燃氣管網噴射火事故警戒區域的研究

楊曉明, 李雅斐, 王 凱, 周 鑫, 柴 浩

(1.天津市地下鐵道集團有限公司,天津 300000;2.天津城建大學,天津 300384;3.天津市西青區住房和建設綜合行政執法支隊,天津 300380)

0 引言

燃氣具有易燃易爆的特性。燃氣管網一旦發生泄漏擴散,遇到火源可能引發噴射火、蒸氣云爆炸、閃火等危險事故?！?022年全國燃氣事故分析報告》中指出,2022年全年共收集到國內(不含港澳臺)燃氣事故802起,其中,管網事故212起。在156起已確定事故原因的燃氣管網事故中,由于第三方施工破壞導致的事故數量占70%以上[1]。這些燃氣事故中,人員傷亡的主要原因是燃氣泄漏發生燃爆或燃爆引發的次生災害,因此,燃氣管網應重點關注泄漏事故后的燃爆現象[2-3]。國內對于燃氣泄漏警戒區域的研究起步較晚,又因燃氣燃爆后果實驗耗資較大、技術不完善,所以沒有大量開展全尺寸燃氣燃燒或爆炸后果的試驗。警戒區域的設置主要依據燃氣泄漏擴散的影響范圍來確定,常用的研究方法有高斯煙羽、煙團模型、唯象模型等。但是,Spyros等[4]提出在確定燃氣事故的警戒區域時,有必要考慮燃氣泄漏后可能發生的后果,包括噴射火事故和爆炸事故,并且應以發生這些事故的濃度下限作為研究依據;根據美國石油學會發布的API RP 581—2016《基于風險的檢測技術》報告,燃氣管網持續泄漏引發爆炸、閃火、噴射火、安全排放的概率分別為0.04、0.06、0.1、0.8[5];丁謝鑌[6]提出,燃氣發生持續性泄漏時,在管道壓強、泄漏時長、風速、氣溫、日照輻射強度等5組單變量場景組內對比分析吸入毒性、易燃和爆炸破壞3個危險因素的影響范圍,結果表明吸入毒性范圍值最小,易燃范圍值最大。由以上研究可以得出,當燃氣管網發生持續泄漏事故時,存在10%的可能性發生噴射火事故。因此,在劃分燃氣泄漏事故的警戒區域時,考慮噴射火事故的影響十分必要。

目前,我國在噴射火事故方面的研究也取得了一定的成果。蔣宏業等[7]采用定量分析的方法分析城市燃氣管道泄漏造成噴射火事故的危害范圍,并建立計算模型;馮瑤等[8-9]借助DNV Phast &Safeti v6.7 模擬軟件對地鐵站附近的燃氣管道進行定量風險評估,假設埋地燃氣管道發生中孔泄漏,計算燃氣泄漏擴散到地面發生閃火、噴射火、爆炸事故的影響范圍及車站地面的出入口、風亭受事故影響的大小,并在此基礎上分析燃氣管道與地鐵安全間距評估過程中遇到的問題;田靚[10]采用數值積分模型計算的方法對噴射火的形貌和熱輻射傷害進行計算,分析噴射火的規律,證明風會加速燃氣的擴散,擴大噴射火事故的影響范圍。燃氣噴射火事故的研究雖然取得了一定的突破,但是現階段的研究僅圍繞噴射火事故的計算模型展開,很少有研究考慮噴射火事故對警戒區域劃分的影響。因此,本文利用PHAST軟件模擬不同風速下管道破損后噴射火事故產生的熱輻射影響范圍,并以此為依據劃分燃氣管網發生泄漏事故時的警戒區域。

1 燃氣泄漏事故常用警戒區域設置方法

當燃氣發生泄漏時,泄漏的氣體與空氣混合,遇到高溫、明火或靜電火花極易引起燃燒或爆炸事故。根據《城鎮燃氣管理條例》規定,燃氣事故發生后,燃氣經營企業應立即啟動本單位燃氣事故應急預案,組織搶險、搶修,有關部門和單位應當按照燃氣事故應急預案,立即采取措施防止事故擴大,做好燃氣突發事件的指揮、處置等工作。目前,各燃氣經營企業制定的應急預案在泄漏事故警戒區域設置上沒有明確的設置方法,通常是現場救援指揮到達事故現場后才開始采取措施。

楊春生[11]建議發生燃氣泄漏事故時,以泄漏點為中心設置3層封鎖線,如圖1。具體設置方法如下:

(1)第一層警戒區為現場封鎖線內區域,通常以泄漏燃氣濃度爆炸下限10%來劃分,該區域是火災或爆炸的致死區域,需要根據燃氣泄漏的規模、事故災情的大小來決定。

(2)第二層警戒區為警戒封鎖線內、現場封鎖線外的區域,是火災、爆炸發生后的致傷區域,需根據燃氣泄漏事故的規模大小、影響范圍來確定。

(3)第三層警戒區為交通封鎖線內、警戒封鎖線外的區域,是消防部門、救援部門、燃氣公司等的駐扎區域,也是交通管制區域,由警戒封鎖線向外延伸20～30m。

圖1 燃氣泄漏事故現場警戒區域設置Fig.1 Warning area setting of the gas leakage accident site

高速泄漏的燃氣極易與破損口摩擦產生火花,發生燃氣噴射火事故。噴射火事故將造成燃氣泄漏事故范圍進一步擴大,導致第二層警戒區內的人員受傷。楊春生[11]提出的方法未考慮噴射火事故對于警戒區域的影響,劃定的警戒區域較小。除此之外,環境風速也會影響噴射火的輻射范圍,因此,在研究噴射火事故的警戒區域時,也要考慮環境風速的影響。

2 考慮危害后果的警戒區域設置

噴射火是當燃氣發生泄漏時,噴出的氣體遇到點火源形成的火焰[12]。噴射火焰將對燃燒瞬間滯留在泄漏源附近的人造成熱輻射傷害。

挪威船級社開發的PHAST軟件可以在二維平面上模擬燃氣泄漏事故后果的影響范圍,廣泛應用于燃氣管道泄漏、燃爆事故等的分析研究。本文將運用PHAST軟件,研究不同風速下,燃氣泄漏發生噴射火事故熱輻射的影響范圍,為警戒范圍的劃分提供科學建議。

2.1 燃氣泄漏計算模型

燃氣泄漏發生噴射火事故時,會產生高強度熱輻射,距離火焰中心越近,熱輻射強度越大,距離越遠,熱輻射強度越小。當熱輻射通量強度達到某一閾值時會造成設備損傷甚至人員傷亡。在模擬噴射火事故時,可將該閾值代入噴射火計算模型中,計算出火焰中心與目標點之間的距離[13]。

查詢相關規范和文獻[14]可知,當熱輻射通量為4kW/m2時,造成人員受傷;當熱輻射通量為12.5kW/m2時,10s后導致人員1度燒傷,1min后導致1%死亡,并造成設備損壞。因此,將4kW/m2作為輕度危險區域的設定閾值,計算噴射火影響半徑R1;將12.5kW/m2作為重度危險區域的設定閾值,計算噴射火熱輻射影響半徑R2。

2.1.1 泄漏量計算

當燃氣管道發生中孔泄漏時,管內的流動過程可近似地看作等溫過程。在中孔泄漏模型中,燃氣的泄漏速度與其流動狀態有關。計算泄漏量要先判斷泄漏速度屬于音速流動還是亞音速流動,前者稱為臨界流,后者稱為亞臨界流[15]。泄漏點處的壓力會逐漸增加,此時,處于亞臨界流狀態;當氣體泄漏速度達到音速并保持不變,這種狀態稱為臨界流狀態,此時泄漏點處的壓力為臨界壓力p。引入臨界壓力比對泄漏點壓力進行判斷,設臨界壓力比為β。燃氣的泄漏流量為:

(1)

(2)

式中:

k—絕熱指數,燃氣取1.3;

qm—燃氣泄漏流量,kg/s;

A—泄漏孔口面積,m2;

p1—泄漏點處管道壓力,Pa;

pa—大氣壓力,Pa;

R—燃氣的氣體常數,J/kg·K;

T—燃氣溫度,K。

2.1.2 噴射火模型

常見的噴射火計算模型有單點源模型、多點源模型、固體火焰模型和線性積分模型,單點源模型將火焰中心簡化為一個點,模型簡單便于計算,但精度不高;多點源模型考慮了火焰形狀的影響,但其計算精度較低;線性積分模型和固體火焰模型的計算精度較高,但線性積分模型計算復雜,采用固體火焰模型計算可滿足精度要求[16]?，F階段常用的固體火焰模型主要有Cone模型和API RP521模型[17]。對比2種固體模型,API RP521模型在小規模泄漏場景的計算精度比Cone模型高,但在大規模泄漏場景中卻不如Cone模型[18]。為更加準確地估算大規模燃氣泄漏場景噴射火的影響范圍,本文采用Cone模型,計算模型,如圖2。

圖2 噴射火計算模型Fig.2 The jet fire calculation model

噴射火影響范圍計算公式為:

I=I0uK

(3)

K=log14.4N-0.108l-0.13

(4)

式中:

I—目標的熱輻射強度,kW/m2;

I0—噴射源的熱輻射強度,kW/m2;

u—視角系數;

K—大氣投射系數;

N—相對濕度,取0～1;

l—目標到火焰表面的距離,m。

2.2 典型場景設置

以天津某燃氣公司鋪設的管道作為本文研究對象,原因如下:

(1)管網規模和歷史。天津地區的燃氣管網規模龐大,建造時間跨度大,該地區燃氣設施老舊,管網老化占比較高。老化的管網容易出現破損和泄漏,燃氣泄漏事故風險增加,存在一定的安全隱患。

(2)管理體系較完備。該燃氣公司擁有統一的管理辦法和成熟的管理體系,管理辦法編制較為齊全,應急處置方案完整規范。

本文選取該燃氣公司鋪設的某段燃氣管道(設計壓強為0.8MPa,公稱直徑為500mm)為模擬場景。

2.2.1 氣候、地理環境因素

由于燃氣泄漏事故與氣候變化有較強的關聯,天津市的具體氣象信息,見表1。該地區冬季燃氣泄漏事故頻發,將冬季主導風向東風設定為模擬風向。以燃氣管道泄漏點為圓心,設定閾值的熱輻射距離為半徑,該區域為燃氣噴射火事故的影響范圍。天津地區風力大多為1～6級,偶有7、8級風,不考慮極端強對流天氣條件,各級風力對照的風速根據丁謝鑌[6]的研究進行選取,本文選取風速為1、5、10、15、20m/s。

表1 氣象信息Tab.1 Meteorological information

2.2.2 管道破損泄漏情景設置

依據AQ 3046—2013《化工企業定量風險評價導則》規定,泄漏場景可分為完全破裂及孔泄漏2大類,見表2。

表2 泄漏場景Tab.2 Leakage scenarios

依據SY/T 6714—2008《基于風險檢驗的基礎方法》建議,同類設備泄漏頻率值,見表3。

表3 同類設備泄漏頻率Tab.3 Leak frequency of similar equipment

依據表3中的泄漏頻率,孔徑泄漏(中孔泄漏)為25.4mm的泄漏頻率最高,故管道破損場景選取孔徑泄漏為25mm。

2.2.3 泄漏時長的選取

該公司《輸配公司管網搶修管理辦法》規定,各管線搶修隊在接到搶修指令后,搶修人員必須在5min之內出車,正常情況下40min之內到達搶修現場。搶修人員接到報警到達事故現場后,可有效組織人員疏散、控制周邊交通,故模擬計算的泄漏時長設置為40min。

3 結果分析

3.1 計算結果

由于噴射火實際為三維模型,為便于分析,以坐標(0,0)為泄漏點,以泄漏點位置的下風向距離為橫坐標,得到噴射火在不同風速影響下的熱輻射強度計算結果,如圖3。由圖3可知,熱輻射水平隨著下風距離的增加呈現先增加后減小的趨勢;隨著風速的增大,同一距離點的噴射火輻射強度依次減小,熱輻射出現峰值向下風側擴散的距離也在不斷縮短,具體表現為風速每增大5m/s,熱輻射強度減小約4kW/m2,出現峰值的范圍減小約1.5m。

圖3 不同風速下熱輻射水平Fig.3 Thermal radiation levels at different wind speeds

分別取4kW/m2和12.5kW/m2作為閾值,將下風距離和側風距離呈現在俯視圖中,噴射火事故的影響范圍,如圖4。從圖4可以看出,受風速的影響,噴射火的影響范圍向下風向偏移,隨著風速的增大,噴射火事故的影響范圍逐漸縮小,當風速大于15m/s時,變化不再明顯。

(a) 4kW/m2

(b) 12.5 kW/m2圖4 噴射火事故影響范圍Fig.4 Range of jet fire accident

選取天津地區年平均風速5m/s作為典型場景進行分析,以泄漏點為圓心,下風距離的最大值作為確定熱輻射影響范圍的半徑,如圖5。從圖5可知,閾值為4kW/m2的影響半徑R1約距泄漏口下風向12m;閾值為12.5kW/m2的影響半徑R2約距泄漏口下風向10m。將熱輻射通量為12.5kW/m2的區域作為重度危險區域,救援人員若進入此區域處理險情必須穿戴防護用品,并采取必要的保護措施;將熱輻射通量為4kW/m2的區域作為輕度危險區域,在此區域內,要盡快疏散群眾以保障安全。以本場景中事故為例,在此風速環境下,當消防救援人員需要進入閾值為12.5kW/m2的區域時,需要穿戴防護用品,且采取必要的保護措施;當該燃氣管道發生25mm孔徑泄漏時,建議將周圍12m以內劃分為危險區域,盡快疏散群眾。

圖5 典型場景熱輻射影響范圍Fig.5 Range of thermal radiation influence in typical scenarios

3.2 結果分析

利用PHAST軟件模擬不同風速下管道破損后噴射火事故的熱輻射影響范圍,分析結果顯示:

(1)在理想狀態下,當城市燃氣管道發生連續泄漏時,其影響范圍隨著時間延長達到一定范圍后保持不變。風速為變量的場景中,風速較小時,噴射火事故的影響范圍較大,隨著風速的增大,影響范圍逐漸減小。當風速達到15m/s時,噴射火事故的影響范圍不再變化,這是因為燃氣燃燒需要一定的濃度,當風速大于15m/s時,泄漏的燃氣到達最遠距離后被空氣稀釋,濃度低于爆炸極限,噴射火焰逐漸熄滅。因此,當救援力量到達現場時,需要采集現場風速進行分析。

(2)考慮噴射火事故后果劃分重度、輕度危險區域,將熱輻射通量為12.5kW/m2的區域作為重度危險區域,救援人員若進入此區域內處理險情必須穿戴防護用品,并采取必要的保護措施;將熱輻射通量為4kW/m2的區域作為輕度危險區域,在此區域內,要盡快疏散群眾以保障安全。這2個危險區域需要根據事故地點的風向、風速及管道壓強做出適當的調整。

(3)當消防救援到達泄漏事故現場時,依據楊春生[11]的方法劃分出第一層警戒線的半徑后,建議與重度危險區域半徑進行比較,若第一層警戒線的半徑小于重度危險區域的半徑時,為保障周圍群眾的安全,建議重新劃定警戒范圍,將重度危險區域作為事故中心。從重度危險區域外開始劃分第一層警戒線,一方面可為突發噴射火事故提供緩沖區;另一方面可以保障救援人員的安全。

4 結論

(1)利用PHAST軟件模擬研究風速對于燃氣泄漏事故警戒范圍的影響,隨著風速增大,燃氣噴射火事故的影響范圍逐漸減小,具體表現為風速每增大5m/s,同一距離點的熱輻射強度減小約4kW/m2,峰值的范圍減小約1.5m。當風速達到15m/s時,影響范圍不再變化。

(2)考慮噴射火影響劃分警戒區,可將熱輻射通量為12.5kW/m2的區域作為重度危險區域,將熱輻射通量為4kW/m2的區域作為輕度危險區域。一方面可為突發噴射火事故提供緩沖區;另一方面可以保障救援人員的安全。

(3)燃氣泄漏事故較為復雜,救援時不可忽略事故現場的特殊性,需要考慮環境等多方面的影響,建議后續研究可以考慮管徑、內壓、大氣溫度等因素對燃氣泄漏事故的影響,為警戒范圍的劃分提供更多理論依據。