陳立海

長慶油田公司安全環(huán)保處

聯(lián)合站擴(kuò)建工程火災(zāi)模擬分析

陳立海

長慶油田公司安全環(huán)保處

本文針對化子坪聯(lián)合站擴(kuò)建工程，工藝系統(tǒng)可能的泄漏、擴(kuò)散及火災(zāi)事故因素進(jìn)行了分析，并利用三維CFD （計算流體力學(xué)） 模擬分析軟件KFX模擬分析，掌握了擴(kuò)建工程火災(zāi)事故可造成的危害的影響范圍、主要設(shè)施之間的相互影響及對設(shè)施內(nèi)固定場所人員的安全影響，為建設(shè)的可行性和后期運行管理提供依據(jù)。

建設(shè)項目；油氣站場；火災(zāi)模擬分析

1 項目基本情況

化子坪聯(lián)合站屬于長慶油田公司，2004年11月投運，是一座集原油集輸、計量、裝卸、污水處理及外輸為一體的聯(lián)合站。聯(lián)合站地處典型的陜北高原丘陵溝壑區(qū)，氣候?qū)僦袦貛Т箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，全年主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)，平均風(fēng)速為3級（3.4~5.4m/s）占地43畝，按照功能和人員布置，可以劃分為辦公區(qū)、來油計量區(qū)、換熱區(qū)、卸油區(qū)、5000m3儲罐區(qū)、1000m3儲罐區(qū)、200m3儲罐區(qū)、外輸泵房區(qū)、污水處理區(qū)等。為滿足發(fā)展需要，聯(lián)合站于近年進(jìn)行了擴(kuò)建，擴(kuò)建內(nèi)容包括5000m3沉降罐一座（在原5000m2罐區(qū)內(nèi)）、80m2套管換熱器一套?？紤]到本身站點的危險性及周邊環(huán)境，一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，可能威脅生產(chǎn)站場設(shè)施、周邊站場和居民的安全，為弄清擴(kuò)建設(shè)施與原油設(shè)施之間的相互影響，在可研前期利用國際上先進(jìn)的三維CFD（計算流體力學(xué)）模擬分析軟件KFX進(jìn)行了模擬分析，從而掌握擴(kuò)建工程和現(xiàn)有設(shè)施之間的相互影響，為后期建設(shè)和安全運行提供了可靠的依據(jù)。

2 危害因素識別

聯(lián)合站主要物料為原油。在流程工業(yè)中，絕大多數(shù)火災(zāi)、爆炸事故都是由于可燃物料意外泄露，氣體或揮發(fā)的蒸汽遇到引火源被點燃造成。

2.1 工藝泄露

造成物料從工藝設(shè)施中泄露的原因很多，歸納起來工藝泄露的原因主要有設(shè)備失效和操作不當(dāng)。設(shè)備失效/故障可能是管線或容器的破裂或部分破裂，法蘭或其他連接處的泄露，儀表連接和閥門等設(shè)備泄露。泄露的可能原因為包括外部破壞、材料缺陷、施工缺陷（焊接缺陷）、疲勞失效、腐蝕、維修不善等，操作不當(dāng)可能包括：帶壓設(shè)備排污、放空或采樣管線的操作不當(dāng)、維修或測試后閥門的位置設(shè)置不當(dāng)、超限充裝或超壓導(dǎo)致的過量放空等。此次火災(zāi)爆炸分析，工藝泄露主要考慮設(shè)備失效引發(fā)的泄露。

2.2 事故發(fā)展的流程

可燃物質(zhì)泄露到外部后，根據(jù)泄露物質(zhì)、點火源等情況的變化，從而更進(jìn)一步衍生為不同的事故類型，如池火、閃火和爆炸等，由設(shè)備失效引發(fā)泄露并導(dǎo)致事故發(fā)生的過程如下圖。本次火災(zāi)爆炸分析將考慮泄漏可能性和泄漏后果的嚴(yán)重程度來確定泄漏尺寸，并進(jìn)行泄漏質(zhì)量速率以及對應(yīng)的火災(zāi)、爆炸后果等進(jìn)行分析和計算。

3 泄漏情形分析

泄漏情形分析是進(jìn)行CFD后果模擬的重要輸入，其分析內(nèi)容主要包括泄漏位置/設(shè)備選取、泄漏類型分析、泄漏速率計算等內(nèi)容。

3.1 泄漏設(shè)備的選取

根據(jù)API RP 581和OGP數(shù)據(jù)庫公開發(fā)布的設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫，聯(lián)合站擴(kuò)建工程中泄漏可能性較高的設(shè)備類型有：泵、儲罐、換熱器、閥門和管道。上述設(shè)備設(shè)施一旦發(fā)生油氣泄漏，在一定條件下（如可燃?xì)怏w濃度、點火源），泄漏的油氣會被點燃，繼而導(dǎo)致各類火災(zāi)、爆炸事故，在事故發(fā)生點周邊的人員、設(shè)備、建筑物等會受到火災(zāi)、爆炸影響，考慮到本次分析的重點為改擴(kuò)建設(shè)施與已建設(shè)施的相互影響，通過設(shè)備的平面布置可以得出，油氣泄漏后果較為嚴(yán)重的設(shè)備設(shè)施，見表1。

表1 泄漏后果較嚴(yán)重的設(shè)備設(shè)施

3.2 泄漏類型及質(zhì)量速率

根據(jù)API RP 581和OGP數(shù)據(jù)推薦的泄漏類型和對應(yīng)破空尺寸，綜合考慮泄漏頻率和泄漏后果，分析選定大型泄漏（APT RP 581 2“-6”,OGP 50~150mm）和換熱器初始質(zhì)量泄漏速率18kg/s進(jìn)行后果模擬分析（在計算中換熱器泄露速率為89.7kg/s，由于聯(lián)合站來油含水量約80%，因此換熱器原油大泄露的泄露速率約為18kg/s）。一般認(rèn)為其液池面積等于防火堤面積。

4 火災(zāi)爆炸分析

根據(jù)泄漏情形分析結(jié)果，采用三維計算流體力學(xué)（CFD）模擬軟件對火災(zāi)后果進(jìn)行模擬分析計算。其中，風(fēng)場條件對火災(zāi)的后果影響較小，對氣體擴(kuò)散影響很大，為取得較為惡劣的事故后果，分析條件選定為平均風(fēng)速（三級風(fēng)，4m/s）；大氣穩(wěn)度選取中性穩(wěn)定度（D級）進(jìn)行火災(zāi)和擴(kuò)散模擬。根據(jù)需要，分別對擴(kuò)建5 000m3儲油罐火災(zāi)后果、擴(kuò)建換熱器火災(zāi)后果、已建1 000m3儲油罐火災(zāi)后果和已建換熱器火災(zāi)后果進(jìn)行了分析。

4.1 擴(kuò)建設(shè)施火災(zāi)爆炸分析

在KFX火災(zāi)爆炸中，分別對一座5000m3儲罐和一臺套管換熱器發(fā)生大泄漏（100mm孔徑）導(dǎo)致的池液火災(zāi)進(jìn)行了模擬分析。模擬，見表2。

表2 擴(kuò)建儲油罐火災(zāi)后果模擬

通過模擬可知，37.5kw/m2及以上的熱輻射通量被限制在防火堤內(nèi)；12.5kw/m2至37.5kw/m2的熱輻射通量覆蓋的范圍很有限，在防火堤周圍5m以內(nèi)；4kw/m2至12.5kw/m2的熱輻射通量可達(dá)到1000m2罐區(qū)和卸油區(qū)。

由表3的條件模擬可知，37.5kw/m2及以上的熱輻射覆蓋范圍大致與池液覆蓋的面積相同，可影響60m2的已建換熱器和80m2的來油閥組、計量間；12.5kw/m2至37.5kw/m2的熱輻射通量覆蓋的范圍很有限；4kw/m2至12.5kw/m2的熱輻射可達(dá)到站外道路和卸油臺。

表3 擴(kuò)建換熱器火災(zāi)后果模擬

4.2 已建設(shè)施火災(zāi)爆炸分析

在KFX火災(zāi)爆炸中，分別對一座1000m3儲罐和一臺套管換熱器發(fā)生大泄漏（100mm孔徑）導(dǎo)致的池液火災(zāi)進(jìn)行了模擬分析，見表4。

表4 已建1000m3火災(zāi)后果模擬

通過模擬可知，37.5kw/m2及以上的熱輻射通量被限制在防火堤內(nèi)；小部分37.5kw/m2及以上水平的熱輻射達(dá)到了防火堤5m左右的范圍；12.5kw/m2至37.5kw/m2的熱輻射覆蓋范圍達(dá)到了交接罐區(qū)的防火堤；4kw/m2至12.5kw/m2的水平的熱輻射可達(dá)到交接罐。

表5 已建換熱器火災(zāi)后果模擬

由表5條件模擬可知，37.5kw/m2及以上的熱輻射覆蓋范圍大致與池液覆蓋的面積相同，可影響60m2的已建換熱器和80m2的來油閥組、計量間；12.5kw/m2至37.5kw/m2的熱輻射通量覆蓋的范圍很有限；4kw/m2至12.5kw/m2的熱輻射可達(dá)到站外道路和卸油臺。

5 結(jié)論

根據(jù)CFD火災(zāi)模擬分析計算結(jié)果可以得出，聯(lián)合站擴(kuò)建工程可行，主要體現(xiàn)在：

（1） 聯(lián)合站擴(kuò)建設(shè)施的火災(zāi)事故對已建設(shè)施和周邊設(shè)施及環(huán)境影響有限。

通過模擬分析可以得出，根據(jù)CFD火災(zāi)模擬結(jié)果和設(shè)備破壞判定標(biāo)準(zhǔn)（熱輻射37.5Kw/m2），聯(lián)合站擴(kuò)建儲罐和換熱器發(fā)生大泄露（100mm）導(dǎo)致的池火災(zāi)會影響火災(zāi)的設(shè)施，如已建換熱器和其他5000m3儲罐，池火影響范圍大致等同于液池范圍，一般情況下不會影響到池液范圍外的設(shè)施和周邊環(huán)境設(shè)施。

（2） 聯(lián)合站已建設(shè)施的火災(zāi)事故對擴(kuò)建設(shè)施有和周邊的設(shè)施影響有限。

根據(jù)CFD火災(zāi)模擬結(jié)果和設(shè)備破壞判定標(biāo)準(zhǔn)（熱輻射37.5Kw/m2），聯(lián)合站已建5000m3儲罐大泄露會影響防火堤內(nèi)的擴(kuò)建5000m3儲罐，已建換熱器泄漏會影響池火范圍內(nèi)的擴(kuò)建換熱器、來油閥組和來油計量間，池火影響范圍大致范圍等同于液池范圍，一般情況下不會影響到液池范圍外的設(shè)施和周邊環(huán)境的設(shè)施。

[1] Norweqian petroleum industry. Z-013,Risk and Emerfencey preparedness assessment[S].2010

[2] American Petroleum Institute.API RP 581,Risk-Based Inspection, Base Resource Document[S].2000