液化油氣田罐區(qū)事故危險性定量評價

液化油氣田罐區(qū)事故危險性定量評價

液化石油氣（lpg）是十危險化學品之一。一旦大量泄漏,極易與周圍空氣混合形成爆炸性混合物,如遇到明火引起火災爆炸,其產(chǎn)生的爆炸沖擊波及爆炸火球熱輻射破壞、傷害作用極大,并且危害范圍大,極易導致次生災害。國內(nèi)外曾發(fā)生過多起LPG罐區(qū)池火災、蒸氣云爆炸(UVCE)和沸騰液體擴展蒸氣爆炸(BLEVE)事故,傷亡、損失極為嚴重。1液化氣罐區(qū)的主要危險分析1.1uvce范圍蒸氣云爆炸(UVCE)是指可燃氣體或蒸氣與空氣的云狀混合物在開闊地上空遇到點火源引發(fā)的爆炸。UVCE發(fā)生有一定的條件,包括一定量的液化石油氣泄漏并與周圍空氣預混、延遲點火、局限化的空間等。UVCE具有以下特點:一般由火災發(fā)展成的爆燃,而不是爆轟;是由于存儲溫度一般高于LPG的常壓沸點的LPG大量泄漏的結(jié)果;是一種面源爆炸模型。UVCE發(fā)生后的破壞作用有爆炸沖擊波、爆炸火球熱輻射對周圍人員、建筑物、儲罐等設(shè)備的傷害、破壞作用。1.2下正常破裂,壓力平衡破壞沸騰液體擴展蒸氣爆炸(BLEVE)是指液化氣儲罐在外部火焰的烘烤下突然破裂,壓力平衡破壞,LPG急劇氣化,并隨即被火焰點燃而產(chǎn)生的爆炸。BLEVE發(fā)生后主要爆炸產(chǎn)生的火球熱輻射危害,同時爆炸產(chǎn)生的碎片和沖擊波超壓也有一定的危害,但與火球熱輻射危害相比,危害次要。1.3罐區(qū)池火災原因池火災(PoolFire)指可燃液體或易燃固體作為燃料的火災。罐區(qū)池火災主要是由于超載或雷擊等原因?qū)е翷PG泄漏而形成液池,遇到火源而引起池火災。罐區(qū)池火災的主要危害是火焰的強烈熱輻射對周圍人員及裝備的危害,在火焰環(huán)境下,易導致周圍儲罐的破裂而引發(fā)二次災害。2種事故危險性的定量模擬評價從上述LPG罐區(qū)危險性分析,可見罐區(qū)主要危險性是UVCE、BLEVE和PoolFire,下面利用災害定量評價技術(shù)和相應的傷害評價模型對這三種事故的危險性進行定量模擬評價。本文利用此定量模擬評價模型對某化工廠罐區(qū)進行了UVCE、BLEVE和PoolFire危害的定量模擬評價,罐區(qū)基本參數(shù)為:共6個LPG柱形儲罐,存儲LPG(丙烷、丁烷)量共為110t,LPG燃燒熱為46.5MJ/kg,存儲壓力為0.4MPa。2.1nono-pu模型法對蒸氣云爆炸(UVCE)進行定量評價方法主要有兩種:TNT當量法和TNO(Multi-Energy)模型法,由于這兩種方法各有優(yōu)缺點,本文把這兩種評價方法結(jié)合使用。蒸氣云爆炸主要因沖擊波造成傷害,因而按超壓-沖量準則確定人員傷亡區(qū)域及財產(chǎn)損失區(qū)域。沖擊波超壓破壞準則見表1。2.1.1lpg的tnt及最大應加量的確定LPG的TNT當量:WTNT=aWQ/QTNT(1)WTNT,kg;a為LPG蒸氣云當量系數(shù)(統(tǒng)計平均值為0.04);W為蒸氣云中LPG質(zhì)量,kg;Q為LPG的燃燒熱,J/kg;QTNT為TNT的爆炸熱,J/kg。由式(1)可求得LPG的TNT當量WTNT=48752.4kg。LPG的爆炸總能量:E=1.8aWQ(2)E為LPG的爆炸總能量,J;式中1.8為地面爆炸系數(shù)。由式(2)可求得LPG的爆炸總能量E=396.65MJ。2.1.2有限空間內(nèi)爆炸發(fā)生系數(shù)nR=C(NE)1/3(3)C為爆炸實驗常數(shù),取值;0.03-0.4;N為有限空間內(nèi)爆炸發(fā)生系數(shù),取10%。由式(3)可求得爆炸傷害半徑R=478m。2.1.3r計算LPG的爆炸沖擊波正相最大超壓:ln(ΔP/P0)=-0.9216-1.5058ln(R′)+0.167ln2(R′)-0.0320ln3(R′)(4)R′=D/(E/P0)1/3(5)R′無量綱距離;D為目標到蒸氣云中心距離,m;P0為大氣壓。由式(4)可求得離氣云中心475m處的爆炸沖擊波超壓ΔP=8.60kPa。2.1.4lpg蒸發(fā)云死亡半徑指人在沖擊波作用下頭部撞擊致死半徑,由下式確定:R1=1.98WP0.447(6)WP為LPG蒸氣云的丙烷當量(kg)。由式(6)可求得死亡半徑R1=81m。2.1.5%破裂半徑重傷半徑指人在沖擊波作用下耳鼓膜50%破裂半徑,由下式確定:R2=9.187WP1/3(7)由式(7)可求得重傷半徑R2=146m。2.1.6半徑r3輕傷半徑指人在沖擊波作用下耳鼓膜1%破裂半徑,由下式確定:R3=17.87WP1/3(8)由式(8)可求得輕傷半徑R3=285m。2.1.7iiiiijt1/3/1+3koii建筑物3級破壞系數(shù)財產(chǎn)損失半徑指在沖擊波作用下建筑物3級破壞半徑,由下式確定:R4=KIIIWTNT1/3/(1+(3175/WTNT)2)1/6(9)KIII建筑物3級破壞系數(shù)。由式(9)可求得財產(chǎn)損失半徑R4=341m。若知道LPG罐區(qū)的人員密度和財產(chǎn)密度,即可評價確定人員的傷亡數(shù)量和財產(chǎn)損失大小。2.2模型的選擇沸騰液體擴展蒸氣爆炸(BLEVE)的經(jīng)典模型有:ILO模型、H.R.Greeberg&J.J.Cramer模型和A.F.Roberts模型等,本文在分析比較的基礎(chǔ)上選用H.R.Greeberg&J.J.Cramer模型和A.F.Roberts模型相結(jié)合使用。BLEVE主要危害是火球產(chǎn)生的強烈熱輻射傷害,因而采用瞬態(tài)火災作用下的熱劑量準則確定人員的傷亡和財產(chǎn)損失的區(qū)域。2.2.1火焰持續(xù)時間計算R=2.9W1/3(10)t=0.45W1/3(11)由于LPG采用多罐存儲,LPG質(zhì)量取90%W,由式(10)可求得火球當量半徑R=134m;火球持續(xù)時間t=21s。BLEVE發(fā)生后,消防人員及緊急救災人員最小安全工作建議距離為4R,人群安全逃脫最小建議距離為15R。2.2.2儲罐形狀系數(shù)Q(r)=0.27P00.32bc(1-0.058ln(r))WQ/(4πr2)(12)b為儲罐形狀系數(shù);c為儲罐數(shù)量影響因子;r目標為離儲罐距離,m;Q(r),kJ/m2。由式(12)求得4R處目標接受熱劑量(Q(r))=164.63kJ/m2。2.2.3熱輻射傷害pr死亡熱通量q1:Pr=-37.23+2.56ln(Tq14/3)(13)重傷熱通量q2:Pr=-43.14+3.019ln(Tq24/3)(14)輕傷熱通量q3:Pr=-39.83+3.019ln(Tq34/3)(15)T為人體暴露于熱輻射的時間,s;Pr為傷害幾率單位。當傷害概率為50%,熱輻射作用時間為21s時,q1、q2、q3分別為24.069、15.928、6.999kW/m2。2.2.4熱劑量傷害準則死亡、重傷、輕傷及財產(chǎn)損失半徑分別指熱輻射作用下的死亡、二度燒傷、一度燒傷和引燃木材半徑。由式(13)求得目標處熱劑量Q(r),再根據(jù)熱劑量準則來確定各種傷害半徑及財產(chǎn)損失半徑。瞬態(tài)火災作用下的熱劑量傷害準則見表2。本例求得的死亡、重傷、輕傷及財產(chǎn)損失半徑分別為290、354、525、223m。若知道LPG罐區(qū)的人員密度和財產(chǎn)密度,即可評價確定人員的傷亡數(shù)量和財產(chǎn)損失大小。2.3液化石油氣lpg儲存區(qū)域內(nèi)池火災的定量評估池火災的主要危害來自火焰的強烈熱輻射危害,而且火災持續(xù)時間一般較長,因而采用穩(wěn)態(tài)火災下的熱通量準則來確定人員傷亡及財產(chǎn)損失區(qū)域。2.3.1罐區(qū)防護堤所圍面積和火焰高度的確定池火災采用圓柱形火焰和池面積恒定假設(shè),火焰半徑Rf由下式確定:Rf=(S/π)1/2(16)池面積可由LPG儲罐的防護堤所圍的面積確定,本例中按S=500m2,LPG的燃燒速率μf=0.02kg/m2·s,由式(16)可求得火焰半徑Rf=12.61m?；鹧娓叨萀:L=84Rf[μf/ρ0(2gRf)1/2]0.61(17)μf為LPG的燃燒速率,kg/m2·s;ρ0為空氣密度,kg/m3。由式(17)可求得火焰高度L=15.26m。2.3.2大火持續(xù)時間tt=W/μf(18)由式(18)可求得火災持續(xù)時間t=11000s。2.3.3燃燒效率測試Qf=2πRf2η1μfη2/(2πRf2+πRfL)(19)η1為燃燒效率;η2為熱輻射系數(shù),可取0.15;由式(19)可求得火焰表面熱輻射通量Qf=39.86kW/m2。2.3.4目標位置視角系數(shù)q(r)=QfV(1-0.058ln(d))(20)V為目標處視角系數(shù);d為目標離火焰表面的距離,m。由式(19)可求得離火焰表面距離123m處的目標接受熱通量q(r)=2.089kW/m2。2.3.5熱通量傷害準則死亡、重傷、輕傷及財產(chǎn)損失半徑分別指熱輻射作用下的死亡、二度燒傷、一度燒傷和引燃木材半徑。根據(jù)計算出來的q(r),依據(jù)穩(wěn)態(tài)火災作用下的熱通量傷害準則來確定各個傷害及財產(chǎn)損失半徑。穩(wěn)態(tài)火災作用下的熱通量傷害準則見表3。本例中求得的死亡、重傷、輕傷及財產(chǎn)損失半徑分別為50、71、148、20m。若知道LPG罐區(qū)的人員密度和財產(chǎn)密度,即可評價確定人員的傷亡數(shù)量和財產(chǎn)損失大小。2.4熱劑量對離火焰中心工作距離的影響當LPG罐區(qū)發(fā)生UVCE時,離氣云中心半徑為478m的圓形區(qū)域內(nèi)的建筑物將會有不同程度上破壞,478m處的沖擊波超壓為8.6kPa能使受壓面玻璃大部分破碎(見表1),可見求得爆炸傷害半徑正確;離氣云中心外徑為285m,內(nèi)徑為146m的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)人員大部分輕傷;離氣云中心外徑為146m,內(nèi)徑為81m的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)人員大部分重傷,離氣云中心半徑為81m的圓形區(qū)域內(nèi)的人員可能大部分死亡;因而UVCE發(fā)生后,救災人員的最小離氣云中心工作距離為285m。當LPG罐區(qū)發(fā)生BLEVE時,救災人員最小的離火球中心工作距離為536m,人群安全逃脫最小的離火球中心距離為2010m;離火球中心536m處目標接受的熱劑量為164.63kJ/m2,從表2可知此值略小于輕傷熱劑量值,可見536m基本上人員不會受熱輻射傷害,但可能受到碎片打擊傷害。當LPG罐區(qū)發(fā)生池火災時,離火焰中心外徑為148m,內(nèi)徑為71m的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)人員大部分輕傷;離火焰中心外徑為71m,內(nèi)徑為50m的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)人員大部分重傷,離火焰中心半徑為50m的圓形區(qū)域內(nèi)的人員可能大部分死亡。以上分析以圓形傷害區(qū)域作為假設(shè)。3罐區(qū)防火設(shè)計為防止事故發(fā)生時,高溫火焰燒烤環(huán)境下的LPG儲罐因罐內(nèi)LPG過熱而迅速氣化導致罐內(nèi)超壓、破裂所引起的二次災害,應采取水噴淋冷卻周圍儲罐外壁,降低罐內(nèi)溫度。同時,在泄壓裝置設(shè)計方面應考慮到事故狀態(tài)下泄壓裝置的動作時間,避免動作時間過晚因超壓導致儲罐破裂;在確定泄壓量時,應考慮到對罐內(nèi)氣液平衡的破壞影響。為防止池火災發(fā)生時,因池面積的擴大而導致災害的擴大,應根據(jù)儲罐容積來設(shè)計事故狀態(tài)下防護堤的半徑和高度。為了減少在罐區(qū)內(nèi)形成局限化空間為UVCE創(chuàng)造條件,儲罐布局時除了滿足防火防爆間距要求,還應適當減小儲罐分布密度;同時盡量避免罐區(qū)設(shè)計在山谷等低洼地區(qū)。點火源是引起火災、爆炸的一個重要因素,應采取以下措施來消除和控制火源:罐區(qū)內(nèi)嚴禁明火,同時注意防止靜電;進入罐區(qū)的車輛必須配戴防火罩,裝卸過程中車輛必須熄火;嚴格執(zhí)行罐區(qū)內(nèi)動火程序;罐區(qū)內(nèi)應采用防爆電器設(shè)施。設(shè)計罐區(qū)與周圍辦公、住宅等建筑物距離時,