李 磊

(1.中國石化青島安全工程研究院， 青島 266100； 2.應(yīng)急管理部化學(xué)品登記中心， 青島 266100)

引 言

石化罐區(qū)是煉油、化工、儲運(yùn)等諸多環(huán)節(jié)的重要場所。隨著化工企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，罐區(qū)的規(guī)模也隨之?dāng)U大，其儲存的物料種類也不斷增多。但石化罐區(qū)的儲存區(qū)域相對集中，因此發(fā)生火災(zāi)的可能性非常高。一旦儲罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)事故，將產(chǎn)生大范圍的影響，往往會殃及周圍的儲罐或建筑[1-3]，經(jīng)常是“一罐失火，四鄰遭災(zāi)”。同時(shí)，罐區(qū)火災(zāi)事故持續(xù)時(shí)間長，撲救也相對困難。近年來，由罐區(qū)系統(tǒng)故障引發(fā)的火災(zāi)、爆炸事故多有發(fā)生，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的總結(jié)，罐區(qū)火災(zāi)事故往往損失巨大[4]。Cozzani等[5]給出了一個(gè)相對完整的關(guān)于事故多米諾效應(yīng)的定義。李鵬程[6]和陳福真等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，即使事故源不在罐區(qū)，但當(dāng)事故擴(kuò)散到罐區(qū)范圍內(nèi)后，也可能引發(fā)罐區(qū)事故，使得事故規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，研究石化企業(yè)儲罐區(qū)火災(zāi)的危險(xiǎn)性、掌握事故的發(fā)展過程以及在事故狀態(tài)下采取有效的應(yīng)急處置措施，是石化企業(yè)安全生產(chǎn)和儲運(yùn)的重要保障。

仿真技術(shù)是應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的一種手段，仿真的基礎(chǔ)是建立仿真對象的數(shù)學(xué)模型，建模過程則是借助數(shù)值計(jì)算和問題求解，建立反映系統(tǒng)行為或過程的模型。在?；肥鹿恃芯款I(lǐng)域，仿真技術(shù)可以通過數(shù)字模擬，并結(jié)合事故場景演化的參數(shù)精準(zhǔn)描述事故過程的關(guān)鍵階段數(shù)據(jù)，能夠有效提升應(yīng)急響應(yīng)處置方案的針對性和準(zhǔn)確性，在應(yīng)急事故處理領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[8]。陳國華等[9]建立了基于系統(tǒng)動力學(xué)的化工園區(qū)事故演化仿真體系，提出利用應(yīng)急處置能力控制事故的上升期，從而保障信息傳遞是減少損失、控制事故的關(guān)鍵。蔡永橋等[10]建立的基于雙流體模型的兩相流泄漏模型可對裝置泄漏處的管道壓力、截面含液率、氣液相流速等參數(shù)進(jìn)行精確描述。Brambilla等[11]提出了液池?cái)U(kuò)散和燃燒模型，可以更為準(zhǔn)確地描述液膜沸騰、傳導(dǎo)熱流率、風(fēng)速等各類影響因素。然而，這些高精度方法的計(jì)算時(shí)間成本高，不適用于現(xiàn)場對工藝裝置和流程進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)的災(zāi)害推演模擬，僅適用于對事故的發(fā)生過程進(jìn)行精細(xì)準(zhǔn)確的還原計(jì)算。

本文首次提出綜合應(yīng)用工藝仿真模型、災(zāi)害仿真模型和傷害仿真模型幾種方法對事故的發(fā)生及蔓延過程進(jìn)行仿真建模，并以罐區(qū)實(shí)例對上述建模方法進(jìn)行了分析，通過模型建立了罐區(qū)爆炸事故的演進(jìn)體系。

1 罐區(qū)仿真模型的開發(fā)

1.1 工藝仿真模型建模

在罐區(qū)爆炸事故中，爆炸主體為儲存苯、甲苯和二甲苯的不同規(guī)格的內(nèi)浮頂罐，建立仿真模型的基礎(chǔ)是生產(chǎn)的工藝模型。本文根據(jù)內(nèi)浮頂罐的工作原理建立了儲罐模型。儲罐模擬發(fā)生爆炸事故的原因在于氮封系統(tǒng)失效，因此本文建立了氮封系統(tǒng)的事故模型。

1.1.1儲罐模型

內(nèi)浮頂罐在正常使用過程中為近常儲罐，但是在火災(zāi)影響下，其呼閥最大工作能力達(dá)不到儲罐壓力的調(diào)節(jié)要求(最大泄放量隨壓力增大而增加，但在達(dá)到一定程度后，增加趨勢將無法滿足儲罐壓力的調(diào)節(jié)要求)而逐漸升壓，經(jīng)歷低壓、中壓甚至高壓等過程，直至達(dá)到爆炸壓力，發(fā)生儲罐爆炸為止。同時(shí)，定容閃蒸模型適用于不定壓閃蒸，涵蓋固定容積所有壓力情況下的儲罐閃蒸計(jì)算。因此，儲罐模型以定容閃蒸模型為基礎(chǔ)進(jìn)行建模。將進(jìn)料和儲罐內(nèi)物料作為一股液相流，再按閃蒸罐模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算流程見圖1。該氣液相平衡計(jì)算在假設(shè)的平衡壓力下進(jìn)行，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校正，得到的結(jié)果與真實(shí)情況保持一致[12]。

圖1 閃蒸模型計(jì)算流程Fig.1 Calculation flow of the flash model

1.1.2氮封系統(tǒng)模型

氮封系統(tǒng)模型的主要工作原理為在設(shè)定工作壓力范圍的情況下，當(dāng)檢測到儲罐壓力低于設(shè)定的最小工作壓力時(shí)，氮封系統(tǒng)將根據(jù)壓差和指定的設(shè)備條件自動計(jì)算并輸送一定的氮?dú)饬恐羶蓿划?dāng)檢測到儲罐壓力高于設(shè)定的最大工作壓力時(shí)，氮封系統(tǒng)將根據(jù)壓差和指定的設(shè)備條件自動計(jì)算并從儲罐內(nèi)輸送出一部分氣體至大氣。憑借此計(jì)算方式，可以達(dá)到控制儲罐壓力保持在工作壓力范圍之內(nèi)的效果。氮封系統(tǒng)的工作流程見圖2。

圖2 氮封系統(tǒng)工作流程Fig.2 Flow chart of the nitrogen sealing system

1.2 災(zāi)害仿真模型建模

當(dāng)罐區(qū)的液罐爆炸時(shí)，物料會從液罐內(nèi)濺出，并在罐區(qū)四周的圍堰內(nèi)或者無圍堰的地面上繼續(xù)流淌燃燒。同時(shí)罐體爆炸之后的殘余設(shè)備內(nèi)可能還殘留一定的物料，殘余的物料也會繼續(xù)燃燒[13]。

罐區(qū)爆炸直接引發(fā)的現(xiàn)象之一是物料的燃燒，物料燃燒會形成池火，池火燃燒的參數(shù)包括液池面積、折算直徑(半徑)、燃燒速度、火焰高度等。

1.2.1罐內(nèi)物系計(jì)算

本文的儲罐模型模擬受火災(zāi)影響，處于不斷的傳熱、傳質(zhì)過程中的儲罐。真實(shí)儲罐在火災(zāi)影響下，罐內(nèi)物料接收到管壁傳遞的熱量而升溫、氣化，罐的壓力產(chǎn)生波動，罐內(nèi)物料一直處于氣液相不平衡狀態(tài)。該相態(tài)演變過程復(fù)雜，為了能夠準(zhǔn)確描述出火災(zāi)下儲罐實(shí)時(shí)的變化，我們對儲罐每一秒接收到的熱量、釋放出去的物料進(jìn)行能量和物料衡算，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相平衡計(jì)算，獲得相平衡時(shí)的狀態(tài)參數(shù)，并對結(jié)果進(jìn)行矯正，獲得與實(shí)際相符的相不平衡狀態(tài)值。

1.2.2液池面積

如果泄漏的液體已到達(dá)圍堰邊界，則液池面積即為圍堰邊界所圍成的面積；如果泄漏的液體未達(dá)到圍堰邊界，則液池的面積處于動態(tài)變化中，假定這種情況下液池的厚度是均勻的，則液池表現(xiàn)為以泄漏點(diǎn)為中心呈扁圓柱形在光滑平面上擴(kuò)散，這時(shí)液池半徑r的計(jì)算公式如下[14-16]。

(1)

式中，r為液池半徑，m；m為泄漏的液體質(zhì)量，kg；g為重力加速度，9.8 m/s2；pL為設(shè)備中液體的壓力，Pa；t為泄漏時(shí)間，s。

在此過程中，液池面積S(單位為m2)的數(shù)值為

S=πr2

(2)

當(dāng)泄漏的液體到達(dá)圍堰邊界后，此時(shí)液池近似為長方形，這種情況下在計(jì)算火災(zāi)模型時(shí)也采用圓柱形火焰，因此需要將長方形的液池面積折算為圓形液池的面積，液池折算半徑也可以由式(4)來確定。

S=LH

(3)

(4)

式中，r′為液池折算半徑，m；L為長方形液池的長度，m；H為長方形液池的寬度，m。

1.2.3燃燒速度

(5)

1.2.4火焰高度

若液池為一半徑為r的圓池，其火焰高度可按式(6)計(jì)算[17]。

(6)

式中，h為火焰高度，m；ρ0為周圍空氣密度，kg/m3。當(dāng)液池到達(dá)圍堰邊界時(shí)，r取值為折算半徑r′。

1.3 傷害仿真模型建模

儲罐發(fā)生泄漏或爆炸后，儲罐中的物料會泄漏到圍堰中，并在圍堰內(nèi)形成池火。池火會對周邊其他儲罐造成影響，主要影響方式是熱傳遞。本文采用傳導(dǎo)方式、輻射方式兩種不同方式的傳熱模型[18-20]，結(jié)合罐中氣液兩相平衡進(jìn)行計(jì)算，可對災(zāi)害發(fā)生后儲罐的內(nèi)部狀況進(jìn)行推演。

1.3.1傳導(dǎo)方式

如果罐區(qū)的某一個(gè)或者幾個(gè)液體罐發(fā)生泄漏、燃燒、爆炸等一系列事故，泄漏的正在燃燒的物料會四處流動，其產(chǎn)生的火焰會直接影響到周圍的設(shè)備。在周圍火災(zāi)的作用下，儲罐外高溫環(huán)境通過對流和輻射方式向罐壁傳熱，罐外壁到罐內(nèi)壁間以導(dǎo)熱方式傳遞熱量。

對于火災(zāi)形成的溫度場，采取空氣(燃燒物)與管壁(保溫材料)熱傳導(dǎo)的方式傳遞熱量，其單位長度圓筒壁傳熱量的計(jì)算方式如下。

(7)

式中，q1為單位長度的傳熱量,W；T1為內(nèi)部流體或管壁處溫度，K；T2為外部介質(zhì)溫度，K；α1為內(nèi)部流體與管壁的換熱系數(shù)，W/(m2·K)；α2為外部流體與管壁的換熱系數(shù),W/(m2·K)；λ為儲罐壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；d1為筒壁內(nèi)徑,m；d2為筒壁外徑,m。

傳熱(導(dǎo)熱)速率方程為

(8)

(9)

式中，R為導(dǎo)熱熱阻，K/W；A為導(dǎo)熱面積，m2；b為儲罐壁厚，m；Q為傳熱速率，W；ΔT為儲罐壁內(nèi)、外兩面的溫度差，即導(dǎo)熱推動力，K。

1.3.2輻射方式

在開放環(huán)境條件下，池火的火焰形狀會因風(fēng)的因素發(fā)生傾斜?？紤]風(fēng)速的影響，池火的熱輻射量采用Mudan模型[21-22]計(jì)算：無風(fēng)工況下，池火可視為一垂直圓柱形輻射源；有風(fēng)工況下，則將池火視為傾斜圓柱形輻射源。

池火的表面熱釋放速率為

E=DHc(dm/dt)fm/(D+4H)

(10)

考慮風(fēng)速的火焰高度為

(11)

視角系數(shù)為

(12)

式中，E為池火的表面熱釋放速率，kW；fm為熱輻射系數(shù)，fm=0.1；D為池火直徑，m；uc為特征風(fēng)速，m/s；uw為10 m高處風(fēng)速，m/s；Fview為視角系數(shù)；Fv為目標(biāo)(人或物)在垂直方向上的幾何視角系數(shù)；Fh為目標(biāo)(人或物)在水平方向上的幾何視角系數(shù)。

1.4 三維數(shù)字化場景建模

三維數(shù)字化模型包括石化企業(yè)的地理信息、環(huán)境信息模型，以及石化裝置、設(shè)備、應(yīng)急物資、消防力量的設(shè)備、管線、監(jiān)測點(diǎn)的立體層次等所有模型。根據(jù)罐區(qū)生產(chǎn)的真實(shí)場景，通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)子平臺，利用3DS Max軟件建立應(yīng)急預(yù)案推演所需的三維場景。三維場景數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)尺寸按1∶1比例構(gòu)建，主要包括石化罐區(qū)的應(yīng)急資源和地理信息等三維數(shù)字虛擬模型。

2 典型罐區(qū)事故場景模擬

基于JAVA自編軟件，本文模擬了某化工廠三苯罐區(qū)爆炸事故。該罐區(qū)承擔(dān)三苯物料的貯存和轉(zhuǎn)運(yùn)工作，罐區(qū)有位號為226～231的儲罐共6座，均為內(nèi)浮頂罐，儲罐的平面布置如圖3所示。在6座儲罐的周邊設(shè)置一個(gè)共用圍堰，圍堰寬度為28 m、長度為121.3 m、高度為1.4 m。該罐區(qū)儲罐的規(guī)格型號及在事故發(fā)生時(shí)刻存儲的物料信息見表1。

圖3 罐區(qū)平面布置圖Fig.3 Tank farm layout plan

表1 儲罐結(jié)構(gòu)及存儲物料情況Table 1 Tank structure and storage materials

根據(jù)儲罐的材質(zhì)，將儲罐的爆炸壓力均設(shè)置為220 kPa[23]。設(shè)定事故場景如下[24]：227號苯罐因物料泄漏導(dǎo)致著火，并引起罐體回火爆炸，罐內(nèi)剩余物料泄漏至圍堰形成液池，并燃燒形成池火，進(jìn)而導(dǎo)致相鄰罐受熱超壓爆炸。本次模擬不考慮相鄰儲罐因火災(zāi)引燃而導(dǎo)致爆炸的情況。

2.1 爆炸及火災(zāi)事故發(fā)生過程的數(shù)值仿真

在227號罐發(fā)生爆炸后，罐內(nèi)的物料泄漏到圍堰里，引發(fā)覆蓋整個(gè)圍堰的火災(zāi)。由于所有的罐都在一個(gè)圍堰內(nèi)，因此其他幾個(gè)儲罐既受到火焰對儲罐直接熱傳導(dǎo)的影響，也受火焰輻射熱的影響，各個(gè)儲罐的壓力、溫度變化曲線如圖4和圖5所示。

圖4 氣相壓力變化情況Fig.4 Gas phase pressure change

圖5 液相溫度變化情況Fig.5 Liquid phase temperature change

從圖4和圖5中可以看出，因苯226儲罐內(nèi)部基本不存在物料，在整個(gè)火災(zāi)蔓延燃燒過程中，其溫度、壓力的上升幅度比較小。二甲苯229儲罐在受火災(zāi)影響后，由于罐內(nèi)儲存物料比較少，物料被加熱后壓力、溫度快速上升。在其受熱至49 s左右時(shí)，大量液相氣化，幾乎不存在液相物料，溫度上升趨勢減緩，壓力上升趨勢驟增，攀升至爆炸壓力后以罐體炸裂結(jié)束。

甲苯228、甲苯230、二甲苯231罐因儲存有大量物料，被池火加熱后，受罐內(nèi)壓力影響，液相物料雖溫度上升，但未達(dá)到該壓力下的沸點(diǎn)，因此氣相部分的氮?dú)馐軣岷笠鸬膲毫ι仙莾迚毫ι仙闹饕绊懸蛩亍?個(gè)儲罐的壓力于火災(zāi)發(fā)生后的179 s、221 s、260 s時(shí)達(dá)到爆炸壓力，致使儲罐炸裂。

在事故仿真演變過程中，觀察到在同一罐組中，位于同一圍堰中的儲罐由于存儲的物料種類和數(shù)量不同，在受相同火災(zāi)影響后溫度和壓力的變化情況存在差異。

2.2 不同圍堰布置方式下的事故演變情況

在實(shí)際火災(zāi)蔓延過程中，圍堰的設(shè)置方式不同，對火災(zāi)的發(fā)展過程有很大影響。

從2.1節(jié)的分析過程可以看出，由于所有的儲罐都在同一個(gè)圍堰內(nèi)，當(dāng)圍堰內(nèi)發(fā)生池火后，儲罐受熱方式主要為熱輻射，池火通過輻射至儲罐的熱量比較多。通過工藝仿真模型修改圍堰的設(shè)置，為每個(gè)罐體單獨(dú)設(shè)置圍堰，當(dāng)其中某一個(gè)罐發(fā)生爆炸后，泄漏的液相物料被限制在該儲罐所在的圍堰內(nèi)，此時(shí)距離該爆炸儲罐較遠(yuǎn)的儲罐由于底部不存在池火，并且爆炸儲罐造成的池火不對該類儲罐帶來直接的熱輻射影響，其得到的熱量會大幅度降低。修改仿真模型后利用仿真系統(tǒng)模擬了此種條件下事故的蔓延情況。

當(dāng)苯227罐爆炸起火后，泄漏的物料只在227罐的圍堰內(nèi)，池火的過火區(qū)域也僅限于227罐的圍堰區(qū)域。根據(jù)災(zāi)害仿真模型計(jì)算模擬的各個(gè)儲罐壓力、溫度曲線如圖6和圖7所示。

圖6 罐體單獨(dú)設(shè)置圍堰時(shí)氣相壓力變化情況Fig.6 Gas phase pressure change of the tank when the cofferdam is set separately

圖7 罐體單獨(dú)設(shè)置圍堰時(shí)液相溫度變化情況Fig.7 Liquid phase temperature change of the tank when the cofferdam is set separately

罐227之外的其他罐體所受影響主要為罐227的圍堰池火產(chǎn)生的輻射熱。從平面布置圖(圖3)中可以看出，受影響最大的為相鄰的甲苯228罐，從圖6和圖7中可以看出甲苯228罐的溫度、壓力曲線最先發(fā)生明顯變化。同時(shí)，間隔一個(gè)位置的二甲苯229罐因罐內(nèi)物料較少，在受熱量很少的情況下依然使得內(nèi)部液相氣化，壓力驟升，導(dǎo)致儲罐爆炸起火，直接影響到相鄰的甲苯228儲罐和甲苯230儲罐。從圖6和圖7中可以看出，甲苯228儲罐在二甲苯229罐爆炸起火后，其溫度和壓力的上升過程明顯加快。在甲苯230罐爆炸起火后，相鄰的二甲苯231罐受其影響，壓力和溫度的上升速率也明顯變大，并且由于前期升溫緩慢，罐內(nèi)氮?dú)庵饾u釋放，在452 s左右時(shí)液相發(fā)生氣化，導(dǎo)致壓力變化迅速。

從上述兩次不同的事故演化過程中可以觀察到，圍堰設(shè)置情況的不同導(dǎo)致過程的變量也不同。設(shè)置單獨(dú)圍堰的罐區(qū)，其受火災(zāi)影響后各個(gè)儲罐的炸裂時(shí)間較整體罐組延緩很多。由此說明，單獨(dú)設(shè)置的圍堰為火災(zāi)的應(yīng)急救援爭取了部分時(shí)間。

2.3 不同罐內(nèi)液位下的事故演變情況

通過典型罐區(qū)事故場景模擬仿真可以得出，不同物料、不同液位的儲罐在吸收熱量后，其壓力、溫度的曲線變化也各不相同。為了分析它們之間的關(guān)系，對甲苯230罐設(shè)置不同的初始液位高度比(從5%至90%，不考慮安全閥動作)，計(jì)算同樣的事故場景下罐內(nèi)的溫度和壓力的變化情況。從圖8和圖9中可以看出，當(dāng)230罐中的初始液位高度比為50%時(shí)，罐內(nèi)溫度和壓力上升得最慢；而初始液位高度比為5%時(shí)，溫度和壓力上升最快；初始液位高度比為90%時(shí)，溫度上升趨勢略快于液位高度比為50%時(shí)的情況，但壓力上升趨勢只比高度比為5%時(shí)的略緩。

圖8 不同初始液位下甲苯230罐的氣相壓力變化情況Fig.8 Gas phase pressure change of toluene 230 tank with different initial liquid levels

圖9 不同初始液位下甲苯230罐的液相溫度變化情況Fig.9 Liquid phase temperature change of toluene 230 tank with different initial liquid levels

由此可見，在罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，如果事故罐體周邊其他儲罐中存儲的物料種類、數(shù)量不同，事故后續(xù)的變化情況將會有非常大的差別。因此，建立數(shù)字仿真罐區(qū)，在事故發(fā)生后通過超實(shí)時(shí)仿真技術(shù)對事故后續(xù)演變情況、應(yīng)急處置措施進(jìn)行仿真計(jì)算，能夠?qū)ΜF(xiàn)場的應(yīng)急處置起到指導(dǎo)作用。

3 結(jié)論

通過在仿真系統(tǒng)上對某罐區(qū)的火災(zāi)事故進(jìn)行推演可以得出，事故發(fā)生后，爆炸儲罐周邊其他儲罐的氣相壓力迅速上升，事故呈現(xiàn)蔓延趨勢，導(dǎo)致周邊其他罐體相繼發(fā)生爆炸，釀成了重大損失。討論了同一罐體、相同物料、不同初始液位情況下該罐體受事故影響的情況，仿真結(jié)果表明，初始液位不同，罐體溫度和壓力的變化情況差別非常大。根據(jù)初始液位的不同，罐體發(fā)生爆炸的時(shí)間也有非常大的差別(從97 s到630 s)。對該罐區(qū)的防火圍堰進(jìn)行重新設(shè)計(jì)后，事故的演變情況發(fā)生了很大的改變，證明了罐區(qū)為每個(gè)罐體單獨(dú)設(shè)置圍堰對于減少火災(zāi)損失的必要性和有效性。

從仿真結(jié)果可以看出，在對事故進(jìn)行應(yīng)急處置時(shí)，通過超實(shí)時(shí)仿真技術(shù)獲取事故可能的演變狀態(tài)，并依據(jù)相關(guān)應(yīng)急處置預(yù)案制定針對特定事故的應(yīng)急處置方案，對應(yīng)急處置有著非常大的幫助。下一步我們將研究物理屏障特性以及發(fā)生事故后操作人員的處置措施對削弱事故后果的影響，同時(shí)針對沒有預(yù)案的突發(fā)事件的快速仿真求解進(jìn)行探討。