崔巍
中国化学赛鼎宁波工程有限公司 浙江 宁波 315000
近年来,我国石油化工行业的安全形势严峻,石油化工企业存在大量的危险化学品或高压物料,极易发生爆炸,一旦发生爆炸,会对周边设施及建筑物的造成损坏、重大财产损失和人员伤亡。因此,国家针对此类情况密集出台了一系列的管控方法和策略。从《全国安全生产专项整治三年行动计划》(国务院安委[2020]3号)下发以来,全国各地危化企业对控制室,办公楼等人员密集场所等开展了一轮抗爆改造、搬迁的行动。如何确定建筑物的抗爆能力?”对企业至关重要。建筑物的抗爆计算涉及的理论知识较为复杂、计算输入条件较多,使用计算工具较为复杂,以某化工厂球罐泄漏爆炸对附近控制室的安全影响为实例,简单介绍一下抗爆计算的方法[1]。
以某化工厂球罐组2000m3环氧丙烷罐作为假定泄漏主体,对附近控制室进行抗爆分析。
球罐组设置有可燃气报警,并在进出口设置了比较完善的安全联锁系统,一旦有泄漏发生,可以及时发现并在短时间内控制泄漏事故,因此泄漏时间可确定为<0.5h。
球罐的泄漏点为物料进出口、排污口、液位计口的法兰密封面破损泄漏,最大管口口径DN100。根据《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》(GB/T37243-2019),我们选择10mm的中孔泄漏模拟泄漏情况[2]。
根据《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》(GB/T37243-2019)附录D.1.2液体经储罐上的孔流出公式计算:
D.1.2 液体经储罐上的孔流出瞬间质量流率可按照式(1)计算
式中:Qm—质量流率,单位为,kg/s;P—储罐内液体压力,为绝对压力,Pa;P0—环境压力,为绝对压力,Pa;g—重力加速度,取9.8m/s2;A—泄漏孔面积,m2;ρ—液体密度,kg/m3;h1—泄漏孔上方液体高度,m。
参数:P=3.0*105Pa,P0=1.01*105Pa,C0按照计算结果最大化取1.0,ρ=859kg/m3
按照满罐 取h1=14m,泄漏时间按照t=0.5h。
中孔泄漏1 0 m m,A=7.8 5×1 0-5m2Qm=1.834kg/s Q1=1.834×0.5×3600=3302kg/30min
本次计算采用挪威船级社(DNV)的事故后果模拟仿真系统(PHAST)软件对厂区环氧丙烷储罐泄漏发生蒸汽云爆炸的事故进行模拟分析[3]。
参数:
设备名称:环氧丙烷储罐
危险物料:环氧丙烷
容积:2000m3
操作温度:25℃
操作压力:0.3MPa
相对蒸汽密度(空气=1):2.0
泄漏点距地面高度:3m
泄漏孔径:10 mm
泄漏时间:约0.5h
环氧丙烷罐防火堤高度:1.2m
大气条件:风速1.5m/s,大气稳定度F(风速越大,相对范围内可燃气浓度越低,爆炸造成的影响越小,因此选择较苛刻的情况,风速定为1.5m/s)
根据泄漏模型模拟云团如图1、图2所示:
图1 10mm泄漏云团(侧视)
图2 10mm泄漏云团(俯视)
图3 10mm中孔泄漏蒸汽云爆炸冲击波超压值与距离
从图1云团侧视图可知,泄漏的环氧丙烷从罐底部泄漏点泄漏到地面上,因环氧丙烷气体密度大于空气,环氧丙烷蒸汽在液体表面上空逐渐形成较稳定的蒸汽云团,蒸汽云厚度约0.8~1.0m。根据图1、图2的图形面积估算爆炸性气团体积约1000m3。环氧丙烷液体落地位置与泄漏点水平距离在15m以内,并且环氧丙烷罐组防火堤内体积约为3693m3远大于气团体积1000m3可确定蒸汽云团基本处于防火堤范围内[4]。
根据《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》(GB/T37243-2019),蒸汽云爆炸选用TNO模型进行计算,其原理如下:
TNO方法计算包括以下步骤:
a)进行扩散计算,确定可燃气云的范围。
b)进行区域检査,确定拥挤的区域。
c)在被可燃气云覆盖的区域内,确定引起强烈冲击波的爆炸源。
d)通过下列步骤,估算区域内(作为爆炸源)燃料-空气混合物的燃烧能。
爆炸源的燃烧能按下式计算。
式中:E—爆炸源内燃料-空气混合物的燃烧能,J;Vs—爆炸源中燃料-空气混合物体积,m3;
e)估计爆炸源的强度R0,取值范围为1~10;
f)比拟距离按R1下式计算;
式中:
R1—爆炸源的比拟距离(无量纲);R—距爆炸源中心的距离,m;E—爆炸源的燃烧能,J;P0—环境大气压,Pa;
g)计算爆炸超压
根据已定的比拟爆炸超压ΔPS,爆炸超压按下式计算;
式中:p—爆炸超压,Pa;ΔPS—比拟爆炸超压(无量纲);p0环境大气压,Pa。
上述计算步骤中,步骤a、b、c在2.2已完成,步骤e 爆炸源的强度取值为3(罐区),其余步骤均由PHAST软件完成计算[5],结果如下:
(1)10mm中孔泄漏蒸汽云爆炸模拟
发生模拟设定的事故时,爆炸冲击波在不同距离的超压值如图3所示。
根据《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》(GB/T 37243-2019)表G.3。环氧丙烷罐10mm中孔泄漏爆炸后对附近控制室产生的冲击波超压值为2.4kPa小于2.76kPa有限的较小结构破坏,因此不会对控制室结构产生大的影响[6]。
表1 超压值
抗爆分析在如今的石油化工行业安全设计中越来越重要。而抗爆计算是一项复杂的工作。通过软件的计算只是一个方面,更重要的是在计算爆炸冲击波,计算是否超压的时候,要充分考虑各种影响因素,例如地面凹凸不平以及一些阻碍物都会影响最终的计算结果。同时也要考虑事故发生的概率,对后果的风险进行恰当的认定评估,这也是决定建筑物是否需要抗爆的一大重要因素。