中心控制室抗爆模型选择与计算

夏兰生

(中石化宁波工程有限公司,浙江 宁波 315103)



中心控制室抗爆模型选择与计算

夏兰生

(中石化宁波工程有限公司,浙江 宁波 315103)

摘要：针对中心控制室的功能不断强大，中心控制室抵御爆炸的要求更加严格的问题，通过对爆炸的特点、模型及其计算方法等进行研究和比较，同时结合爆炸力计算方面的相关实例，研讨适合工程设计使用的爆炸计算模型以及计算方法，为石油化工厂中心控制室抗爆结构的设计提供计算依据。

关键词：中心控制室抗爆模型

1概述

石油化工厂中心控制室是全厂的心脏，是控制、操作、事故处理中心，是人员集中场所，是工艺过程的总指挥和安全生产的中枢，尤其联合装置或几个装置的联合控制室更是如此。

在新建或扩建石油化工装置时，如不进行装置安全风险分析，对需要进行抗爆设计的控制室不采取抗爆措施，一旦装置发生爆炸，将造成重大人员财产损失，后果不堪设想；同时控制系统的失灵，还可能引发更大的次生灾害，因而国内外不少石油化工装置对控制室都进行了抗爆设计。

所谓抗爆设计，就是要使控制室的外墙和屋面设计能抵抗爆炸产生的空气冲击波的破坏，保证其正常功能的发挥。爆炸产生的冲击波大小和作用时间的长短是控制室抗爆设计的一个关键问题，因而有必要对爆炸计算模型以及计算方法进行研讨，为石油化工厂中心控制室抗爆结构的设计提供计算依据。

2爆炸及其破坏效应

2.1爆炸的基本概念

爆炸即导致压力快速增加的现象，是一种极其迅速的物理或化学能量的释放过程。在此过程中，物质的体积在极短时间内急剧膨胀而对外界做功，致使周围气压急剧增大并会造成人员伤亡和财产损失。

爆炸过程呈现两个阶段： 在第一个阶段，物质的潜在能量以一定方式转化为强烈的压缩能；在第二个阶段，压缩能急剧向外膨胀，在膨胀过程中对外界做功，导致被作用物体产生较大的变形、移动，乃至破坏。

2.2爆炸分类

根据爆炸的性质和特点，爆炸可以分为不同的种类，如图1所示。

2.3爆炸的破坏形式

爆炸与爆炸物的数量和性质、爆炸时的条件以及爆炸位置等因素有关。爆炸主要的破坏形式有震荡作用、冲击波、碎片冲击、造成火灾。爆炸源于能量的迅速释放，能量使气体迅速膨胀，压迫周围气体退后，并促使压力波由爆炸源迅速向外移动，压力波含有能量，会对周围环境产生破坏。对于石油化工厂，来自爆炸的很多破坏都归因于该压力波。

图1　爆炸的分类

2.4影响爆炸的重要参数

可燃气体爆炸是一个复杂的物理化学过程，涉及因素众多，其中主要的影响因素有可燃物的特性、周围环境、天气情况以及点火源特性等。爆炸模型主要分为两类： 以经验数据为基础的经验模型；基于流体力学方法的模型。基于经验数据为基础的模型有： TNT当量法、 TNO Multi-Energy(ME)方法及 Baker Strhlow Tang(BST)方法；基于流体力学方法的模型有： Autoreagas， FLACS及 EXSIM法。

基于流体力学方法的模型在计算爆炸的精度上比经验方法更有优势，但由于经验法需要的数据较少，且计算比较简单快速，因而目前应用比较多的主要是基于经验数据的经验模型，笔者就这三种经验模型进行重点介绍。

3抗爆模型

3.1TNT 当量法

3.1.1模型介绍

由于将爆炸的破坏作用根据能量转化成TNT当量比较简单，TNT当量法常被用来进行爆炸的预测与评估。TNT当量法预测蒸汽云爆炸的基本原理如下：

(1)

式中：W——TNT 当量,kg;η——爆炸效率，量纲一的量；m——可燃物的总质量，kg；Ec——可燃物的燃烧热，kJ/kg；ETNT——TNT的爆炸能量，4190～4650kJ/kg。

已知TNT 当量，就可以知道爆炸在不同距离产生的冲击波超压以及带来的破坏程度。爆炸在不同距离产生的超压比拟值可以从经验图中查出。

对于典型的爆炸，在一个固定位置处爆炸产生的超压随时间的变化情况如图2所示。其重要参数为冲击波产生的超压p0，冲击波的到达时间ta，冲击波的持续时间td，爆炸导致的正压所产生的冲量ip。冲量可以通过下式进行计算：

(2)

图2　固定位置处爆炸超压随时间的变化情况

TNT当量法已经被很好地用来进行爆炸后果的研究，上述参数和比拟距离Z的关系参考文献中“TNT当量法参数计算图”。该图中的数据仅适用于敞开环境中的远高于地面的爆炸，对于发生在地面上的爆炸，由于地面的反射作用，应在图中得到的超压值乘以2。发生在化工厂中的大多数爆炸都被认为是发生在地面上的。

Z由以下公式定义：

(3)

式中：R——距离爆炸源的距离,m。

3.1.2爆炸效率的选择

爆炸效率是TNT当量法考虑的主要问题之一。爆炸效率是经验值，在很多文献中，对于可燃蒸汽云，爆炸效率在1%～10%，也有一些研究表明对于丙烷、二乙醚和乙炔的蒸汽云，其爆炸效率分别为5%，10%，15%。

3.1.3使用步骤

TNT当量法的步骤： 确定参与爆炸的可燃物质的量；确定爆炸效率，计算爆炸当量。通过比拟距离，在文献中的“当量法参数计算图”中查找爆炸产生的超压值、冲击波的到达时间和持续时间。

3.2ME方法

3.2.1模型介绍

作为TNT当量法的发展，1982年Wiekeam提出了新的模型。针对TNT当量法忽视爆源性质的缺点，Wiekeam提出的模型考虑了可燃气体活性对爆炸强度的影响，按活性把气体分为高、中、低三类加以区别。

1985年，VandenBerg提出了ME模型，它在Wiekeam提出的模型基础上，又综合考虑了湍流加速、部分受限等因素对爆炸强度的影响。其基本概念是： 在气体爆炸中，只有处于相当程度封闭或局部受限的那部分气体才产生显著的爆炸效果，其余部分只会缓慢燃烧而对爆炸后果没有贡献。从理论上解释为可燃气体爆炸过程中，湍流强度和燃烧、超压之间相互影响作用很大，在火焰传播中受到限制越大，湍流与燃烧及超压产生正反馈作用越强，形成的冲击波强度越高，气体爆炸的破坏力也就越大。

3.2.2使用步骤

1) 确定可燃气体云团的位置和受限的体积，首先要使用扩散模型确定可燃气体的扩散范围。

2) 分析可燃气体覆盖范围内的障碍物的分布情况，确定气体的受限区域。

3) 在被可燃气云覆盖的范围内，确定引起强烈冲击波的潜在源。强烈冲击波的潜在源包括： 拥挤的空间和建筑物(如： 炼油厂和化工厂中的设备、平台和框架等)；延伸的平行平面之间的距离(如： 多层平台之间的空间)；管状结构内的空间(如： 管道，走廊等)；由于高压泄放导致的喷射中的可燃物—空气混合物的剧烈动荡。

4) 估算可燃物—空气混合物所释放的能量。

5) 一旦估算出单个的当量可燃物—空气混合物所导致的能量E和初始爆炸强度，那么在计算出Z后，距离爆炸源R处的比拟爆炸侧向超压和正压持续时间，可从文献所示的“比拟超压和比拟持续时间图”中查到。

ME方法的比拟距离可通过下式进行计算：

(4)

ME方法的最大侧向超压可通过下式进行计算：

(5)

ME方法的正相超压持续时间可通过下式进行计算：

(6)

3.2.3初始爆炸强度的选择

爆炸强度的选择是影响使用ME方法的主要因素，下面列出了一些可以使用到的爆炸强度的选择方法。

TNO公司建议将可燃物覆盖区域划分为受限区域和非受限区域。对于每个受限区域选择10作为初始爆炸强度；对于非受限区域，选择低的初始爆炸强度进行模拟，爆炸强度为1。但是由于可燃物运动引起的扰动，可能增加爆炸的强度，建议选择3作为初始爆炸强度。

3.3BST方法

3.3.1模型介绍

3.3.2使用步骤

BST模型的使用步骤和ME模型基本相同，具体步骤如下：

1) 确定可燃气体云团的位置和受限的体积。

2) 分析可燃气体的受限程度。

3) 分析可燃气体覆盖范围内的障碍物的分布情况。

4) 根据可燃物的反应活性、受限情况和障碍物的阻塞比率从相关文献中查出爆炸的火焰传播速度。

5) 计算可燃物—空气混合物所产生的能量E。

通过计算比拟距离后，距离爆炸源R处的比拟爆炸侧向超压和冲量，可从文献所示的“比拟超压曲线和比拟冲量曲线”中查到。

BST方法的比拟距离和最大侧向超压计算可通过式(4)，(5)进行。

BST方法的正相超压持续时间可通过下式进行计算：

(7)

BST方法的正相超压持续时间可通过下式进行计算：

(8)

3.3.3冲击波及冲量计算

在确定火焰传播速度后，可以通过文献查出爆炸的比拟超压大小和比拟冲量，从而根据3.3.2 节中的公式计算冲击波超压大小和持续时间。需要注意的是： 文献中的比拟超压和比拟冲量曲线是根据自由空间爆炸的数据制作。因此，在计算近地面的爆炸时，需要对爆炸能量乘以系数2后再计算比拟距离。

4模型的比较与选择

4.1模型所需数据

通过前面的模型介绍可以看出，这几种爆炸模型都可以计算出爆炸冲击波的大小。但是，不同的模型在计算冲击波大小时需要的数据不同，复杂的程度也不同。从所需要的数据来看，TNT当量法所需要的数据最少，ME方法和BST方法所需要的数据相对较多，数据的获取相对困难，更多地依靠人员的判断，为计算结果增加了更多的不确定性。

TNT当量方法的优点是比较简单、使用方便，但是可信度太低。例如，Gobert和Lannoy(1982)，Lannoy(1982，1984)曾经对23起事故中的120个破坏点进行统计分析，结果发现TNT当量效率η分布在0.02%～15.9%；当量效率低于10%的情况占97%，当量效率近似于4%的情况占60%。显然，η值过于分散，实际应用中，偏差太大，不适合用于预测气体爆炸强度。

4.2计算结果比较

为了比较这几种模型的区别，本文通过一个爆炸场景来说明：

假设在一个半受限的空间中有500kg的丙烷,丙烷和空气完全混合。通过计算可以得到爆炸在不同距离所产生的压力，如图3所示。图中的曲线分别是使用TNT当量法、ME和BST方法计算的。计算参数的选择如下：

对于TNT 用爆炸效率10%进行计算； ME方法选用初始爆炸强度为5进行计算； BST方法使用Mw=0.25进行计算。

图3　不同爆炸模型产生的压力对比

通过图3可以看出，TNT当量法所计算的爆炸压力随着距离的变化衰减得很快，且在近距离时计算出的压力非常高，这是因为可燃气体爆炸与TNT爆炸有本质的区别： TNT爆炸的爆炸源体积可忽略，而可燃气云的体积较大，不能忽略，且随着爆炸的进行爆炸源体积在增大；TNT爆炸时能量是瞬间释放的，而气云爆燃过程中能量的释放速率有限；TNT爆炸过程形成的冲击波强度大，但衰减速度快，而气云爆燃压力波强度较小，升压速度和衰减速度均较小，所以TNT当量法往往高估了气体爆炸近场的超压，而低估了远场的超压。气体爆炸过程，在不受限的条件下，超压较低，在受限空间爆炸时超压升高，TNT当量法没有考虑这些影响。因此，TNT当量法只适用于很强的气体爆炸，且用以描述远场时偏差小，用于近场时偏差较大。

所以，采用TNT当量法预测可燃气体爆炸强度，很可能高估了冲击波峰值超压，这将导致对建筑物结构响应的错误预测，限制了该方法的应用前景。因此，在API RP 752“Managementofhazardsassociatedwithlocationofprocessplanpermanentbuildingsthirdedition”中不推荐使用TNT当量法进行建筑物爆炸载荷的计算。

而ME方法和BST方法都考虑到了TNT当量法所忽略的问题，相对于TNT当量法更加适合于气体爆炸的计算。这两种方法在所需数据以及该模型的概念方面基本上是相似的，但又存在细微的差别，表1列出了两种方法的相似与不同之处。

通过对这两种方法的选择与使用，推荐使用ME方法。代表性的有BP和EXXON。此外，SHELL 使用的CAM2模型也和ME模型有着许多相似的地方。

由于使用BST模型时，可以借鉴的参数和使用导则、案例等相对于ME模型少，在使用过程中相对存在更多的不确定性，因而建议使用ME模型。

4.3ME模型的应用

为了确定中心控制室抗爆所采用的设计依据，首先要进行安全分析以确定潜在的泄漏源。对于化工装置，可能的泄漏源一般包括高温、高压的反应器、储存容器及其相连的管线和机泵、压缩机等。

表1　BST方法与ME方法的区别

分析的时候必须考虑装置布置的拥挤程度，有时在比较温和的工艺条件下也可能因为布置过密而产生较大的爆炸冲击波。但无论什么时候都应对反应器、高压容器等设备区域进行特别的关注。

识别出潜在的泄漏源后，需要对泄漏源分别进行泄漏和扩散计算，以确定蒸汽云的体积和分布区域。一般情况下，计算爆炸冲击波大小时，可假设泄漏部位的当量直径为25.4 mm(1 in)，不考虑灾难性的大尺寸管道断裂和容器的灾难性破裂。

为了较为精确地计算爆炸冲击波的大小，需要考虑风速、风向等因素的影响以便获得合适的蒸汽云体积及蒸汽云的形状。通常可通过专业的软件来进行扩散计算，以获取蒸汽云的覆盖范围和体积。进行爆炸计算时，除了考虑在泄漏源附近发生爆炸外，还要考虑蒸汽云扩散到其他受限区域发生的爆炸，比如正常情况下不会发生可燃物泄漏的区域。

根据对相关资料的研究、相关单位的经验以及ME方法的特点，该方法在中心控制室抗爆设计过程中的应用过程可按图4进行操作。

图4　ME模型应用流程示意

5结论

通过本文前几个章节的说明、对比，ME方法在计算爆炸冲击波方面能更好地模拟气体爆炸所产生的冲击波的大小；可以借鉴和使用导则、案例等相对较多，减少了参数选取过程中人为因素带来的不确定性；便于在同类型工程中借鉴相关单位的经验。使用ME方法对中心控制室抗爆进行计算，能使控制室抗爆设计依据更加充分，可以提高中心控制室抗爆设计的可靠性，保障中心控制室的人员和设备安全。

由于冲击波作用的大小与装置的性质、控制室的位置及其与爆炸源的距离密切相关，不同的装置、同一装置不同的位置、爆炸源与控制室间不同的距离，爆炸时产生的冲击波对控制室的作用都不一样。不区分装置的性质、不考虑控制室与主爆炸源的远近而取固定的冲击波参数显然不符合实际情况，这些都是设计人员在计算冲击波时要格外注意的问题。

参考文献：

[1]CCPS. Guidelines for Consequence Analysis of Chemical Releases. CCPS, 1999.

[2]VAN DEN BOSCH CJH, WETERINGS RA PM. Methods for the Calculation of Physical Effects. Netherlands： (Yellow Book), CPR 14E, 1997.

[3]WOODWARD J L, PITBLADO R. LNG Risk Based Safety： Modeling and Consequence Analysis. New Jersey： John Wiley & Sons, Inc. 2010.

[4]孙成龙.浅谈石化装置建筑物的抗爆设计.石油化工设计,2007,24(04) 55-57.

Anti-explosion Model Selection and Calculation of Center Control Room

Xia Lansheng

(SINOPEC Ningbo Engineering Company Ltd., Ningbo, 315103,China)

Abstract：With being stronger of central control room function, aiming at the problem of stricter requirement of blast resistant for central control room, explosion calculation models and methods suitable for engineering design are discussed through study and comparison of characteristics, models and calculation methods for explosion with combination of relative cases in the aspect of explosive force calculation. It provides calculation basis for blast resistant structure design of central control room in petroleum chemical plants.

Key words：central control room; blast resistant; model

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)02-0007-05

作者简介：夏兰生(1966—)，男，甘肃兰州人，1990年毕业于清华大学环境工程系，就职于中石化宁波工程有限公司，从事石油化工建设项目的HSE设计工作，任副总工程师、高级工程师，已发表论文多篇。

稿件收到日期： 2015-01-15。