联合站扩建工程火灾模拟分析

陈立海

长庆油田公司安全环保处

联合站扩建工程火灾模拟分析

陈立海

长庆油田公司安全环保处

本文针对化子坪联合站扩建工程，工艺系统可能的泄漏、扩散及火灾事故因素进行了分析，并利用三维CFD （计算流体力学） 模拟分析软件KFX模拟分析，掌握了扩建工程火灾事故可造成的危害的影响范围、主要设施之间的相互影响及对设施内固定场所人员的安全影响，为建设的可行性和后期运行管理提供依据。

建设项目；油气站场；火灾模拟分析

1 项目基本情况

化子坪联合站属于长庆油田公司，2004年11月投运，是一座集原油集输、计量、装卸、污水处理及外输为一体的联合站。联合站地处典型的陕北高原丘陵沟壑区，气候属中温带大陆性半干旱季风气候，全年主导风向为西北风，平均风速为3级（3.4~5.4m/s）占地43亩，按照功能和人员布置，可以划分为办公区、来油计量区、换热区、卸油区、5000m3储罐区、1000m3储罐区、200m3储罐区、外输泵房区、污水处理区等。为满足发展需要，联合站于近年进行了扩建，扩建内容包括5000m3沉降罐一座（在原5000m2罐区内）、80m2套管换热器一套。考虑到本身站点的危险性及周边环境，一旦发生火灾爆炸事故，可能威胁生产站场设施、周边站场和居民的安全，为弄清扩建设施与原油设施之间的相互影响，在可研前期利用国际上先进的三维CFD（计算流体力学）模拟分析软件KFX进行了模拟分析，从而掌握扩建工程和现有设施之间的相互影响，为后期建设和安全运行提供了可靠的依据。

2 危害因素识别

联合站主要物料为原油。在流程工业中，绝大多数火灾、爆炸事故都是由于可燃物料意外泄露，气体或挥发的蒸汽遇到引火源被点燃造成。

2.1 工艺泄露

造成物料从工艺设施中泄露的原因很多，归纳起来工艺泄露的原因主要有设备失效和操作不当。设备失效/故障可能是管线或容器的破裂或部分破裂，法兰或其他连接处的泄露，仪表连接和阀门等设备泄露。泄露的可能原因为包括外部破坏、材料缺陷、施工缺陷（焊接缺陷）、疲劳失效、腐蚀、维修不善等，操作不当可能包括：带压设备排污、放空或采样管线的操作不当、维修或测试后阀门的位置设置不当、超限充装或超压导致的过量放空等。此次火灾爆炸分析，工艺泄露主要考虑设备失效引发的泄露。

2.2 事故发展的流程

可燃物质泄露到外部后，根据泄露物质、点火源等情况的变化，从而更进一步衍生为不同的事故类型，如池火、闪火和爆炸等，由设备失效引发泄露并导致事故发生的过程如下图。本次火灾爆炸分析将考虑泄漏可能性和泄漏后果的严重程度来确定泄漏尺寸，并进行泄漏质量速率以及对应的火灾、爆炸后果等进行分析和计算。

3 泄漏情形分析

泄漏情形分析是进行CFD后果模拟的重要输入，其分析内容主要包括泄漏位置/设备选取、泄漏类型分析、泄漏速率计算等内容。

3.1 泄漏设备的选取

根据API RP 581和OGP数据库公开发布的设备失效数据库，联合站扩建工程中泄漏可能性较高的设备类型有：泵、储罐、换热器、阀门和管道。上述设备设施一旦发生油气泄漏，在一定条件下（如可燃气体浓度、点火源），泄漏的油气会被点燃，继而导致各类火灾、爆炸事故，在事故发生点周边的人员、设备、建筑物等会受到火灾、爆炸影响，考虑到本次分析的重点为改扩建设施与已建设施的相互影响，通过设备的平面布置可以得出，油气泄漏后果较为严重的设备设施，见表1。

表1 泄漏后果较严重的设备设施

3.2 泄漏类型及质量速率

根据API RP 581和OGP数据推荐的泄漏类型和对应破空尺寸，综合考虑泄漏频率和泄漏后果，分析选定大型泄漏（APT RP 581 2“-6”,OGP 50~150mm）和换热器初始质量泄漏速率18kg/s进行后果模拟分析（在计算中换热器泄露速率为89.7kg/s，由于联合站来油含水量约80%，因此换热器原油大泄露的泄露速率约为18kg/s）。一般认为其液池面积等于防火堤面积。

4 火灾爆炸分析

根据泄漏情形分析结果，采用三维计算流体力学（CFD）模拟软件对火灾后果进行模拟分析计算。其中，风场条件对火灾的后果影响较小，对气体扩散影响很大，为取得较为恶劣的事故后果，分析条件选定为平均风速（三级风，4m/s）；大气稳度选取中性稳定度（D级）进行火灾和扩散模拟。根据需要，分别对扩建5 000m3储油罐火灾后果、扩建换热器火灾后果、已建1 000m3储油罐火灾后果和已建换热器火灾后果进行了分析。

4.1 扩建设施火灾爆炸分析

在KFX火灾爆炸中，分别对一座5000m3储罐和一台套管换热器发生大泄漏（100mm孔径）导致的池液火灾进行了模拟分析。模拟，见表2。

表2 扩建储油罐火灾后果模拟

通过模拟可知，37.5kw/m2及以上的热辐射通量被限制在防火堤内；12.5kw/m2至37.5kw/m2的热辐射通量覆盖的范围很有限，在防火堤周围5m以内；4kw/m2至12.5kw/m2的热辐射通量可达到1000m2罐区和卸油区。

由表3的条件模拟可知，37.5kw/m2及以上的热辐射覆盖范围大致与池液覆盖的面积相同，可影响60m2的已建换热器和80m2的来油阀组、计量间；12.5kw/m2至37.5kw/m2的热辐射通量覆盖的范围很有限；4kw/m2至12.5kw/m2的热辐射可达到站外道路和卸油台。

表3 扩建换热器火灾后果模拟

4.2 已建设施火灾爆炸分析

在KFX火灾爆炸中，分别对一座1000m3储罐和一台套管换热器发生大泄漏（100mm孔径）导致的池液火灾进行了模拟分析，见表4。

表4 已建1000m3火灾后果模拟

通过模拟可知，37.5kw/m2及以上的热辐射通量被限制在防火堤内；小部分37.5kw/m2及以上水平的热辐射达到了防火堤5m左右的范围；12.5kw/m2至37.5kw/m2的热辐射覆盖范围达到了交接罐区的防火堤；4kw/m2至12.5kw/m2的水平的热辐射可达到交接罐。

表5 已建换热器火灾后果模拟

由表5条件模拟可知，37.5kw/m2及以上的热辐射覆盖范围大致与池液覆盖的面积相同，可影响60m2的已建换热器和80m2的来油阀组、计量间；12.5kw/m2至37.5kw/m2的热辐射通量覆盖的范围很有限；4kw/m2至12.5kw/m2的热辐射可达到站外道路和卸油台。

5 结论

根据CFD火灾模拟分析计算结果可以得出，联合站扩建工程可行，主要体现在：

（1） 联合站扩建设施的火灾事故对已建设施和周边设施及环境影响有限。

通过模拟分析可以得出，根据CFD火灾模拟结果和设备破坏判定标准（热辐射37.5Kw/m2），联合站扩建储罐和换热器发生大泄露（100mm）导致的池火灾会影响火灾的设施，如已建换热器和其他5000m3储罐，池火影响范围大致等同于液池范围，一般情况下不会影响到池液范围外的设施和周边环境设施。

（2） 联合站已建设施的火灾事故对扩建设施有和周边的设施影响有限。

根据CFD火灾模拟结果和设备破坏判定标准（热辐射37.5Kw/m2），联合站已建5000m3储罐大泄露会影响防火堤内的扩建5000m3储罐，已建换热器泄漏会影响池火范围内的扩建换热器、来油阀组和来油计量间，池火影响范围大致范围等同于液池范围，一般情况下不会影响到液池范围外的设施和周边环境的设施。

[1] Norweqian petroleum industry. Z-013,Risk and Emerfencey preparedness assessment[S].2010

[2] American Petroleum Institute.API RP 581,Risk-Based Inspection, Base Resource Document[S].2000