石化企业中心控制室的抗爆需求探讨

张少鹏，刘秀琴(. 中国石油工程建设公司 华东设计分公司，山东 青岛 6607；. 海工英派尔工程有限公司，山东 青岛 6606)

石化企业中心控制室的抗爆需求探讨

张少鹏1，刘秀琴2
(1. 中国石油工程建设公司 华东设计分公司，山东 青岛 266071；2. 海工英派尔工程有限公司，山东 青岛 266061)

石油化工企业中心控制室通常采用抗爆结构，随着企业规模的不断扩大，中心控制室的生产管理功能逐渐增强，越来越多的企业希望中心控制室能采用非抗爆结构设计以满足室内人员的舒适性要求。叙述了中心控制室的抗爆要求，并引用近年来爆炸超压对建筑物的影响、蒸汽云爆炸超压后果预测模型和空气中爆炸冲击波传播规律等领域的一些研究成果，探讨了爆炸冲击波超压与控制室抗爆结构之间的关系，商讨如何根据距离判断中心控制室是否可以选择非抗爆结构，并给出了初步的量化指标，供自控设计人员参考。

中心控制室 抗爆结构 蒸汽云 爆炸冲击波 超压

中心控制室作为石化企业的控制中心和数据中心，正在发挥越来越大的作用。许多新建大型石化项目，要求中心控制室除了具备传统的生产操作和过程控制功能外，还要承担更多的生产管理功能，成为全厂的生产管理中心、安全环保管理中心和机动中心。

出于安全性的考虑，中心控制室通常设计成抗爆结构，但抗爆结构造价高、空间封闭、面积受限，难以满足室内办公人员对光照、通风等方面的舒适性要求。目前由于中心控制室功能提升，大量生产管理和技术人员进入办公，要求控制室要像常规办公室那样在外墙开窗。因此，能否在保证安全性的前提下，进行人性化设计，选择非抗爆结构的中心控制室，成为业内讨论的重点话题。

一般认为，如果建筑物远离爆炸源，建筑物受到的爆炸冲击力可以忽略不计，就不必进行抗爆设计。但建筑物离爆炸源多远、冲击力多大可以不进行抗爆设计，尚无定论。

SH/T 3006—2012《石油化工控制室设计规范》第4.4条中规定“对于有爆炸危险的石油化工装置，控制室建筑物的建筑、结构应根据抗爆强度计算、分析结果设计”。与SH 3006—1999《石油化工控制室和自动分析器室设计规范》相比，新版规范不再强调“联合装置的中央控制室建筑物应采用抗爆结构设计”，也没有给出控制室是否应采用抗爆结构设计的量化判断标准。按照新版规范的解释，该问题应由安全、建筑和结构专业人员解决，但这些专业人员无论是从距离上量化，还是从爆炸力上量化，都缺少相关依据，因而未能有效解决该问题。

作为中心控制室的主体设计专业，自控专业的设计人员一直非常关心中心控制室是否需要采用抗爆结构设计，因为这对规划中心控制室的位置和功能结构非常重要。针对该问题，笔者进行了一些探讨，对控制室是否需要采用抗爆设计提出了初步的量化指标，供自控设计人员参考，以便在中心控制室设计中结合不同的需求，合理规划其位置和功能。

1 中心控制室的抗爆需求

石油化工企业中可能存在的爆炸形式有蒸汽云爆炸VCE(Vapor Cloud Explosion)、压力容器爆炸以及粉尘爆炸，但主要应考虑VCE。

爆炸时产生的高温高压气体以极高的速度沿球面膨胀，把爆炸反应释放出的部分能量传递给相邻被压缩的空气层。空气受冲击而发生扰动，使其压力、密度等产生突变，这种扰动在空气中传播被称为冲击波，冲击波通过时产生的超过大气压的空气压力被称为超压。冲击波产生的破坏作用主要是由其波阵面上的超压引起的,在超压作用下，建筑物可能被摧毁，设备、管道等可能会遭到破坏，人员也可能出现伤亡。

API RP554 PART2ProcessControlSystemDesign第13.3节中提出：“控制中心可能要建设成抗爆结构，以便在事故发生时能保护操作人员和计算机过程控制设备的安全，实现工艺过程的安全有序停车。”

由于操作人员和计算机设备都处于中心控制室建筑物保护之下，因而建筑物在爆炸事故下可能的破损程度，是判定中心控制室是否选择抗爆结构设计的主要因素。

在爆炸中，建筑物的门窗玻璃通常比墙体更容易损坏。爆炸中，如果只损坏少量的玻璃，中心控制室的建筑物可以按照普通工业办公建筑进行设计，但应采用安全玻璃；如果玻璃破损严重，需在建筑设计中考虑取消外墙上的玻璃窗；如果爆炸使建筑物结构损坏，就应合理采用抗爆结构设计。

当然，中心控制室建筑结构的破损不能危及室内人员的生命安全，人无伤的爆炸超压上限是6.86 kPa[1]。

2 爆炸超压与控制室结构选择

爆炸冲击波产生的破坏作用可用峰值超压、持续时间和冲量3个特征参数衡量。其中，峰值超压是衡量爆炸冲击波的最重要参数。定量分析爆炸冲击波的危害，最简便的方法就是分析爆炸超压与破坏作用的关系。

许多国际先进标准中提出了不同的爆炸超压下，对中心控制室建筑结构的要求。ISA RP60.1ControlCenterFacilities，DEP34.17.10.30BlastResistantandBlastResistantControlBuildings/FieldAuxiliaryRooms等标准对爆炸超压与抗爆结构设计的关系进行了描述[2]。DEP34.17.10.32DesignandEngineeringofBuildings进一步指出爆炸荷载(侧/顶过压)小于1 kPa时，建筑物无防爆要求；在1～5 kPa时，门窗应采用夹层安全玻璃。但是，在这些标准中，并没有列出选定这些参数的依据。

DNV以表的形式说明爆炸超压对建筑物的破坏影响，见表1和表2所列，该2组数据分别引自1972年Clancey VJ在苏格兰爱丁堡第六届科学国际会议上的报告《爆炸破坏的判断特点》和Stepgens在1970年的研究结果。

表1 爆炸超压对受到冲击的炼油设施的影响

表2 爆炸超压造成的破坏影响

续 表 2

表3和表4列出了爆炸冲击波超压与建筑物破坏程度的对应关系。

表3 爆炸冲击力对砖结构建筑物的破坏作用[3]

表4 1000 kg TNT地面爆炸时冲击波超压

续 表 4

综合比较表1～表4爆炸冲击波对建筑物部件、人员及仪表设备的危害情况，笔者认为可以选定1，5，20 kPa用于区分中心控制室的抗爆需求。

1) 在爆炸超压小于1 kPa的区域，可能会造成有限玻璃破碎，建筑物结构并没有被破坏，对人员不会造成危害，建筑物可以不用考虑抗爆的问题。

2) 在爆炸超压介于1～5 kPa的区域，房屋的结构会造成可以修复的较小破坏，混凝土建筑物框架不会出现变形，门窗玻璃部分破碎，但人员不会受伤。在中心控制室设计中可以采用不设抗爆墙的钢筋混凝土框架结构，但控制室的门窗不宜朝向爆炸危险区域，玻璃应采用安全玻璃，确保一旦门窗玻璃受爆炸冲击破碎后，碎片不会四散伤人。

3) 在爆炸超压介于5～20 kPa的区域，会导致受压面的门窗玻璃粉碎，房屋结构部分毁坏或坍塌，没有加固的空心砖墙壁粉碎，而且人员可能受伤。中心控制室的结构应按照可以承受20 kPa超压设计，外墙不宜开窗，门窗应按照抗爆门窗设计，室内设备应牢固安装，避免爆炸震动引起的损毁。

4) 在爆炸超压大于20 kPa的区域，建筑物受损严重，甚至完全被损坏。虽然在一定的爆炸超压范围内，设计合理的钢筋混凝土结构不会倒塌，但是如果条件允许，中心控制室不宜布置在该区域。

综合上述分析，建议在爆炸超压小于5 kPa的区域，中心控制室建筑物结构设计中不做额外的抗爆考虑，只按常规的钢筋混凝土框架结构进行设计，但门窗应采用安全玻璃。

3 蒸汽云爆炸超压后果的几种预测模型比较

蒸汽云爆炸后果的预测模型主要有数值模型、物理模型和关系模型，其中关系模型应用最广泛，包括有TNT等效当量法、TNO多能量法、Baker-strehlow法等。

API RP 752ManagementofHazardsAssociatedwithLocationofProcessPlantPermanentBuildings第6.3节指出：“在建筑物位置评估时，不能采用TNT等效法确定VCE荷载。TNT等效当量法对燃料反应差异或由于拥挤和限制造成的火焰扩散速度变化不加区别。并且所确定的TNT爆炸模型的当量和持续时间与VCE有显著差异”。API RP 752推荐采用TNO多能量法、Baker-Strehlow-Tang法、CAM法和CFD法。

有些文献对比了TNT等效当量法、TNO多能量法和Baker-strehlow法，发现与TNO多能量法和Baker-strehlow法相比，采用TNT等效当量法对爆炸后果的预测，在距离爆炸源较近时超压偏大，而距离较远时超压偏小。但当超压处于2.2～7.0 kPa时，三种模型计算出的距离相差不大[5]。TNT等效当量法适用于很强的VCE，且用以模拟爆炸远场时偏差较小，模拟爆炸近场时可能会高估VCE产生的超压[6]。

GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》第4.2.12条规定中心控制室为石油化工企业第一类重要设施，与工艺装置(单元)的距离应大于30 m，并且本文主要讨论建筑物可能承受的爆炸超压小于5 kPa的情况。因此，在本文讨论的范围内，采用TNT等效当量法得到的结果与其他VCE预测模型应基本一致。

API RP 752不推荐采用TNT等效当量法的原因，主要是由于VCE和TNT爆炸内部反应特征不同，用TNT等效当量法估算的爆炸当量、持续时间不准。本文不直接采用TNT等效当量法去估算石化装置VCE的当量和持续时间，而是运用空气中TNT爆炸冲击波超压衰减的规律，对不同规模VCE的冲击波衰减情况进行运算，从而得出距离爆炸源特定距离的可能爆炸超压值。

4 爆炸超压预测公式

立方根比例定律(又称为Hopkinson-Cranz比例定律)的内容： 两个几何形状相似但尺寸不同的同种爆炸物在相同的大气环境条件下爆炸，在相同的比例距离必然产生相似的冲击波。比例距离的表达式为

(1)

式中：Z——比例距离；m——炸药的TNT当量，kg；r——观测点距离爆炸中心的距离，m。

空气中爆炸冲击波峰值超压的常见预测经验公式，多数限定了比例距离的数值。在比例距离小于10时，各个公式均适用，且比例距离为1～10时，各公式的预测结果接近[7]。当比例距离大于10后，只有个别公式可用。其中，Brode(1955)的公式对比例距离的范围没有限定，可用于讨论距离爆炸中心较远的情况，所以笔者选择该公式计算冲击波超压与距离的关系，其公式如下：

(2)

(0.01≤Δp≤1)

式中： Δp——冲击波超压，MPa。

对于石化装置常见的烃类物质，由于爆炸中心处的爆炸超压一般在50～400 kPa，最高不会超过800 kPa[3]，因而选取Brode公式中爆炸冲击波峰值在1 MPa以下的算式，并将比例距离代入，得到如下算式：

(3)

5 爆炸超压与距离的关系

典型的化工装置VCE中，离爆炸中心30 m处受到的爆炸超压一般在200～800 kPa[3]。如果在式(3)中将该超压范围和距离代入核算，可得爆炸超压为200 kPa时，TNT当量约为4.7 t；爆炸超压为800 kPa时，TNT当量约为26 t。

API RP550第12.4.2条提到：抗爆结构的实际设计标准取决于存在的潜在条件和需要保护的程度。这种结构的定义就是建筑物能承受在30.48 m(100 in)以外装置的爆炸(爆炸的能量相当于907.18 kg(1短吨)的TNT炸药)，发生中等程度的结构损坏，但没有倒塌[6]。

选择TNT当量1，5，10，26 t，用式(3)计算爆炸冲击波超压(kPa)与距离(m)的对应关系，计算结果如图1所示。

图1 爆炸超压与距离的关系

从图1可以看出，对于典型装置的不同程度爆炸，超压1 kPa对应的距离约为350～1000 m，超压5 kPa对应的距离约为160～470 m，超压20 kPa对应的距离约为65～180 m。

石化装置的蒸汽云位置具有一定的不确定性，较难衡量爆炸中心的具体位置。从较严格的角度考虑，可将石化装置边界内作为爆炸中心区域。

当距离爆炸危险装置400 m以外时，笔者建议中心控制室采用非抗爆结构设计。因为文中对爆炸超压危害程度以及VCE效果都选择了较为苛刻的参数，所以当装置发生VCE时，该距离以外的最大超压一般会小于5 kPa，满足了非抗爆结构的设计条件。

图1中，在不同的爆炸规模下，超压5 kPa对应的距离是变化的，400 m对应着较大的爆炸规模，相对较为保守。根据企业工艺装置流程和平面布置的具体特点，在爆炸规模较小时，设计人员可以考虑选择较近的距离。

当然，以上提到的方法和数据仅用于自控设计人员估算，具体的爆炸超压数值应以安全专业人员提供的爆炸危险分析报告为准。

6 结束语

目前，越来越多的工程项目在建设中运用爆炸后果预测软件来评估项目中不同建筑承受的爆炸风险，有些项目还邀请DNV等国际知名的安全咨询公司从事该工作。

笔者没有采用对VCE后果预测更为精确的几种软件，也未考虑爆炸冲击波传播过程中地面障碍物的影响，只是采用尽可能严苛的数据和方法，推导出“距离爆炸危险装置400 m或爆炸超压小于5 kPa”作为中心控制室选择非抗爆结构的初步依据。这些数据只是初步估算，并且偏于保守。

每个项目的情况不同,在中心控制室的设计中，应根据安全专业人员提供的正式分析报告结果，合理选择控制室是否需要采用抗爆结构。

随着本质安全和人性化设计理念的逐步贯彻以及爆炸风险预测技术在国内的推广应用，业内对该问题的认识会更加清晰。相信在不远的将来，一定会出现更为准确和方便的方法来量化判断控制室是否需要进行抗爆结构设计。

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DiscussiononBlastResistantRequirementofCentralControlRoomforPetro-ChemicalEnterprise

Zhang Shaopeng1, Liu Xiuqin2

(1. CPECC East-China Design Branch, Qingdao, 266071, China；

2. Cooec-Enpal Engineering Co. Ltd., Qingdao, 266061, China)

The central control room (CCR) in petro-chemical enterprise is usually constructed with blast resistant. With the continuous expansion of enterprise，the production managerial functions of CCR are becoming more and more. To make indoor human comfortable, more and more enterprise prefer to use non-blast resistant structure for the CCR. The requirement of blast resistant for CCR has been disclosed in detail. With the quotation of some new research results in the fields of explosion overpressure effects on buildings, models for predicting the strength of vapor cloud explosion and propagation rule of explosion shock wave in the air, the relationship between explosion overpressure and blast resistant control room is discussed, and how to make the judgment on whether CCR could adopt non-blast-resistant structure based on the distance between CCR and explosion hazard plants are also discussed. Some preliminary parameters are recommended, and can be used as the reference for instrumentation designers.

central control room; blast-resistant structure; vapor cloud; blast shock wave; overpressure

稿件收到日期： 2013-04-15，修改稿收到日期2013-05-09。

张少鹏(1970—)，男，辽宁抚顺人，1991年毕业于大连理工大学自动控制专业，现就职于中国石油工程建设公司华东设计分公司电控室，任主任工程师、高级工程师，曾在《石油化工自动化》、《自动化博览》等刊物上发表论文多篇。

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1007-7324(2013)05-0007-05