基于数值模拟的储罐事故影响后果分析

李鹏

摘要：作为天然气供应安全稳定的重要设施，地下储气库站场存在地面装置压力高，对于安全性的要求很高。针对储气库储罐可能发生的各种事故及后果，利用数值模拟软件进行了扩散、火灾辐射热、点火爆炸的后果计算，通过模拟计算得出不同事故的影响范围，有利于工程设计综合考虑设施设计、平面布局等安全措施，对于已建设施有利于运营单位直观了解事故后果危害，进而采取相应安全对策措施。

关键词：地下储气库;数值模拟;事故;泄漏;火灾;爆炸

1 地下储气库储罐概况及危险性分析

根据采出气组份、处理工艺和提高装置收益等各类需要，油气藏地下储气库设置的储罐主要有凝析油储罐、轻烃储罐、甲醇储罐、乙二醇储罐等。储气库气井井流物存储在地下，由于地下温度高，很多重组分大都以气态形式存在，随着地面的开采，井流物被开采至地面的过程中，温度逐渐降低，重组分逐渐析出，成液态，称之为凝析油，在进一步处理和初加工过程中（比如降温），从天然气中析出的液体烃类混合物称之为轻烃。甲醇乙二醇一般常规储量较小，本文仅考虑储量较大的轻烃和凝析油，且两者性质相近，以轻烃作为典型案例进行研究。

根据《危险化学品名录》（2013年完整版）、《石油化工企业设计防火规范》（GB 50160-2008），地下储气库储罐主要介质危险特性见表1所示。

从以上主要介质危险特性可知，地下储气库站内的可燃物质火灾危险性而言，气体类属于易燃气体，甲类火灾危险物质;液体类，包括了低闪点、中闪点的易燃液体，属于甲类火灾危险物质，就站内的生产过程火灾危险性而言，属于甲类火灾危险性。

2 事故原因及后果分析流程

根据对大量典型泄漏事故的调查，储气库各介质储罐周边出事故可能发生的原因有：

（1）管线泄漏

管线泄漏没有时间规律，往往由于管道焊接质量问题或管材本身质量问题导致管线凸缘、异径接口、弯管、连接处等位置发生泄漏。

（2）阀门、法兰泄漏

各种阀门、连接法兰、泵的密封填料、活塞的堵塞等设备及部件发生泄漏，多数情况下导致是气体的缓慢小量的泄漏。

（3）储罐泄漏

大多发生在管线与罐体相接处，如进出口、连通管口、注水口、脱水口、温度计口等，由于组焊质量或锈蚀等问题发生泄漏。

（4）人为误操作

由于人工操作失误导致充装冒顶、阀门误开等问题导致介质泄漏。

在地下储气库工程中，一旦发生泄漏事件，可能引起池火、爆炸、闪火、喷射火等。

3 后果模拟与风险评估

下面以储气库为例进行火灾爆炸后果模拟与风险评估，并对其后果影响范围进行分析，以便进一步提出安全的事故控制措施。

3.1 后果危害评定准则

（1）扩散

对液化石油气的事故评定，一般有通风条件的非危险性建筑要求气体扩散浓度不能超过爆炸下限的50%（50% LEL）。本文考虑1/2 的爆炸下限（50%LEL）、爆炸下限（LEL）和爆炸上限（UEL）3个浓度等级。

（2）热辐射

热辐射对人体的影响与热辐射强度、持续时间及人的年龄、性别、皮肤暴露程度、身体健康状况有关;热辐射对设备的影响与破坏取决于作用时间的长短。当目标接受到的热通量大于或等于引起目标破坏所需的临界热通量时，目标被破坏;否则，目标不被破坏。

（3）爆炸超压

爆炸事故计算遵循冲击波超压伤害破坏准则，主要选取3 种超压情形，分别得出每种冲击波超压造成影响的距离范围，为爆炸事故防护和应急提供参考数据，分别是：① 0.02-0.03MPa（0.2068 bar）情形下，冲击波超压对人体造成伤害，可能造成建筑物墙壁裂缝或窗框损坏;② 0.006-0.015 MPa（0.1379 bar）超压情形下，造成受压面的门窗玻璃大部分破损，对人员伤害不大;③ 0.02068 bar 超压影响范围较大，可能造成玻璃窗破坏，但对人基本无伤害。

3.2 储罐泄露影响区域计算

储罐发生泄露后，如果没有接触到火源，则由于与空气之间的换热发生闪蒸无法点燃，气象扩散与空气混合形成蒸汽云扩散。利用PHAST模拟得到的储罐泄露扩散浓度范围表如表2所示。

3.3 储罐泄露火灾热辐射区域计算

储罐发生泄露闪蒸后，若遇到点火源极易发生火灾，火灾的热辐射可能造成人员伤害或死亡，经模拟计算储罐泄露火灾辐射影响范围表如表3所示。

3.4 储罐泄露产生爆炸超压区域计算

轻烃泄漏发生闪蒸后形成的可燃气体与空气混合形成蒸气云扩散，在扩散过程遇点火源，达到一定浓度范围时，极容易形成爆炸。爆炸的伤害主要和爆炸超压相关。PHAST 模拟储罐泄漏导致爆炸超压影响范围表如表4所示。

4 结论及事故控制措施

经过以上事故分析及模拟计算，可以看出，在储气库罐区中从小孔泄漏到储罐灾难性破裂，造成扩散至1/2爆炸极限的距离最小为102.52m，最大为916.1m;火灾辐射热造成死亡的距离最小为50.41m，最大为85.32m;扩散与点火发生爆炸因冲击波造成死亡的距离最小为117.14m，最大为1060.61m。从以上距离可以看出，储罐一旦发生泄露、点火热辐射、点火爆炸造成的范围均很大，易造成站场内操作人员的伤亡事故，造成的经济及社会影响均极大。根据事故发展的流程可以看出，要保证储气库各类介质储罐的安全水平，必须从防止储罐泄露、点火源和安全间距控制三方面入手。

（1）储罐泄露控制

制定完备的巡检、检查保养作业程序，定期对相关设施进行检查维护;

根据模拟计算结果或规范等制定完备的应急预案，一旦发生事故根据应急预案控制并消灭事故。

结合介质性质、风向等因素合理设置可燃气体检测报警仪等监控装置并进行定期检测维护，在泄露事故初期及时发现防止事故扩大化。

（2）点火源控制

相关电气设备采用防爆型并定期维护保养;严格控制火种及可能产生火源的装置设备进入生产区域;动火作业严格制定作业程序并采取有效防范措施;严禁生产维护中不规范作业，例如敲打、抛掷设备等;防雷防静电设备定期检查维护等。

（3）安全间距控制

严格按照GB50183《石油天然气工程设计防火规范》等相关防火规范和法律法规的要求设置储罐与其他设备设施和办公场所的安全间距及方位，并考虑定量模拟后果影响距离等。

参考文献：

[1] 《危险化学品名录》（2013年完整版）;

[2] 《石油化工企業设计防火规范》（GB 50160-2008）;

[3] 《甲醇储罐泄漏事故后果模拟与风险评估》广东化工，第41卷第16期;

[4] 《集输场站量化风险评价症用研究》长江大学，2 012，王明凤;

[5] 《储罐区重大火灾事故后果分析》内蒙古石油化工，2014年第16期。