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天然气储气井泄漏伤害定量计算及风险评估论文

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  关键词:天然气,蒸气云爆炸,定量评价,风险分析

  0引言

天然气储气井泄漏伤害定量计算及风险评估论文

  天然气加气站是近年来国家加快汽车能源优化,为节能减排、降低燃油污染、提高天然气能源利用率而构建的汽车能源中转站。据《2023年天然气汽车行业市场分析报告》,截至2022年,我国加气站数量达1.08万座,主要服务于乘用车辆和商用车辆。根据天然气的特性参数可知天然气的主要成分甲烷占比96.226%,其与空气混合能形成爆炸性混合物,爆炸极限为5%~15%,遇明火、高热能引起燃烧爆炸。

  天然气的燃爆性无论在基础学科还是应用学科被广泛研究。王小完等[1]采用SHELL喷射火模型与TNT当量爆炸模型针对不同工况下喷射火热辐射强度半径和晚期爆炸超压半径进行模拟分析,得出大孔径泄漏对于火灾影响较为显著。崔黎宁等[2]通过石油天然气站场的蒸气云爆炸分析提出应对预防蒸气云爆炸的防范措施。杨克等[3]研究天然气泄漏时长与事故严重程度的关系,并为天然气管道的安全监测提供依据。

  本文以新沂市某加气站为研究对象,计算并模拟真实环境中高压储气井泄漏并形成蒸气云爆炸的破坏程度及危害范围,为加气站的安全管理和消防疏散提供指导性建议。

  1工程概况

  新沂市某加气站为加气、调压合建站,气源来自上级母站,由管道敷设输送至该站。站内分布加气区、站房、调压设备区、存储设备区,站内储气井容积为4 m3,设计压力25 MPa,储气井规格为f244.48×11 990 mm地下。经计算井内储存天然气总量为717.4 kg。图1为加气站总平面布置图。

  2泄漏模拟

  2.1泄漏量模型

  天然气储气井泄漏根据泄漏点的泄漏速度不同,呈现临界流和亚临界流,具体表现为音速泄漏和亚音速泄漏。

  气体压力高、流速快,表现为音速流动,其表达式为:

  式(1)~式(2)中:p为容器内介质压力(Pa);P0为环境压力(Pa);k为气体的绝热指数,即定压比热容Cp与定容比热容Cv之比,天然气定压比热容1.314。

  气体呈音速流动,其泄漏量为式(3),气体呈亚音速流动时,其泄漏量为式(4),气体膨胀因子为式(5)。

  式(3)~式(5)中:Cd为气体泄漏系数,当裂开形状为圆形时取1.00,三角形时取0.95,长方形时取0.90;Y为气体膨胀因子;A为泄漏面积(m2);M为分子量,天然气分子量为16.04;ρ为气体密度(kg/m3);R为气体常数,取8.314 J/mol·K;T为气体温度(K)。

  2.2泄漏量模拟计算

  天然气在CNG汽车加气站内经压缩后,储存于压力25 MPa储气井内,容积为4 m3,环境大气压力为0.101 3 MPa,天然气的定压比热容为1.314。

  式(6)的值小于式(7)的值,故该加气站储气井泄漏表现为音速流动,因此,泄漏量的计算用式(3)计算,其中设定环境温度为25℃,泄漏形状为圆形,故Cd取1。设轻微泄漏点蚀直径为2 mm,严重外力造成的裂口直径20 mm。

  (1)当发生轻微泄漏事故时,设裂口形状为圆形,泄漏口直径2 mm。

  (2)泄漏面积:

  (3)当天然气储气井因外力形成重大泄漏事故时,即20 mm。

  泄漏面积:

  经计算,得到轻微泄漏,泄漏直径为2 mm时,泄漏速率为0.133 6 kg/s;泄漏为重大泄漏时,泄漏直径为20 mm,泄漏速率为13.36 kg/s。

  3喷射火模拟计算

  加压的可燃物质泄漏时形成射流,如果在泄漏裂口处点燃,则形成喷射火。这里所用的喷射火辐射热计算方法是一种包括气流效应在内的扩散模式的方法。把整个喷射火看成由沿喷射中心线上的全部点热源组成,每个点热源的热辐射通量相等。

  点热源的热通量按式(10)计算:

  式中:q为点热源热辐射通量(W);η为效率因子,可取0.35;Q0为泄漏速率(kg/s);HC为物质燃烧热(J/kg)。

  对天然气,可近似取甲烷的燃烧热为5.56×104 kJ/kg。

  通过计算,当天然气的泄漏速度分别为0.133 6 kg/s、13.361 3 kg/s时,在裂口处形成的喷射火热辐射通量分别为2 599.8×103 W、2 599.8×105 W。

  假定喷射火为沿喷射中心线的一系列辐射出相等热量q的辐射源组成,则火焰中某一点到辐射热接受点距离为X时,热辐射强度Ii为:

  式中:Ii为点热源i至目标点X处的热辐射强度(W/m2);R为传导系数,可取1.0;X为点火源到目标点的距离(m);q为点热源的辐射通量(W)。

  热辐射对设备和人体的伤害程度主要因目标距离、作用时间和热辐射强度不同而不同,具体辐射伤害准则如表2所示。

  由此,可以计算出相应的死亡半径、重伤半径、轻伤半径,如表3所示。

  4蒸气云爆炸模拟

  4.1蒸气云爆炸超压模型

  当泄漏形成喷射火,泄漏的天然气由储气井喷射出,以喷射源为中心,呈云团状扩散,形成蒸气云。蒸气云爆炸冲击波超压模型,使用TNT当量法进行计算,TNT当量估算如式(12):

  式中:A为蒸气云的TNT当量系数,取值范围0.02%~14.90%,这个范围的中值是3%~4%,取4%;WTNT为蒸气云的TNT当量(kg);Wf为蒸气云中燃料的总质量(kg);Qf为燃烧的燃烧热(MJ/kg);QTNT为TNT的爆炸热,在4.12~4.69 MJ/kg内取4.52 MJ/kg。

  蒸气云爆炸的死亡半径按式(13)计算:

  式中:WTNT为蒸气云的TNT当量(kg)。

  重伤、轻伤半径的计算按式(14)计算冲击波超压∆ps;

  式(14)~式(15)中:Z为无量纲距离;∆ps为目标处的超压值(Pa);P0为环境压力(Pa);R为目标到爆源的水平距离(m);E为爆源总能量(J)。

  采用超压模型计算冲击波造成的死亡区、重伤区、轻伤区等半径。表4为冲击波对人员伤害的超压准则。

  4.2蒸气云爆炸数值模拟

  高压储气井泄漏状态基本呈现出喷射式,在一定高度后形成扩散云,根据天然气储气井的实际尺寸等比建模并用数值模拟软件进行泄漏云图状态模拟,图2为泄漏孔径为2 mm天然气泄漏蒸气云扩散图,图3为泄漏孔径20 mm天然气泄漏蒸气云扩散图。图2和图3中左侧色标由上到下依次为天然气浓度由大到小的表示。图2和图3中模拟为30 s扩散状态,通过观察可以分辨出小孔径泄漏量明显小于大孔径,且小孔径泄漏扩散较快,而大孔径在井口处较易聚集。两者在有效扩散时间(一般可燃气体报警仪30 s内响应报警)高压喷射状态下均呈柱状扩散。

  在进行天然气蒸气云爆炸数值计算时,天然气蒸气云爆炸的伤害程度和泄漏量有直接关系[4-5],换言之泄漏持续时间越久,扩散蒸气云造成的危害越大。表5和表6分别为泄漏直径2 mm和20 mm,在泄漏5 s、15 s和30 s时,不同时间点造成死亡、重伤、轻伤的伤害范围。

  5结果与讨论

  本文针对常规点蚀和外力冲击孔洞进行预设,直径分别为2 mm和20 mm,并针对不同泄漏孔径进行了泄漏量的计算,应用喷射火模型和蒸气云爆炸模型进行数值计算,并用数值模拟软件模拟蒸气云爆炸前汽云扩散状态图。

  5.1不同泄漏孔径喷射火影响范围对比

  对点蚀和外力冲击孔洞,在高压状态下,其泄漏均呈现为音速流动,其泄漏直径数量级加一,面积数量级加二,形成泄漏速率数量差100倍,热辐射通量数量差100倍,形成的伤害范围也呈现数量级差。因此,小孔径泄漏形成喷射火仅对站后设备区影响较大,对站前区相对影响较小。但是,大孔径泄漏形成喷射火,不仅整个站区覆盖于重伤范围内,以储气井为圆心的41 m范围内均为危险区,对本站而言会造成社会危害。

  5.2不同泄漏孔径蒸气云爆炸影响范围对比

  蒸气云爆炸的影响范围主要和泄漏形成的汽云质量成正比,换言之泄漏时间越长,汽云质量越大。一般可燃气体探测仪30 s内实现报警,因此大孔径较小孔径的危害范围更大。通过表5可知,2 mm小孔径泄漏仅对站后区造成伤害,不会对站前区产生危害,而20 mm大孔径伤害范围较大,在泄漏15 s后会对站外造成危害。

  5.3不同泄漏孔径蒸气云扩散图对比

  泄漏孔径小瞬时聚集的天然气蒸气云浓度小,气柱较低,而孔径越大,形成蒸气云气柱越高,自泄漏孔向上浓度逐渐减小,气柱边缘较气柱中心浓度降低,且由于天然气爆炸极限5%~15%,由图2和图3可知在气柱边缘爆炸性较大。因此,从空间高度对比泄漏孔径,大孔径泄漏空间危害更大。

  6结论

  (1)以新沂市某加气站工程实例进行模拟计算,在客观因素相同条件下,喷射火造成的伤害,死亡半径和重伤半径均略大于蒸气云爆炸的半径。因此,在加气站管理中除应严格执行禁止明火、穿戴不发火工作服和工作鞋等劳保用品、严格进行防雷防静电设施设计并按照标准要求施工外,还应做好设备设施的联动响应,避免突发事件中喷射火的持续发生。

  (2)提高可燃气体报警仪灵敏度,尽量在短时间内实现报警,联动设备降低泄漏量,加强通风稀释泄漏气体。30 s的扩散时间,无论2 mm的小孔径还是20 mm的大孔径均会对站后设备区造成严重影响,且站后设备区连接长输管道,形成爆炸后影响范围巨大。

  (3)从消防的角度结合泄漏形成的空间危害,可以为小孔泄漏的灭火距离提供建议,为大孔泄漏的控制区域范围提供建议,为消防安全疏散提供数据依据。

  参考文献:

  [1]王小完,南庆宾,骆济豪,等.基于大孔模型的天然气管道泄漏火灾模拟分析[J].灾害学,2022,37(2):49-53.

  [2]崔黎宁,杨光.石油天然气站场总平面布置对蒸气云爆炸的防范措施[J].内蒙古石油化工,2015,41(19):87-88.

  [3]杨克,王壮,贺雷,等.天然气管道蒸气云爆炸事故定量计算及风险评估[J].工业安全与环保,2019,45(11):31-35.

  [4]孙永庆,钟群鹏,张峥,等.城市燃气管道风险评估中失效后果的计算[J].天然气工业,2006(1):120-122.

  [5]张萌,胡定煜,舒中俊,等.CNG储气井泄漏导致火灾及爆炸事故风险分析与对策研究[J].防灾科技学院学报,2013,15(2):30-35.

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