建筑物作为涉危企业保护层探讨＊

2024-03-15 10:31高玉格赵欣关磊黄涛席建

工业安全与环保 2024年2期

高玉格赵欣关磊黄涛席建

（1.中国安全生产科学研究院，北京 100012；2.中国寰球工程有限公司，北京 100012；3.云南云天化石化有限公司，云南昆明 650000）

0 引言

目前国内存在少量涉危企业为了保证洁净生产或者设备设施防冻保暖或者工艺技术保密等原因将装置等设备设施建设在建筑物内的情况。建设在建筑物内的装置，可以把建筑物作为保护层，一旦装置发生火灾爆炸或泄漏事故，建筑物可以有效防范事故扩大化，建筑物可以阻挡超压冲击波、热辐射和毒气对外界人员的伤害，例如《建筑设计防火规范［2018版］》（GB 50016—2014）［1］里列举了“ 两座库房的相邻外墙均为防火墙时，防火间距可以减小”。高玉格等［2］提出了城市涉氨使用企业将涉氨生产线建设在建筑物内，把泄漏的氨毒气控制在特制厂房内；中国氯碱工业协会在《关于氯气安全设施和应急技术的指导意见》（（2010）协字第070 号）里明确液氯贮槽应建设在密闭厂房里；挪威首都奥斯陆郊外的一处合营加氢站于2019 年6 月10 日发生爆炸，没有造成人员伤亡，从媒体报道提供的图片可以看出该加氢站建在抗爆围墙内。越来越多的轻工业、电子制造业、食品冷库业等涉危企业选址在大城市，随着工业生产智能化发展，采用机器人巡检、操作和应急［3-6］，通过建构筑物有效隔离风险，将使固有风险不高的企业进军大城市成为可能。

1 研究目的

本文针对一个外墙为防火墙的甲类库房距离厂外道路路边距离不足20 m 的情景，采用危险与可操作性分析（HAZOP）、保护层分析（LOPA）和Gexcon公司开发的泄漏及爆炸危害分析软件FLACS 进行事故后果模拟，探讨建筑物作为保护层的可能性。

2 软件FLACS 事故模拟的模型算法

Gexcon 公司开发的FLACS 爆炸模型建模时把现场已有场景放入模型中，在模型里考虑了各种影响因素，更接近真实事故发展状况，已得到全尺寸试验验证，在火灾爆炸事故后果模拟领域被广泛采用［7-11］。FLACS 考虑了化学反应和湍流耦合，建立了守恒方程，在方程中变量参数包含了流体特征的质量、动量、能量以及组分，采用有限体积法并配合边界条件，在三维笛卡尔网格下求解，包括燃料消耗量、燃烧产物、火焰速度、热辐射通量以及超压等变量的值，详见如下方程：

3 研究方法

3.1 以某企业的库房为例

某企业火灾类别为甲类的1 号库房，西侧外墙距离厂外道路路边距离16 m，不满足《建筑设计防火规范（2018 年版）》（GB 50016—2014）［1］的20 m 要求，该库房的外墙为单层钢架结构式防火墙，墙体为200 mm厚加气混凝土砌块墙，库房墙体耐火极限大于2h。库房内设防火堤，防火堤宽8.8 m、长10 m、高1.75 m、厚200 mm，防火堤内设有2 个卧式常温常压储罐，罐体材质为314 不锈钢，储存介质为戊烷，每个罐体积50 m3，罐顶设有呼吸阀和氮气密封，2 个储罐之间设有隔堤，储罐顶部设有消防水喷淋，呼吸阀连通室外挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）处理系统。为了确保安全，企业采取了通过降液位至40%以下的减量生产措施。

3.2 HAZOP 分析和LOPA 分析［12］

以1 个戊烷储罐为节点，进行HAZOP 分析，以3 个偏离（戊烷储罐压力高、戊烷储罐液位高和戊烷储罐泄漏）为例，HAZOP记录详见表1（风险矩阵参考《中国石化安全风险评估指导意见》（中国石化安风［2018］38 号）［13］。

表1 HAZOP 记录

由HAZOP 分析发现戊烷储罐压力高和戊烷储罐液位高风险等级都是D5，即高风险，可能导致火灾爆炸，戊烷储罐压力高设有5 个保护层，例如戊烷罐顶设有呼吸阀，压力高，可以通过呼吸阀将气体排出储罐；戊烷罐顶设有压力远传高报警，一旦储罐压力报警，操作人员参与处理，关闭氮气进入储罐的阀门等。戊烷储罐液位高有4 个保护层，例如在戊烷罐上有差压式脉冲液位计和触点式液位计，液位高报警，高高（1OO2）联锁停戊烷罐卸料泵。这些保护层的作用通过进一步进行LOPA分析，半定量给出各层保护措施有效性。本文LOPA 记录格式参见《保护层分析（LOPA）方法应用导则》（AQT 3054—2015）［14］表E.3 化工行业典型IPL（独立保护层independent protection layer）的PFD（要求时的失效概率probability of failure on demand）。LOPA 分析方法依据《过程工业领域安全仪表系统的功能安全第3 部分：确定要求的安全完整性等级的指南》（GBT 21109.3—2007）［15］附录F。LOPA 记录见表2。

表2 以戊烷储罐和库房内活动人员为保护目标的LOPA 记录

由LOPA 分析发现：

（1）针对戊烷储罐压力高工况，保护措施能够满足要求，不仅可以保护戊烷储罐和戊烷储罐周围活动人员安全，也可以使建筑物不被破坏。

（2）针对戊烷储罐液位高：戊烷储罐上设有2 个远传液位计，液位高高联锁停戊烷储罐进料泵，要求安全仪表功能等级为SIL1。

（3）针对戊烷泄漏，可燃气体报警仪报警，操作人员进库房采用防爆器具收集泄漏出来的戊烷，将泄漏储罐中的戊烷倒到另一个储罐里。该偏离保护措施不足，不能完全削减风险，故建议企业增加非SIS 之外保护系统，例如选用不易腐蚀的材质，每年进行静密封点泄漏检测和设备完整性检测等。

针对库房外人员是否安全，进一步做LOPA分析。

以库房外和厂外道路上活动人员为保护目标的LOPA 记录见表3，通过对比，针对戊烷储罐压力高和戊烷储罐液位高这2 种工况，又增加了库房防火墙这个保护层，故保护层不仅仅满足要求，还有剩余。针对戊烷泄漏，仍然不能确定库房外和厂外道路上活动人员的安全性，需要根据库房里储存戊烷的量进一步做事故后果模拟。

表3 以库房外和厂外道路上活动人员为保护目标的LOPA 记录

3.3 FLACS 事故后果模拟

采用挪威三维CFD 软件FLACS 模拟戊烷泄漏引发火灾爆炸事故后果。

3.3.1 蒸气云爆炸

蒸气云爆炸模拟条件：戊烷储罐管线发生破裂，泄漏流量为5 kg/s。通过扩散模拟可知，泄漏发生4.9 s 时，处于爆炸极限的可燃气体已覆盖戊烷库房一半的体积；泄漏发生16 s后，处于爆炸极限的可燃气体已基本充满整个库房。模拟假设库房内充满戊烷气体后发生蒸气云爆炸。库房东墙设有10 扇玻璃窗和北墙设有1 扇玻璃窗（图1—图2），按照GB/T 37243—2019 附录G.3 可知，玻璃破裂的典型压力为1.03 kPa，故设定玻璃窗为减压面板。当库房发生蒸气云爆炸时，最大的爆炸超压值为6.580 7 kPa，详见图3。东墙上10 扇玻璃窗承压较低会先破裂泄压，库房内最大超压值约在3 kPa 左右，见图4。库房外爆炸超压俯视图和侧视图见图5—图7。

图1 东墙设有10 扇玻璃窗

图2 北墙设有1 扇玻璃窗

图3 库房内爆炸超压模拟后果

图4 库房玻璃破损后火焰喷射图

图5 库房外爆炸超压俯视图

图6 库房外爆炸超压侧视图（左视图）

图7 库房外爆炸超压侧视图（右视图）

由图5—图7 可知，当发生蒸气云爆炸导致库房玻璃破损时，室外最大超压值为1.1 kPa，主要影响集中在库房东侧及北侧区域，靠近厂外道路的西侧防火墙体，无玻璃窗户，故无超压泄出。

蒸气云爆炸模拟结果不会影响厂外道路上活动人员和车辆。

3.3.2 池火灾分析

假定储罐全破裂，泄漏至防火堤内的戊烷立即被点火，事故模拟分为火灾发生时开启和关闭事故通风2 种情况。

3.3.2.1 发生池火时开启事故风机

对软件模拟过程进行截图分析，分别截取了8.8 s（此时火势开始变大变强，库房顶外部能看到烧穿房顶的小火焰）、11.2 s（此时火势最强，库房顶外部能看到强势的火焰）、22 s（此时火势开始由强变弱，库房顶外部能看到火势衰减火焰）和115 s（此时火焰开始熄灭，库房顶外部看不到火焰）时厂房内和厂房外燃烧情况，详见图8—图15，从截图和对应数据可以看出，燃烧情况到22 s时达到最强，之后慢慢衰减，到115 s，库房顶部已经看不到火焰。