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LPG储罐的蒸气云爆炸后果模拟


 2008 年第 19 期            内蒙古石油化工

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L P G 储罐的蒸气云爆炸后果模拟
黄 斌, 刘 扬, 傅 程, 辛 颖

( 1. 大庆石油学院提高油气采收率教育部重点实验室; 2. 大庆石油学院石油工程学院)

  摘 要: 液化石油气是一种常见的危险化学品

, 对其储罐发生事故的后果进行分析, 对预防控制事 故和保证安全生产都具有重要的意义。 本文在分析液化石油气的危险特性和发生蒸气云爆炸事故特点 的基础上, 用两种常用的蒸气云爆炸后果模拟方法 TN T 当量法和 TNO 多能法对液化石油气储罐发生 蒸气云爆炸的后果进行计算, 分别得到死亡、 重伤、 轻伤和财产损失半径。 对两种方法的计算过程和结果 进行了分析和讨论, 并给出了罐区设计时的建议。 关键词: 蒸气云爆炸; L PG; TN T 当量法; TNO 多能法; 伤害半径   液化石油气 (L PG ) 是十大危险化学品之一, 具 有易燃易爆的特性。 由于常温常压下密度较小, 为了 便于储存和运输, 通常加压液化后储存在球形储罐 内。L PG 储罐一旦由于操作或腐蚀等原因发生破 损, 将导致L PG 泄漏, 泄漏后在空间扩散形成蒸气 云团, 遇火产生蒸气云爆炸 (V CE ) , 引起爆炸冲击 波、 热辐射等将对周围的人员和设施造成伤害和破 坏。对L PG 储罐发生爆炸事故的后果进行计算和分 析, 对于了解事故的危害性, 预防和控制事故都具有 重要的意义[ 1 ]。 1 液化石油气火灾爆炸特性及蒸气云爆炸特点 1. 1 L PG 的火灾爆炸特性[ 2- 5 ] 液化石油气 (L PG ) 主要成分是丙烷、 丁烷, 还有 少量的丙烯、 丁烯、 甲烷等, 产地和处理工艺不同时具 体组成不同。 液化石油气的主要危险性在于它具有易 燃、 易爆特性, 由此引发的事故发生频率也较高。 当液 化石油气储罐泄漏时如果形成射流, 并且在泄漏裂口 处被点燃, 会形成喷射火火灾; 储罐破裂导致大量泄漏 形成液池时, 遇到火源会发生池火灾; 当泄漏后可燃气 体或蒸气与空气的云状混合物遇到延迟点火可引发蒸 气云爆炸 (V CE ) ; 同时, 某个储罐的火灾、 爆炸事故会 影响到同罐区内其他储罐, 在外部火焰的烘烤下突然 破裂, 压力平衡破坏, L PG 急剧气化, 并随即被火焰点 燃会产生爆炸沸腾液体扩展蒸气爆炸 (BL EV E ) ; 或受 到烘烤时储罐压力增大, 超过承压爆炸, L PG 释放并 被点燃时, 则产生火球火灾。 1. 2 蒸气云爆炸事故特点[ 1, 6 ] 蒸气云爆炸 (V CE ) 是由于气体或易挥发液体 燃料的大量快速泄漏, 与周围空气混合形成 “预混 云”在某一有限空间遇点火而导致的爆炸。 当液化 ,
Ξ

石油气罐体在机械作用、 化学作用或热作用下发生 破坏导致液化气快速泄漏后与周围空气形成爆炸性 混合气云, 在遇到延迟点火的情况下被引爆, 发生 V CE。L PG 一旦泄漏, 迅速在空气中汽化。汽化时, 从周围环境吸收大量的热量, 使空气中的水分冷却 成为细小雾滴, 形成液化烃的蒸气云, 并从泄漏点沿 地面向下风向或低洼处漂移、 积聚。 当某区域气云浓 度高于爆炸下限, 且低于爆炸上限时, 遇明火将会引 发蒸气云爆炸事故, V CE 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, 其中爆炸冲击波的破坏作用最 强, 破坏区域最大。 2 蒸气云爆炸后果模拟计算方法 2. 1 TN T 当量法[ 1, 2, 7 ] 用TN T 当量来描述蒸气云爆炸的能量, 即将参 与爆炸的可燃气体释放的能量折合为释放相同能量 的 TN T 炸药的量, 然后用有关 TN T 爆炸效应的实 验数据预测蒸气云爆炸效应。 2. 1. 1 计算步骤为 2. 1. 1. 1 确定泄漏量 假定裂缝位置在液面以下, 泄漏为高压液体的 泄漏, 泄漏后迅速气化蔓延, 因此蒸气云爆炸强度由 泄漏量决定。 当泄漏为连续泄漏时, 根据伯努利方 程, 初始泄漏速度为:
U 0=

Ξ

根据泄漏源强度的时空模型
2 2 Q m = Θ 0A H - C d g Θ H A r = C d Θ H ( U 0 U tA A C dgΘ H A r ) tA

任意时间内的总泄漏量

收稿日期: 2008- 02- 15

基金项目: 黑龙江省振兴东北老工业基地项目 ( 1152gzd04) 。 研究生, 从事安全评价方面的研究工作。

作者简介: 黄斌 ( 1982—) , 男, 助教, 2004 年毕业于大庆石油学院石油工程专业, 现为大庆石油学院油气储运专业硕士

2 ( P - P 0 ) Θ 2gh +

( 1)

30
t

内蒙古石油化工            2008 年第 19 期 

W0=
2 d 2 H 2

∫ dt = C A Q
0 m d

H

Θ A gC ( 2) t Ar 式中: U 0 为初始泄漏率, kg s; C d 为泄漏系数, 无量纲; A H 为泄孔的面积, m 2; A r 为储罐内液面积, 2 3 m ; Θ为储存介质的密度, kg m ; h 为孔上液位高 度, m ; t 为泄漏时间, s; g 为重力加速度, m s2; P 为 储罐储存压力, Pa; P 0 为环境压力, Pa; W 0 为泄漏 量, kg。 2. 1. 1. 2 确定燃料的闪蒸部分, 用下式计算 T- T0 ( 3) F = CP H 式中: F 为闪蒸系数, 无量纲; C p 为液体的定压 比热, KJ ( kg ?K ) ; T 为泄漏前液体的温度, K; T 0 为常压下液体的沸点, K; H 为汽化潜热, J kg。 2. 1. 1. 3  计算可燃云团的质量, 若只考虑单孔泄 漏, 对爆炸有实际贡献的燃料质量, 用下式来计算: ( 4) W = F× 0 W 式中:W 为可燃云团质量, kg。 2. 1. 2 TN T 当量可用下式计算 ( 5) W TN T = a eW H f H TN T 式中: W TN T 为 TN T 当量, kg; W 为可燃云团质 量, kg; H f 为燃料的燃烧热M J kg, a e 为 TN T 当量 系数, 一般取 a e = - 0. 03; H TN T 为 TN T 的爆热, H TN T = 4. 65 J Kg。 M 若为地面或近地面爆炸, 爆炸总能量为实际的 1. 8 倍, 即式 ( 5) 变为 ( 6) W TN T = 1. 8a eW H f H TN T 2. 1. 3 计算伤害半径 计算公式为 1 3 x = 0. 3967 TN T exp [ 5. 0502- 0. 8778ln ? p + 0. W 2 ( 7) 0398 ( ln ? p ) ] 式中: x 为伤害半径; ? P 为超压值, KPa, 根据 超压伤害准则, 死亡半径按超压 90kPa 计算, 重伤半 径 按 44 kPa 计算, 轻伤半径按 17 kPa 计算, 财产损 失半径按 13. 8 kPa 计算。 2. 2 TNO 多能法 TNO ( T he N etherland s O rgan iza t ion ) 多 能 [8] 法 是目前模拟预测蒸气云爆炸的常用方法, 是荷 兰 TNO 实验室于 1985 年在大量的实验和数值研究 基础上提出并逐步完善起来的。 TNO 多能法属于一 维数值模型, 在 TNO 模型基础上进行改进, 综合考 虑了湍流加速、 局部约束、 气体活性等各种因素, 是 一个分析蒸气云爆炸的原则、 方法。 它假设蒸气云为 半球形, 中心点火, 火焰以恒定速度传播, 然后用数 值方法计算不同燃烧速度下的蒸气云爆炸, 获得一 组爆炸强度曲线。 该模型经大量的实验结果验证和 修正, 比较接近事实。 由于其概念清晰、 易于求解, 因

Θ t

2 ( P - P 0 ) Θ 2gh +

此在预测蒸气云爆炸后果时使用较为广泛。 2. 2. 1 多能法的计算步骤[ 7 ] 为: 2. 2. 1. 1 识别潜在的强烈爆炸子源。 如高速喷嘴周 围, 设备密集区域, 平行平面之间的部分或管架结构 的内部空间等。 2. 2. 1. 2 确定该子源的能量。 碳氢化合物与空气混 合在理想配比下的燃烧热一般取 3. 5×106J m 3。 所 以, 该子源的能量为 3. 5 ×106J m 3 乘以这部分子源 空间的体积。

图 1 无量纲峰值侧向超压和无量纲距离的关系曲线

确定伤害半径。 3 计算过程 设 某液化气站有直径为 9 200mm 的球形 L PG 储罐 3 座, 储存压力 4×105 Pa, 储存温度 298K, 环境 压力 1. 01×105 Pa, 每个罐内储有L PG20t, 已知L PG 密度约为 0. 5 ×103 kg m 3 , 定压比热 Cp 为 2. 768 × 103 , 常压下沸点 231. 9K, 汽化潜热H 为 4. 26×105J 7 kg, 燃烧热Q C 为 4. 65×10 J kg。 3. 1 TN T 法 由于罐区内储罐同时发生事故概率很小, 按照 单个储罐事故最严重情况, 假设储罐内 20tL PG 全 部泄漏, 即泄漏量以20t 计。经计算, 闪蒸系数F = 0. 4293, 可燃云团的质量,W = 8586kg, 由于泄漏后为 地面爆炸, 按照式 ( 6)W TN T = 4625. 1kg。伤害半径根 据式 ( 7 ) 得, x 死亡 = 44. 46m , x 重伤 = 65. 81m , x 轻伤 = 118. 05m , x 财产损失 = 135. 50m 。 3. 2 TNO 多能法 根据多能法理论, 在蒸气云中只有封闭、 限制部 分的蒸气云起主要作用。 由于L PG 密度大于空气, 扩散后储罐下部整个空间充满蒸气云, 因此, 3 座储

2. 2. 1. 3 确定初始爆炸烈度。 实验表明, 蒸气云爆 炸产生的超压范围很大, 从远小于 1 个大气压到超 过 10 个大气压, 理论上将此剧烈程度分为 10 级。图 1 为不同的烈度下无量纲距离和无量纲峰值侧向超 θ ? 压? P s 的关系曲线。 其中横坐标R = R ( E P 0 ) 1 3 , 纵 θ 坐标 ? P s = ? P s Po。 这里 R 为离爆炸中心的实际距离,m ; E 为燃烧 能量, J; Po 为环境压力, Pa; ? P s 为爆炸超压, kPa。 2. 2. 1. 4 确定伤害半径 取和 TN T 当量法相同的超压值, 根据图 1 曲线

 2008 年第 19 期      黄斌等 L PG 储罐的蒸气云爆炸后果模拟 罐下部为主要爆炸子源。 座储罐下部体积 = 504. 3 V 96m 3 , 可燃混合物的能量 E = 1767. 37 J , 则产生爆 M 炸的可燃空气混合物中L PG 不超过38kg。 对于初始 爆炸烈度, 一般储罐库区等一定程度受限空间取爆 炸烈度等级为 7 级[ 8 ]。根据图 1 确定伤害半径。如死 θ 亡半径: ? P s = ? P s p 0 = 90 101. 325= 0. 89, 查图 1 ? 可得 R = 0. 65, 则离爆炸中心的实际距离即死亡半 ? 径 R 死亡 = R ? ( E p 0 ) 1 3 = 16. 85m ; 同理, 重伤半径 R 重伤 = 24. 63m , R 轻伤 = 28. 52m , R 财产损失 = 29. 81m 。 4 危害结果及讨论分析 4. 1 结果对比 两种方法得到的结果对比如下:
表1
TN T 当量法和 TNO 多能法计算结果对比 TN T 当量法 44. 46 65. 81

31

爆炸事故可能对相邻储罐造成威胁, 产生爆炸沸腾 液体扩展蒸气爆炸 (BL EV E ) 或火球火灾; 并且由 TNO 多能法的计算过程可知, 受限体积的大小直接 影响爆炸波及范围, 因此在罐区设计时, 在满足防火 防爆间距的同时, 因尽量减少储罐分布密度; 其他辅 助区域的布置同样在满足防火防爆间距的同时, 应 考虑伤害半径的大小。
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伤害半径 (m ) 死亡半径 重伤半径 轻伤半径

TNO 多能法 16. 85 24. 63 28. 52 29. 81

118. 05 135. 50

财产损失半径

4. 2 讨论 4. 2. 1  TN T 当量法计算中没有设定泄漏时间, 裂 缝形状、 面积及裂缝上液位高度等影响泄漏量的值, 而是假设罐内全部L PG 泄漏到环境当中, 如给定上 述各值, 得到相应的伤害半径; 4. 2. 2 TN T 当量法的计算偏于保守。 由于TN T 是 凝聚相的, 爆炸可以用点源描述, 而蒸气云体积较 大, 不适合用点源描述, 因此 TN T 当量法夸大了爆

炸近场处的超压。 4. 2. 3  根据 TNO 多能法理论, 泄漏产生蒸气云的 未受限部分也可以产生超压伤害, 但一般认为爆炸 烈度为 2 级, 与封闭和受到限制部分的蒸气云爆炸 冲击波超压相比较小, 因此计算中忽略了这部分超 压。 4. 2. 4  由L PG 的火灾爆炸特性可知, 储罐的火灾

Con sequence S i ula tion of Vapor Cloud Explosion in L PG Storage Tank m H UA N G B in , L IU Y ang , F u C heng , X in Y ing

(Key L abo ra to ry of Enhanced O il and Ga s R ecovery of M in istry of Educa tion, D aqing Petro leum In stitu te, Petro leum Eng ineering In sititude of D aqing Petro leum In stitu te, P. C. 163318)

Abstract: L iquefied p et ro leum ga s is a nom a l chem ica l, ana lyzing the con sequence of acciden t s in L PG sto rage tank is sign ifican t in p reven t ing and con t ro lling the acciden t and gua ran teeing p roduct ion safety. O n the ba sis of ana lyzing the haza rdou s cha racterist ic and the cha racterist ic of vapo r cloud exp lo sion acciden t of liquefied p et ro leum ga s, tw o m ethod s TN T equ iva len t m ethod and TNO m u lt i- energy m ethod a re u sed to ca lcu la te the con sequence of vapo r cloud exp lo sion acciden t in L PG sto rage tank, the rad iu s of dea th, severe in ju ry, sligh t in ju ry and p rop erty lo ss a re ob ta ined. T hen th is p ap er ana ly sises and d iscu sses the ca lcu la t ion p rocess and resu lt s, and g ives suggest ion s fo r tank fa rm design ing. Keywords: V apo r cloud exp lo sion; L PG; TN T equ iva len t m ethod; TNO m u lt i - energy m ethod; H a rm fu l rad iu s


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