有资产的安全。在进行天然气放空时，放空管天然气扩散后与空气混合形成天然气-空气预混气云，当该气云达到燃爆极限时，如遇火源就会发生火灾或爆炸事故，其产生的巨大火焰热辐射和爆炸冲击波将严重威胁管道、生产设施和人员安全[1]。所以，对天然气放空系统进行风险分析和事故后果模拟是一项具有现实应用价值的研究。

1 火灾爆炸事故模型

在可燃气云发生火灾、爆炸时，约有10%可燃性混合气体发生爆炸，并产生冲击波；约90% 的可燃性混合气体产生燃烧并形成火球。因此，在对可燃性混合气体火灾爆炸后果进行定量安全评价时，应分析发生爆炸的10%可燃性混合气体产生的事故后果，以及90%的可燃性混合气体产生燃烧、形成火球所产生的后果[2]。

1.1爆炸冲击波事故模型

在进行爆炸冲击波后果评价时，常常把可燃气云爆炸的破坏作用转化成TNT爆炸的破坏作用，按照参加爆轰的天然气体积所占整个气云体积的百分数即TNT收率将可燃气云爆炸能量转化为TNT当量质量[3]，然后按常用的TNT标准爆源爆炸后的计算公式求解爆炸场内各点的超压值，再根据此爆炸场参数对目标的毁伤进行评估[4]。

本例中放空管高度20m，根据危害最大化原则，将TNT收率取为10%进行危害评价，则参加爆炸的天然气质量为：

md=10%m

式中m——可燃性气体质量，kg；

md——发生爆炸的气体质量，kg。

其中，对于放空的可燃性气体质量可根据放空的天然气体积(标准状况下)进行计算：

m=Qρ

式中Q——标准工况下放空天然气体积，Nm3；

ρ——标准工况下天然气密度，kg/m3。

等效TNT质量的换算公式为：

Qd=mdΔHd

式中 ΔHd——天然气(甲烷)爆炸热；

Qd——天然气爆轰时放出的总能量，kJ；

QTNT——TNT标准爆源的爆热值，取为4.5MJ/kg。

对于质量为mTNT的TNT标准爆源，发生爆炸时，爆炸场冲击波超压计算公式为：

式中 Δp——爆炸波的入射超压，Pa；

R——爆炸场某点至爆源的距离，m。

受冲击波作用目标的破坏程度直接取决于作用到目标上的冲击波特性和目标自身的承载能力，三者之间的依赖关系通常统称为冲击波破坏准则或标准。多数情况下，冲击波的破坏伤害作用是由超压引起的，当受体接受的冲击波超压值超过其破坏的临界超压值时，即被破坏[5]。人体所能承受的冲击波阈值为0.1MPa，冲击波超压对人体的损害情况见表1[2]。

表1 冲击波阈值对人体的损害情况

1.2火球热辐射事故模型

火球危害评价包括两部分，即火球性质参数和火球热辐射影响半径的计算[6]。

火球性质参数主要有火球半径、火球持续时间及火球高度等，其中火球半径和火球持续时间计算公式为：

R=1.85ω0.325

t=0.25ω0.349

式中R——火球半径，m；

t——火球持续时间，s；

ω——燃烧量(参与燃烧反应的天然气与氧气质量之和)，kg。

根据目标接受的热辐射剂量公式可推导出目标物距离火球中心的水平距离[7]：

Qt=m1Hc=0.9mHc

式中Hc——天然气(甲烷)的燃烧热；

[10] 温广益：《1967年以来印尼华文教育的沉浮》，《华侨华人历史研究》1997年第3期，第58页。

m1——参与燃烧的扩散天然气，m1=0.9m；

q——目标接受的热辐射剂量，J/m2；

Qt——火球的总辐射量，J；

Tc——热传导系数，一般保守取值1.0；

x——目标物距离火球中心的水平距离，m。

在热辐射作用下目标可能被破坏，这里的目标指的是可能被烧坏的任何客体，如人员、建筑物及木材等。国内外研究机构给出了相应的热辐射破坏准则，分别为：热辐射剂量准则、热辐射强度准则和热剂量-热强度准则[8]。其中热剂量为热通量与热辐射作用时间(即暴露时间，亦即火球持续时间)的乘积[9]。

热剂量准则的适用范围为：作用于目标的热通量持续时间非常短，以至于目标接收到的热量来不及散失掉。而天然气-空气预混气云形成的火球燃烧可以认为是瞬态燃烧(持续时间一般只有几秒)，因此采用热剂量准则[10]，热剂量阈值对人体的伤害见表2。

表2 热剂量阈值与人体的伤害

2 火灾爆炸模拟分析

2.1天然气扩散数值模拟

采用FLUENT 软件对放空系统放空管放空气体的扩散进行模拟，分别以：平坦地形下，放空量37 400Nm3/h(8kg/s)、风速为5m/s；平坦地形下，放空量23 400Nm3/h(5kg/s)、风速为5m/s；平坦地形下，放空量23 400Nm3/h(5kg/s)、风速为17m/s为例，放空一段时间后扩散达到稳定状态，爆炸下限浓度对应范围不变，甲烷浓度分布如图1所示(由于在侧风向上甲烷浓度范围较小，因此只显示二维的浓度分布)，确定质心位置分别为(11.95，24.45)，(8.35，26.50)，(11.95，24.45)。

a. 平坦，37 400Nm3/h，5m/s

b. 平坦，23 400Nm3/h，5m/s

c. 平坦，23 400Nm3/h，17m/s

2.2火灾爆炸数值模拟

爆炸冲击波采用PHAST软件中自带的TNT Explosion模型进行模拟，火球热辐射模拟采用PHAST软件中自带的Fireball模型进行模拟[11,12]，模拟得到火球热辐射强度半径和爆炸冲击波超压半径如图2、3所示。

a. 平坦，37 400Nm3/h，5m/s

b. 平坦，23 400Nm3/h，5m/s

c. 平坦，23 400Nm3/h，17m/s

a. 平坦，37 400Nm3/h，5m/s

b. 平坦，23 400Nm3/h，5m/s

c. 平坦，23 400Nm3/h，17m/s

根据上述扩散模拟和火灾爆炸模拟结果确定距离地面1.5m高上爆炸冲击波和火球热辐射影响范围，如图4～6所示。

a. 火球热辐射影响

b. 爆炸冲击波影响

a. 火球热辐射影响

b. 爆炸冲击波影响

a. 火球热辐射影响

b. 爆炸冲击波影响

从图4～6可以看出：

放空扩散气体发生火灾爆炸时，火球热辐射和爆炸冲击波产生的影响范围由风速和放空量共同决定，当放空量一定时，风速越大，影响范围越大；当风速一定时，放空量越大，影响范围越大。

火球热辐射的影响范围大于爆炸冲击波所产生的影响范围。当放空管以放空量为37 400Nm3/h、风速为5m/s进行放空时，火球热辐射最大影响范围为88.07m，爆炸冲击波最大影响范围为18m，建议下方距离的人员撤出88.07m范围的区域。

对比不同风速下火球热辐射和爆炸冲击波影响范围可知，火球热辐射和爆炸冲击波基本不受风速的影响，风速将主要影响云团的质心即火球中心，随着风速的增大云团的质心将向下偏移，对地面产生的影响范围将增加。

3 结论

3.1放空扩散气体发生火灾爆炸时，火球热辐射和爆炸冲击波产生的影响范围由风速和放空量共同决定，当放空量一定时，风速越大，影响范围越大；当风速一定时，放空量越大，影响范围越大。

3.2火球燃烧产生的危害要大于爆炸且危害半径基本不受风速的影响，但风速影响云团的质心即火球爆炸中心，随着风速的增大云团的质心将向下偏移，对地面产生的影响范围将增加。

3.3放空系统扩散气体火灾爆炸事故具有不确定性，因此运用PHAST软件对可能发生的事故后果进行定量计算和评估，模拟结果对放空系统的安全设计和事故预防具有一定的指导意义。

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FireExplosionConsequenceAssessmentforGasTransmissionLineVentingSystem

XU Juan1, JIA Yan-jie1, XU Li1, CHEN Qi-qi1,YANG Si2, BAI Xue3

(1.KunmingPetroleumGasTransportationBranch,PetroChinaSouthwestPipelineCo.,Kunming650000,China;2.ChinaandMyanmarProjectDepartment,PetroChinaPipelineConstructionProjectManagerBranch,Kunming650000,China; 3.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Making use of FLUENT software to quantitatively calculate the venting gas diffusion and to determine fire explosion’s center was implemented, including applying PHAST software to quantitatively calculate and analyze potential fire explosion’s scope of influence so that the heat radiation above the ground incurred by the explosion accident at different venting amount and wind speeds can be determined. This has certain significance for venting system security design and emergency rescue.

gas transmission line,venting system, FLUENT, PHAST software, fire explosion, consequence assessment

*许 娟，女，1986年2月生，工程师。云南省昆明市，650000。

TQ055.8

A

0254-6094(2016)03-0329-05

2015-09-22，

2015-10-20)