液化油气田罐区事故危险性定量评价

液化油气田罐区事故危险性定量评价

液化石油气（lpg）是十危险化学品之一。一旦大量泄漏,极易与周围空气混合形成爆炸性混合物,如遇到明火引起火灾爆炸,其产生的爆炸冲击波及爆炸火球热辐射破坏、伤害作用极大,并且危害范围大,极易导致次生灾害。国内外曾发生过多起LPG罐区池火灾、蒸气云爆炸(UVCE)和沸腾液体扩展蒸气爆炸(BLEVE)事故,伤亡、损失极为严重。1液化气罐区的主要危险分析1.1uvce范围蒸气云爆炸(UVCE)是指可燃气体或蒸气与空气的云状混合物在开阔地上空遇到点火源引发的爆炸。UVCE发生有一定的条件,包括一定量的液化石油气泄漏并与周围空气预混、延迟点火、局限化的空间等。UVCE具有以下特点:一般由火灾发展成的爆燃,而不是爆轰;是由于存储温度一般高于LPG的常压沸点的LPG大量泄漏的结果;是一种面源爆炸模型。UVCE发生后的破坏作用有爆炸冲击波、爆炸火球热辐射对周围人员、建筑物、储罐等设备的伤害、破坏作用。1.2下正常破裂,压力平衡破坏沸腾液体扩展蒸气爆炸(BLEVE)是指液化气储罐在外部火焰的烘烤下突然破裂,压力平衡破坏,LPG急剧气化,并随即被火焰点燃而产生的爆炸。BLEVE发生后主要爆炸产生的火球热辐射危害,同时爆炸产生的碎片和冲击波超压也有一定的危害,但与火球热辐射危害相比,危害次要。1.3罐区池火灾原因池火灾(PoolFire)指可燃液体或易燃固体作为燃料的火灾。罐区池火灾主要是由于超载或雷击等原因导致LPG泄漏而形成液池,遇到火源而引起池火灾。罐区池火灾的主要危害是火焰的强烈热辐射对周围人员及装备的危害,在火焰环境下,易导致周围储罐的破裂而引发二次灾害。2种事故危险性的定量模拟评价从上述LPG罐区危险性分析,可见罐区主要危险性是UVCE、BLEVE和PoolFire,下面利用灾害定量评价技术和相应的伤害评价模型对这三种事故的危险性进行定量模拟评价。本文利用此定量模拟评价模型对某化工厂罐区进行了UVCE、BLEVE和PoolFire危害的定量模拟评价,罐区基本参数为:共6个LPG柱形储罐,存储LPG(丙烷、丁烷)量共为110t,LPG燃烧热为46.5MJ/kg,存储压力为0.4MPa。2.1nono-pu模型法对蒸气云爆炸(UVCE)进行定量评价方法主要有两种:TNT当量法和TNO(Multi-Energy)模型法,由于这两种方法各有优缺点,本文把这两种评价方法结合使用。蒸气云爆炸主要因冲击波造成伤害,因而按超压-冲量准则确定人员伤亡区域及财产损失区域。冲击波超压破坏准则见表1。2.1.1lpg的tnt及最大应加量的确定LPG的TNT当量:WTNT=aWQ/QTNT(1)WTNT,kg;a为LPG蒸气云当量系数(统计平均值为0.04);W为蒸气云中LPG质量,kg;Q为LPG的燃烧热,J/kg;QTNT为TNT的爆炸热,J/kg。由式(1)可求得LPG的TNT当量WTNT=48752.4kg。LPG的爆炸总能量:E=1.8aWQ(2)E为LPG的爆炸总能量,J;式中1.8为地面爆炸系数。由式(2)可求得LPG的爆炸总能量E=396.65MJ。2.1.2有限空间内爆炸发生系数nR=C(NE)1/3(3)C为爆炸实验常数,取值;0.03-0.4;N为有限空间内爆炸发生系数,取10%。由式(3)可求得爆炸伤害半径R=478m。2.1.3r计算LPG的爆炸冲击波正相最大超压:ln(ΔP/P0)=-0.9216-1.5058ln(R′)+0.167ln2(R′)-0.0320ln3(R′)(4)R′=D/(E/P0)1/3(5)R′无量纲距离;D为目标到蒸气云中心距离,m;P0为大气压。由式(4)可求得离气云中心475m处的爆炸冲击波超压ΔP=8.60kPa。2.1.4lpg蒸发云死亡半径指人在冲击波作用下头部撞击致死半径,由下式确定:R1=1.98WP0.447(6)WP为LPG蒸气云的丙烷当量(kg)。由式(6)可求得死亡半径R1=81m。2.1.5%破裂半径重伤半径指人在冲击波作用下耳鼓膜50%破裂半径,由下式确定:R2=9.187WP1/3(7)由式(7)可求得重伤半径R2=146m。2.1.6半径r3轻伤半径指人在冲击波作用下耳鼓膜1%破裂半径,由下式确定:R3=17.87WP1/3(8)由式(8)可求得轻伤半径R3=285m。2.1.7iiiiijt1/3/1+3koii建筑物3级破坏系数财产损失半径指在冲击波作用下建筑物3级破坏半径,由下式确定:R4=KIIIWTNT1/3/(1+(3175/WTNT)2)1/6(9)KIII建筑物3级破坏系数。由式(9)可求得财产损失半径R4=341m。若知道LPG罐区的人员密度和财产密度,即可评价确定人员的伤亡数量和财产损失大小。2.2模型的选择沸腾液体扩展蒸气爆炸(BLEVE)的经典模型有:ILO模型、H.R.Greeberg&J.J.Cramer模型和A.F.Roberts模型等,本文在分析比较的基础上选用H.R.Greeberg&J.J.Cramer模型和A.F.Roberts模型相结合使用。BLEVE主要危害是火球产生的强烈热辐射伤害,因而采用瞬态火灾作用下的热剂量准则确定人员的伤亡和财产损失的区域。2.2.1火焰持续时间计算R=2.9W1/3(10)t=0.45W1/3(11)由于LPG采用多罐存储,LPG质量取90%W,由式(10)可求得火球当量半径R=134m;火球持续时间t=21s。BLEVE发生后,消防人员及紧急救灾人员最小安全工作建议距离为4R,人群安全逃脱最小建议距离为15R。2.2.2储罐形状系数Q(r)=0.27P00.32bc(1-0.058ln(r))WQ/(4πr2)(12)b为储罐形状系数;c为储罐数量影响因子;r目标为离储罐距离,m;Q(r),kJ/m2。由式(12)求得4R处目标接受热剂量(Q(r))=164.63kJ/m2。2.2.3热辐射伤害pr死亡热通量q1:Pr=-37.23+2.56ln(Tq14/3)(13)重伤热通量q2:Pr=-43.14+3.019ln(Tq24/3)(14)轻伤热通量q3:Pr=-39.83+3.019ln(Tq34/3)(15)T为人体暴露于热辐射的时间,s;Pr为伤害几率单位。当伤害概率为50%,热辐射作用时间为21s时,q1、q2、q3分别为24.069、15.928、6.999kW/m2。2.2.4热剂量伤害准则死亡、重伤、轻伤及财产损失半径分别指热辐射作用下的死亡、二度烧伤、一度烧伤和引燃木材半径。由式(13)求得目标处热剂量Q(r),再根据热剂量准则来确定各种伤害半径及财产损失半径。瞬态火灾作用下的热剂量伤害准则见表2。本例求得的死亡、重伤、轻伤及财产损失半径分别为290、354、525、223m。若知道LPG罐区的人员密度和财产密度,即可评价确定人员的伤亡数量和财产损失大小。2.3液化石油气lpg储存区域内池火灾的定量评估池火灾的主要危害来自火焰的强烈热辐射危害,而且火灾持续时间一般较长,因而采用稳态火灾下的热通量准则来确定人员伤亡及财产损失区域。2.3.1罐区防护堤所围面积和火焰高度的确定池火灾采用圆柱形火焰和池面积恒定假设,火焰半径Rf由下式确定:Rf=(S/π)1/2(16)池面积可由LPG储罐的防护堤所围的面积确定,本例中按S=500m2,LPG的燃烧速率μf=0.02kg/m2·s,由式(16)可求得火焰半径Rf=12.61m。火焰高度L:L=84Rf[μf/ρ0(2gRf)1/2]0.61(17)μf为LPG的燃烧速率,kg/m2·s;ρ0为空气密度,kg/m3。由式(17)可求得火焰高度L=15.26m。2.3.2大火持续时间tt=W/μf(18)由式(18)可求得火灾持续时间t=11000s。2.3.3燃烧效率测试Qf=2πRf2η1μfη2/(2πRf2+πRfL)(19)η1为燃烧效率;η2为热辐射系数,可取0.15;由式(19)可求得火焰表面热辐射通量Qf=39.86kW/m2。2.3.4目标位置视角系数q(r)=QfV(1-0.058ln(d))(20)V为目标处视角系数;d为目标离火焰表面的距离,m。由式(19)可求得离火焰表面距离123m处的目标接受热通量q(r)=2.089kW/m2。2.3.5热通量伤害准则死亡、重伤、轻伤及财产损失半径分别指热辐射作用下的死亡、二度烧伤、一度烧伤和引燃木材半径。根据计算出来的q(r),依据稳态火灾作用下的热通量伤害准则来确定各个伤害及财产损失半径。稳态火灾作用下的热通量伤害准则见表3。本例中求得的死亡、重伤、轻伤及财产损失半径分别为50、71、148、20m。若知道LPG罐区的人员密度和财产密度,即可评价确定人员的伤亡数量和财产损失大小。2.4热剂量对离火焰中心工作距离的影响当LPG罐区发生UVCE时,离气云中心半径为478m的圆形区域内的建筑物将会有不同程度上破坏,478m处的冲击波超压为8.6kPa能使受压面玻璃大部分破碎(见表1),可见求得爆炸伤害半径正确;离气云中心外径为285m,内径为146m的圆环区域内人员大部分轻伤;离气云中心外径为146m,内径为81m的圆环区域内人员大部分重伤,离气云中心半径为81m的圆形区域内的人员可能大部分死亡;因而UVCE发生后,救灾人员的最小离气云中心工作距离为285m。当LPG罐区发生BLEVE时,救灾人员最小的离火球中心工作距离为536m,人群安全逃脱最小的离火球中心距离为2010m;离火球中心536m处目标接受的热剂量为164.63kJ/m2,从表2可知此值略小于轻伤热剂量值,可见536m基本上人员不会受热辐射伤害,但可能受到碎片打击伤害。当LPG罐区发生池火灾时,离火焰中心外径为148m,内径为71m的圆环区域内人员大部分轻伤;离火焰中心外径为71m,内径为50m的圆环区域内人员大部分重伤,离火焰中心半径为50m的圆形区域内的人员可能大部分死亡。以上分析以圆形伤害区域作为假设。3罐区防火设计为防止事故发生时,高温火焰烧烤环境下的LPG储罐因罐内LPG过热而迅速气化导致罐内超压、破裂所引起的二次灾害,应采取水喷淋冷却周围储罐外壁,降低罐内温度。同时,在泄压装置设计方面应考虑到事故状态下泄压装置的动作时间,避免动作时间过晚因超压导致储罐破裂;在确定泄压量时,应考虑到对罐内气液平衡的破坏影响。为防止池火灾发生时,因池面积的扩大而导致灾害的扩大,应根据储罐容积来设计事故状态下防护堤的半径和高度。为了减少在罐区内形成局限化空间为UVCE创造条件,储罐布局时除了满足防火防爆间距要求,还应适当减小储罐分布密度;同时尽量避免罐区设计在山谷等低洼地区。点火源是引起火灾、爆炸的一个重要因素,应采取以下措施来消除和控制火源:罐区内严禁明火,同时注意防止静电;进入罐区的车辆必须配戴防火罩,装卸过程中车辆必须熄火;严格执行罐区内动火程序;罐区内应采用防爆电器设施。设计罐区与周围办公、住宅等建筑物距离时,