蔣立軍，劉 峰，高 震，高子惠

（1. 遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順113000； 2. 中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司鉆井一公司， 遼寧 盤錦 124010）

PHAST軟件在輸氣站場(chǎng)泄漏事故后果評(píng)估中的應(yīng)用

蔣立軍1，劉 峰1，高 震1，高子惠2

（1. 遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順113000； 2. 中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司鉆井一公司， 遼寧 盤錦 124010）

天然氣輸氣站場(chǎng)是天然氣長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)重要組成部分，屬于易燃易爆場(chǎng)所，主要風(fēng)險(xiǎn)為可燃天然氣的擴(kuò)散及其火災(zāi)爆炸。采用挪威船級(jí)社的PHAST 軟件分別對(duì)西氣東輸某站天然氣擴(kuò)散和火災(zāi)爆炸影響進(jìn)行了定量計(jì)算和影響分析，并得出此站場(chǎng)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)圖表提出了風(fēng)險(xiǎn)防范依據(jù)，為提高天然氣輸氣站場(chǎng)安全管理水平，降低事故風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)，為輸氣站的安全設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

輸氣站場(chǎng)；PHAST軟件；泄漏爆炸；定量計(jì)算；后果評(píng)價(jià)

天然氣站場(chǎng)作為輸氣系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著保障輸氣運(yùn)行和管道安全平穩(wěn)的任務(wù)，但輸氣站場(chǎng)點(diǎn)多、面廣、環(huán)境偏遠(yuǎn)、站場(chǎng)內(nèi)設(shè)備集中、人員結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，不僅可能造成設(shè)備損壞、人員傷害，更可能致使整條管線癱瘓。所以，對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管道的輸氣站進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和事故后果模擬是一項(xiàng)具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值的研究。

1 天然氣站場(chǎng)的危險(xiǎn)有害分析及事故分類

1.1 天然氣站場(chǎng)的基本情況

某天然氣站場(chǎng)最大設(shè)計(jì)天然氣處理能力9 329 ×104Nm3/d，來(lái)氣經(jīng)氣質(zhì)在線分析、計(jì)量、過(guò)濾、聚結(jié)和增壓、冷卻后輸往下游。

主要工藝設(shè)施及系統(tǒng)包括：在線氣質(zhì)分析設(shè)備；計(jì)量設(shè)備；過(guò)濾、聚結(jié)設(shè)備(過(guò)濾分離器、氣-液聚結(jié)器各6臺(tái))；增壓設(shè)備(采用4臺(tái)單機(jī)功率為30 MW等級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)組按3用1備運(yùn)行)；清管器發(fā)送設(shè)備；緊急截?cái)嘞到y(tǒng)；自用氣處理橇；壓縮空氣系統(tǒng)；放空、排污系統(tǒng)等。對(duì)上游來(lái)氣進(jìn)行總計(jì)量后，再進(jìn)行氣體在線分析，然后通過(guò)匯氣管進(jìn)入過(guò)濾分離器進(jìn)行分離，之后進(jìn)入離心式壓縮機(jī)組增壓。

1.2 危險(xiǎn)性分析

西氣東輸二線工程氣源主要包括中亞土庫(kù)曼斯坦、哈薩克斯坦來(lái)氣和塔里木氣田來(lái)氣，主要成分為甲烷，在空氣中，天然氣的體積分?jǐn)?shù)只要達(dá)到在通常環(huán)境中引起燃燒和爆炸。逸散的天然氣和空氣混合，當(dāng)濃度達(dá)到爆炸下限時(shí)，如遇明火就會(huì)發(fā)生爆炸[1]，這是天然氣事故中危害與損失最大的一種；如果未達(dá)到爆炸下限，遇明火則會(huì)發(fā)生燃燒。

1.3 事故模擬分析

引發(fā)站場(chǎng)事故的主要危險(xiǎn)、有害因素表現(xiàn)為站內(nèi)管道破裂、站場(chǎng)設(shè)備故障和設(shè)備泄漏等。一旦泄露會(huì)引起蒸氣云爆炸，閃火，噴火等事故[2]。

2 PHAST軟件模擬計(jì)算

2.1 PHAST軟件介紹

挪威DNV公司開(kāi)發(fā)的量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算軟件包括LEAK軟件包和PHAST軟件包兩部分[3]。

LEAK軟件包可以分別按泄漏孔徑和物料泄漏量?jī)煞N模式進(jìn)行泄漏頻率計(jì)算，其結(jié)果可以為其他量化風(fēng)險(xiǎn)軟件的計(jì)算提供輸入?yún)?shù)。DNV公司通過(guò)對(duì)石油化工行業(yè)多年來(lái)所發(fā)生的災(zāi)難事故的統(tǒng)計(jì)和分析，建立了泄漏事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，并定期更新，不斷對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)。

PHAST軟件包可將事故發(fā)生的頻率與過(guò)程結(jié)合，根據(jù)泄漏介質(zhì)的特性、當(dāng)?shù)貧鉁?、風(fēng)速、點(diǎn)火源位置、人員分布等條件，計(jì)算模擬事故的火災(zāi)熱輻射和爆炸沖擊波的范圍等。

2.2 參數(shù)設(shè)置

利用SAFETI軟件對(duì)該站場(chǎng)進(jìn)行事故后果計(jì)算，該站場(chǎng)的基礎(chǔ)輸入?yún)?shù)為平均氣溫8.0℃，靜風(fēng)風(fēng)速1.5 m/s，平均風(fēng)速2.1 m/s最大風(fēng)速34 m/s，地面粗糙度0.09，占地面積4 2171 m2進(jìn)站溫度20 ℃，進(jìn)站壓力7.0 MPa，進(jìn)站流量9 277(104m3/d)。其中，計(jì)算物質(zhì)選用甲烷，這是因?yàn)镾AFETI軟件預(yù)設(shè)的物質(zhì)庫(kù)中沒(méi)有天然氣混合物，而本工程中天然氣組分中甲烷含量較高。地面粗糙度取0.09，是根據(jù)DNV公司風(fēng)險(xiǎn)分析軟件資料介紹，此值適用于露天場(chǎng)地。

2.3 事故模型建立

各站場(chǎng)存在著因高壓、腐蝕而造成天然氣泄漏、甚至破裂的危險(xiǎn)，主要災(zāi)害形式是火災(zāi)和爆炸。因此，對(duì)該站場(chǎng)建立事故模型時(shí)，考慮了站內(nèi)天然氣泄漏和破裂兩種情況。輸入完畢計(jì)算所需參數(shù)后，SAFETI軟件根據(jù)建立的事故模型，計(jì)算出特定條件下的事故后果。由于管道破裂產(chǎn)生的后果大于火炬放空時(shí)的后果，因此，在事故模型建立時(shí)，不考慮火炬放空時(shí)出現(xiàn)的后果。

2.4 計(jì)算結(jié)果

2.4.1 事故頻率計(jì)算及結(jié)果

泄漏和破裂的事故頻率計(jì)算，用LEAK軟件包進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果該站的泄漏事故頻率為0.033 5(次/a)破裂事故頻率為0.004 1(次/a)這個(gè)結(jié)果也作為建立事故模型時(shí)的輸入?yún)?shù)。

2.4.2 事故后果計(jì)算及結(jié)果

站場(chǎng)事故后果計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 站場(chǎng)事故后果計(jì)算結(jié)果Table 1 Transmission station accident consequence result

2.4.3 事故風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算及結(jié)果

將該站場(chǎng)平面布置圖輸入作為圖形文件，定義原點(diǎn)和比例。在圖上標(biāo)注站場(chǎng)內(nèi)的點(diǎn)火源與人員分布的區(qū)域。軟件根據(jù)輸入的這些參數(shù)，并自動(dòng)結(jié)合前述事故頻率計(jì)算結(jié)果與事故后果，得到事故風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果。該站場(chǎng)年個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)[4]等高線(IRPA)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 年個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)(IPRA)等高線分布Fig.1 The contour map of personal risk

3 事故后果分析

（1）該站場(chǎng)的工藝裝置區(qū)泄漏事故的頻率較高。這是因?yàn)楦髡緢?chǎng)內(nèi)的設(shè)備、管線相對(duì)集中于工藝裝置區(qū)內(nèi)，而法蘭、閥門、接頭都是站內(nèi)天然氣易泄漏的部位。

（2）事故后果計(jì)算結(jié)果中的影響范圍指的是著火點(diǎn)與達(dá)到熱輻射強(qiáng)度或超壓沖擊波之間的直線距離。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘的情況，對(duì)各站場(chǎng)事故后果計(jì)算結(jié)果的分析如下：該站噴火、火球及爆炸影響范圍的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2-5。

表2 泄漏噴火影響范圍［5］Table 2 The influence scope of leak eruption

從計(jì)算結(jié)果中看到，在平均風(fēng)速2.1 m/s、大氣穩(wěn)定度D條件下，因天然氣泄漏而引發(fā)噴火的熱輻射(輻射強(qiáng)度為12.5 kW/m2)影響范圍約26.9 m。若天然氣泄漏持續(xù)一段時(shí)間，將可能引發(fā)閃火或蒸氣云爆炸，在上述風(fēng)速與大氣穩(wěn)定度下，后期爆炸的最大影響范圍為46.7 m；若發(fā)生破裂事故，可造成人員輕微傷害的沖擊波影響范圍為331.4 m，火球熱輻射強(qiáng)度達(dá)到12.5 kW/m2時(shí)的影響距離為903.0 m。

表3 泄漏后期爆炸影響范圍Table 3 The influence scope of exploding in the later stage of leakage

表4 破裂火球影響范圍Table 4 The influence scope of fracture fireball

表5 破裂后期爆炸影響范圍[6]Table 5 The influence scope of exploding in the later stage of fracture

風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果表示了由于站場(chǎng)工藝裝置區(qū)內(nèi)發(fā)生泄漏或破裂時(shí)對(duì)站內(nèi)人員及站內(nèi)建構(gòu)筑物造成的危險(xiǎn)等級(jí)。從風(fēng)險(xiǎn)輪廓圖中可以得出，年個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值均不大于1×10-4人/a，風(fēng)險(xiǎn)值處于中、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)[7]。需要在站場(chǎng)中采取相應(yīng)的預(yù)防措施，將風(fēng)險(xiǎn)降低到完全可接受的水平(1×10-5人/a)。

4 結(jié) 論

（1）天然氣輸氣站場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)、爆炸的后果都非常嚴(yán)重。對(duì)比噴射火、火球和爆炸三者對(duì)人和建筑物的影響程度，破裂火球產(chǎn)生的危害要大于噴射火和爆炸且基本不受風(fēng)速影響；

（2）不同風(fēng)速的下的泄漏源產(chǎn)生的影響嚴(yán)重程度不同。隨著風(fēng)速的增大，熱輻射強(qiáng)度變小，爆炸的影響范圍卻擴(kuò)大；

（3）天然氣輸氣站場(chǎng)的總平面布置、安全設(shè)備設(shè)施設(shè)計(jì)應(yīng)考慮安全防護(hù)距離， 輸氣站的安全管理及事故預(yù)防均應(yīng)考慮事故的影響范圍。

（4）輸氣站場(chǎng)事故發(fā)生具有不確定性，因此，運(yùn)用SAFETI6.5.1 軟件對(duì)各種常見(jiàn)事故模型進(jìn)行定量模擬計(jì)算，模擬結(jié)果對(duì)輸氣站的安全運(yùn)行和事故預(yù)防具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］ 朱伯齡，PHAST 軟件對(duì)液化天然氣泄漏擴(kuò)散的研究[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2009,26（11）:1419.

［2］ 勞敏.基于PHAST軟件的CNG加氣站安全評(píng)價(jià)[J].上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究，2012,.2（上）：218-219.

［3］ 韓文峰.油氣集輸聯(lián)合站火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)分析與事故后果模擬[J].中國(guó)石化勝利油田新疆勘探開(kāi)發(fā)中心，2011，11（3）：40-43.

［4］ 吳宗之，多英全，魏利軍，關(guān)磊．區(qū)域定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法及其在城市重大危險(xiǎn)源安全規(guī)劃中的應(yīng)用[J]．中國(guó)工程科學(xué)，2006，8(4)： 46-49.

［5］ 劉鐵民，張興凱，劉功智．安全評(píng)價(jià)方法應(yīng)用指南[M]．北京：化學(xué)業(yè)出版社，2005-02：63-341.

［6］ 王濤.CNG加氣母站風(fēng)險(xiǎn)分析及事故后果模擬[J].經(jīng)濟(jì)管理與安全環(huán)保，2010，30（9）:108.

［7］ Phani K．Raj，Theodore Lemoff．Risk analvsis based LNG facility siting standard in NFPA59A[J]．Joumal of Loss Prevention in the Process Industries，2009，22：820-829.

Application of PHAST Software in Gas Transmission Station Leakage Accident Consequence Assessment

JIANG Li-jun1，LIU Feng1，GAO Zhen1, GAO Zi-hui2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Drilling No.1 Branch,Greatwall Drilling Engineering Company, CNPC, Liaoning Panjin 124010，China)

Gas transmission station is an important part of the system of natural gas transmission pipeline; it also belongs to flammable and explosive place. Its main risk is the spread of the combustible gas and fire explosion. In this article, Det Norske Veritas PHAST software was adopted to respectively carry out quantitative calculation and analysis of gas diffusion and fire explosion influence factors of a station in west to east gas pipeline, then the yard personal risk chart was obtained, and risk prevention basis was put forward, which could improve the natural gas station safety management level and reduce the accident risk.

Gas transmission station; Phast software; Leakage explosion; Quantitative calculation; Consequence evaluation

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）02-0292-03

2014-09-04

蔣立軍（1987-），男，河北唐山人，研究生，2015年畢業(yè)遼寧石油化工大學(xué)安全科學(xué)與工程專業(yè)，研究方向：石化設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)管理及安全評(píng)價(jià)。E-mail：824892525@qq.com。