基于ALOHA软件城镇天然气管道泄漏后果分析

金友平, 单 克, 周吉祥, 王文想, 黄亚海

(深圳市燃气集团股份有限公司, 广东 深圳 518049)

1 概述

据国家能源局发布的《中国天然气发展报告(2023)》[1],截至2022年底,我国长输天然气管道总里程达到11.8×104km,“全国一张网”建设工作正在加快推进。然而,燃气管道之间或燃气管道和其他管道之间的相互交织,风险也越来越高,燃气管道泄漏产生的后果也很严重。2017年7月,位于贵州省黔西南州晴隆县的中石油燃气管道发生全管径断裂引发燃烧爆炸,据事故调查报告,死亡8人,重伤35人[2]。2018年6月,中石油中缅天然气输气管道因管道焊接失效引发管道断裂,发生重大管道燃爆,造成1人死亡,23人受伤[3]。2019年3月,中石油泰青威天然气管道发生泄漏,引发燃气爆炸事故,事故没有造成人员伤亡,但造成直接经济损失905×104元[4]。燃气管道的泄漏会造成人员伤亡和大量财产损失,爆炸产生的有害气体会严重污染环境,对社会造成一定的恐慌。

国内有诸多学者对燃气管道泄漏后果进行了深入的研究。崔红伟等人[5]对天然气管道工程案例运用ALOHA软件模拟了泄漏后果,证明了ALOHA软件对燃气管道泄漏后果分析的可行性。王嵩梅等人[6]对城镇地区的燃气管道进行泄漏后果研究,运用ALOHA软件对事故后果进行了模拟验证,并结合个人风险等值线提出安全防控措施。马庆春等人[7]研究了管道泄漏的多种后果,并将模拟结果直接显示在地图上,更加清晰地描述了管道的泄漏情况。李云涛等人[8]对天然气管道全管径断裂泄漏运用多种模拟软件进行验证,并对比了软件之间的差异,得出了天然气管道全管径断裂的事故影响范围。

对燃气管道泄漏的研究,主流软件有很多,如三维软件FLACS、FDS、FLUENT等,基于简化模型、经验公式的二维软件如DNV-PHAST、ALOHA、TNO-EFFECTS等。三维软件和二维软件各有优缺点,三维软件能够考虑地形和建筑物对扩散的影响,计算的精度较高,但计算时间长,不能适用突发的应急状况。二维软件计算速度快,在短时间内就能给出影响范围,但计算的精度较低,也未能考虑地形和建筑物的影响。基于以上分析,本文选择ALOHA软件对燃气管道泄漏的后果进行分析,ALOHA软件在计算泄漏后果影响区域方面具有显著优势,能够快速给出影响范围,对爆炸、燃烧和泄漏都能快速得出结果[9]。

2 ALOHA软件介绍

ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)软件中设置了约1 000种常见的化学品,并且考虑了环境条件,如风速、大气湿度、是否有建筑物遮挡等。软件中气体泄漏有多种模型,如气体闪蒸模型、喷射火燃烧模型、气云混合爆炸模型等[10]。另外,软件中化学品泄漏有管道泄漏、储罐泄漏以及直接点燃泄漏3种方式可模拟,其结果主要通过风险区域等级划分来呈现。ALOHA软件在气体泄漏后果研究中被广泛使用,其简单的操作流程、清晰明了的结果受到众多科技工作者的青睐。本文以ALOHA软件为基础,对燃气管道的泄漏后果进行了研究。

3 事故情景构建

本文选取国内某城市天然气管道进行泄漏后果研究。天然气管道总体线路图见图1,图中蓝线为天然气管道,红线为轻轨。从图1可以观察到,天然气管道穿越城市中心区,并且还穿越了轻轨和铁路。处于人员密集地区的天然气管道一旦发生泄漏,遇静电火花、点火源可能发生燃烧或爆炸。从管道中泄漏的天然气如果随即被点燃将会发生喷射火燃烧,喷射火对人体产生伤害的形式主要是热辐射。如果泄漏的天然气未被立即点燃,而是逸散到空气中,遇到点火源,会发生蒸气云燃烧或蒸气云爆炸。本文主要分析管道泄漏后产生喷射火的后果区域、天然气体积分数和蒸气云燃烧的风险、蒸气云爆炸后果影响范围,并提出管道保护区域建议。

图1 天然气管道总体线路图(软件截图)

3.1 环境条件

ALOHA软件相对于其他软件一个显著优势就是可以自行设置全球各个地方的环境。本文所模拟的位置为天然气管道和轻轨交叉处。假定建筑都是单层建筑,也没有其他遮盖物遮挡周围环境,风速设定为5 m/s,风向为东南风。大气环境温度设置为20 ℃,大气压力为101 325 Pa,大气相对湿度为50%,云量为50%,大气稳定度为D级。

3.2 管道本体条件

在ALOHA软件中,泄漏源选择天然气管道,天然气组成为纯甲烷。天然气管道外直径为150 mm,不考虑壁厚。管道运行压力为0.4 MPa,管道长度为1 000 m,为直管段,水平放置在地表,两端密封。假定管道内壁为光滑壁面,天然气温度设置为20 ℃。管道泄漏选择全管径断裂泄漏方式,在管道中点位置竖直方向整体断裂,气流竖直向上喷出。泄漏天然气质量流量见图2。泄漏过程结束的条件是管道压力达到大气压力。ALOHA软件为二维分析软件,观测管道上方3 m处平面泄漏后果影响范围,以管道中点竖直向上3 m的位置为原点,x轴正向与风向相同。

图2 泄漏天然气质量流量

4 事故后果分析

4.1 喷射火后果分析

天然气管道发生全管径断裂后,天然气泄漏出来被立即点燃从而形成喷射火,喷射火主要以热辐射形式对人体产生危害。根据软件中自带的评价标准,热流密度在60 s内超过10.0 kW/m2将会对人员产生致命危险。当热流密度在60 s内超过5.0 kW/m2但不大于10.0 kW/m2,相当于对人体产生二度烧伤的危害。当热流密度在60 s内超过2.0 kW/m2但不大于5.0 kW/m2,会使人体产生皮肤疼痛感。喷射火的后果区域见图3。从该图可以观察出,最里层红色区域为致命区域,其最远距离在14 m;中层区域为产生二度烧伤区域,其最远距离为19 m;最外层黄色区域为产生皮肤疼痛感区域,其最远距离为30 m。从该模拟结果可知,该管道周边应该设置30 m管道保护区域。

图3 喷射火的后果区域(软件截图)

4.2 泄漏天然气体积分数分析和发生蒸气云燃烧的风险

ALOHA软件计算出的泄漏时间(记为tout)内天然气体积分数平均值(记为φ)是时间tout内平均的结果,在泄漏初期的某些时刻,天然气体积分数仍有可能超过爆炸下限,有发生蒸气云燃烧或蒸气云爆炸的可能。因此将爆炸下限的10%和60%划分为两个不同风险的等级,φ大于爆炸下限的60%时,发生蒸气云燃烧的风险较大;φ大于爆炸下限的10%时,发生蒸气云燃烧的风险较小。模拟得到的蒸气云天然气体积分数区域见图4。由图4可知,在泄漏点下风向86 m范围内,存在较小的风险可能会发生蒸气云燃烧。在此范围内应提高可燃物的防护等级,不应建设会产生静电火花或明火的设施。

图4 蒸气云天然气体积分数区域(软件截图)

4.3 蒸气云爆炸后果分析

蒸气云爆炸的衡量指标主要是冲击波超压,冲击波超压有3种评价等级,大于55.16 kPa可能造成建筑物破坏,超过24.13 kPa但不大于55.16 kPa可能造成人员的严重伤害,超过6.89 kPa但不大于24.13 kPa可能造成玻璃震碎的伤害。若泄漏后某时刻蒸气云天然气体积分数瞬时值进入爆炸极限范围,被点燃后会发生蒸气云爆炸。将所有可能发生爆炸的爆炸后果区域进行叠加,得到图5。从该图可以分析出,蒸气云爆炸沿着风向进行,并且呈现出一个由内向外的鼓包形式,冲击波超压在6.89 kPa以上,意味着该管道发生蒸气云爆炸将使泄漏点附近的建筑物玻璃被震碎。在距离泄漏点31 m内爆炸冲击波会产生危害,因此需要设置31 m的保护区域。

图5 蒸气云爆炸后果区域(软件截图)

4.4 管道保护区域

根据上文得出的喷射火、蒸气云爆炸的后果区域,结合实际情况,提出建议按照30 m设置管道保护区域。建议在管道保护区域内,设置燃气管道安全警示标志,标明保护范围。提高可燃物的防护等级,不建设会产生静电火花或明火的设施。

5 结论

① 天然气管道泄漏后,若被立即点燃,会产生喷射火,其后果区域最远达30 m。

② 若泄漏后某时刻蒸气云天然气体积分数进入爆炸极限范围,被点燃后会发生蒸气云爆炸,最大后果区域达到31 m。

③ 根据天然气管道泄漏后果分析,建议设置30 m的管道保护区域,并采取保护措施。