建筑物作為涉危企業保護層探討＊

高玉格 趙欣 關磊 黃濤 席建

（1.中國安全生產科學研究院，北京 100012；2.中國寰球工程有限公司，北京 100012；3.云南云天化石化有限公司，云南昆明 650000）

0 引言

目前國內存在少量涉危企業為了保證潔凈生產或者設備設施防凍保暖或者工藝技術保密等原因將裝置等設備設施建設在建筑物內的情況。建設在建筑物內的裝置，可以把建筑物作為保護層，一旦裝置發生火災爆炸或泄漏事故，建筑物可以有效防范事故擴大化，建筑物可以阻擋超壓沖擊波、熱輻射和毒氣對外界人員的傷害，例如《建筑設計防火規范［2018版］》（GB 50016—2014）［1］里列舉了“ 兩座庫房的相鄰外墻均為防火墻時，防火間距可以減小”。高玉格等［2］提出了城市涉氨使用企業將涉氨生產線建設在建筑物內，把泄漏的氨毒氣控制在特制廠房內；中國氯堿工業協會在《關于氯氣安全設施和應急技術的指導意見》（（2010）協字第070 號）里明確液氯貯槽應建設在密閉廠房里；挪威首都奧斯陸郊外的一處合營加氫站于2019 年6 月10 日發生爆炸，沒有造成人員傷亡，從媒體報道提供的圖片可以看出該加氫站建在抗爆圍墻內。越來越多的輕工業、電子制造業、食品冷庫業等涉危企業選址在大城市，隨著工業生產智能化發展，采用機器人巡檢、操作和應急［3-6］，通過建構筑物有效隔離風險，將使固有風險不高的企業進軍大城市成為可能。

1 研究目的

本文針對一個外墻為防火墻的甲類庫房距離廠外道路路邊距離不足20 m 的情景，采用危險與可操作性分析（HAZOP）、保護層分析（LOPA）和Gexcon公司開發的泄漏及爆炸危害分析軟件FLACS 進行事故后果模擬，探討建筑物作為保護層的可能性。

2 軟件FLACS 事故模擬的模型算法

Gexcon 公司開發的FLACS 爆炸模型建模時把現場已有場景放入模型中，在模型里考慮了各種影響因素，更接近真實事故發展狀況，已得到全尺寸試驗驗證，在火災爆炸事故后果模擬領域被廣泛采用［7-11］。FLACS 考慮了化學反應和湍流耦合，建立了守恒方程，在方程中變量參數包含了流體特征的質量、動量、能量以及組分，采用有限體積法并配合邊界條件，在三維笛卡爾網格下求解，包括燃料消耗量、燃燒產物、火焰速度、熱輻射通量以及超壓等變量的值，詳見如下方程：

3 研究方法

3.1 以某企業的庫房為例

某企業火災類別為甲類的1 號庫房，西側外墻距離廠外道路路邊距離16 m，不滿足《建筑設計防火規范（2018 年版）》（GB 50016—2014）［1］的20 m 要求，該庫房的外墻為單層鋼架結構式防火墻，墻體為200 mm厚加氣混凝土砌塊墻，庫房墻體耐火極限大于2h。庫房內設防火堤，防火堤寬8.8 m、長10 m、高1.75 m、厚200 mm，防火堤內設有2 個臥式常溫常壓儲罐，罐體材質為314 不銹鋼，儲存介質為戊烷，每個罐體積50 m3，罐頂設有呼吸閥和氮氣密封，2 個儲罐之間設有隔堤，儲罐頂部設有消防水噴淋，呼吸閥連通室外揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）處理系統。為了確保安全，企業采取了通過降液位至40%以下的減量生產措施。

3.2 HAZOP 分析和LOPA 分析［12］

以1 個戊烷儲罐為節點，進行HAZOP 分析，以3 個偏離（戊烷儲罐壓力高、戊烷儲罐液位高和戊烷儲罐泄漏）為例，HAZOP記錄詳見表1（風險矩陣參考《中國石化安全風險評估指導意見》（中國石化安風［2018］38 號）［13］。

表1 HAZOP 記錄

由HAZOP 分析發現戊烷儲罐壓力高和戊烷儲罐液位高風險等級都是D5，即高風險，可能導致火災爆炸，戊烷儲罐壓力高設有5 個保護層，例如戊烷罐頂設有呼吸閥，壓力高，可以通過呼吸閥將氣體排出儲罐；戊烷罐頂設有壓力遠傳高報警，一旦儲罐壓力報警，操作人員參與處理，關閉氮氣進入儲罐的閥門等。戊烷儲罐液位高有4 個保護層，例如在戊烷罐上有差壓式脈沖液位計和觸點式液位計，液位高報警，高高（1OO2）聯鎖停戊烷罐卸料泵。這些保護層的作用通過進一步進行LOPA分析，半定量給出各層保護措施有效性。本文LOPA 記錄格式參見《保護層分析（LOPA）方法應用導則》（AQT 3054—2015）［14］表E.3 化工行業典型IPL（獨立保護層independent protection layer）的PFD（要求時的失效概率probability of failure on demand）。LOPA 分析方法依據《過程工業領域安全儀表系統的功能安全第3 部分：確定要求的安全完整性等級的指南》（GBT 21109.3—2007）［15］附錄F。LOPA 記錄見表2。

表2 以戊烷儲罐和庫房內活動人員為保護目標的LOPA 記錄

由LOPA 分析發現：

（1）針對戊烷儲罐壓力高工況，保護措施能夠滿足要求，不僅可以保護戊烷儲罐和戊烷儲罐周圍活動人員安全，也可以使建筑物不被破壞。

（2）針對戊烷儲罐液位高：戊烷儲罐上設有2 個遠傳液位計，液位高高聯鎖停戊烷儲罐進料泵，要求安全儀表功能等級為SIL1。

（3）針對戊烷泄漏，可燃氣體報警儀報警，操作人員進庫房采用防爆器具收集泄漏出來的戊烷，將泄漏儲罐中的戊烷倒到另一個儲罐里。該偏離保護措施不足，不能完全削減風險，故建議企業增加非SIS 之外保護系統，例如選用不易腐蝕的材質，每年進行靜密封點泄漏檢測和設備完整性檢測等。

針對庫房外人員是否安全，進一步做LOPA分析。

以庫房外和廠外道路上活動人員為保護目標的LOPA 記錄見表3，通過對比，針對戊烷儲罐壓力高和戊烷儲罐液位高這2 種工況，又增加了庫房防火墻這個保護層，故保護層不僅僅滿足要求，還有剩余。針對戊烷泄漏，仍然不能確定庫房外和廠外道路上活動人員的安全性，需要根據庫房里儲存戊烷的量進一步做事故后果模擬。

表3 以庫房外和廠外道路上活動人員為保護目標的LOPA 記錄

3.3 FLACS 事故后果模擬

采用挪威三維CFD 軟件FLACS 模擬戊烷泄漏引發火災爆炸事故后果。

3.3.1 蒸氣云爆炸

蒸氣云爆炸模擬條件：戊烷儲罐管線發生破裂，泄漏流量為5 kg/s。通過擴散模擬可知，泄漏發生4.9 s 時，處于爆炸極限的可燃氣體已覆蓋戊烷庫房一半的體積；泄漏發生16 s后，處于爆炸極限的可燃氣體已基本充滿整個庫房。模擬假設庫房內充滿戊烷氣體后發生蒸氣云爆炸。庫房東墻設有10 扇玻璃窗和北墻設有1 扇玻璃窗（圖1—圖2），按照GB/T 37243—2019 附錄G.3 可知，玻璃破裂的典型壓力為1.03 kPa，故設定玻璃窗為減壓面板。當庫房發生蒸氣云爆炸時，最大的爆炸超壓值為6.580 7 kPa，詳見圖3。東墻上10 扇玻璃窗承壓較低會先破裂泄壓，庫房內最大超壓值約在3 kPa 左右，見圖4。庫房外爆炸超壓俯視圖和側視圖見圖5—圖7。

圖1 東墻設有10 扇玻璃窗

圖2 北墻設有1 扇玻璃窗

圖3 庫房內爆炸超壓模擬后果

圖4 庫房玻璃破損后火焰噴射圖

圖5 庫房外爆炸超壓俯視圖

圖6 庫房外爆炸超壓側視圖（左視圖）

圖7 庫房外爆炸超壓側視圖（右視圖）

由圖5—圖7 可知，當發生蒸氣云爆炸導致庫房玻璃破損時，室外最大超壓值為1.1 kPa，主要影響集中在庫房東側及北側區域，靠近廠外道路的西側防火墻體，無玻璃窗戶，故無超壓泄出。

蒸氣云爆炸模擬結果不會影響廠外道路上活動人員和車輛。

3.3.2 池火災分析

假定儲罐全破裂，泄漏至防火堤內的戊烷立即被點火，事故模擬分為火災發生時開啟和關閉事故通風2 種情況。

3.3.2.1 發生池火時開啟事故風機

對軟件模擬過程進行截圖分析，分別截取了8.8 s（此時火勢開始變大變強，庫房頂外部能看到燒穿房頂的小火焰）、11.2 s（此時火勢最強，庫房頂外部能看到強勢的火焰）、22 s（此時火勢開始由強變弱，庫房頂外部能看到火勢衰減火焰）和115 s（此時火焰開始熄滅，庫房頂外部看不到火焰）時廠房內和廠房外燃燒情況，詳見圖8—圖15，從截圖和對應數據可以看出，燃燒情況到22 s時達到最強，之后慢慢衰減，到115 s，庫房頂部已經看不到火焰。

圖8 燃燒8.8 s 廠房內火焰溫度及火災輻射熱

圖9 燃燒11.2 s 廠房內火焰溫度及火災輻射熱

圖10 燃燒22 s 廠房內火焰溫度及火災輻射熱

圖11 燃燒115 s 廠房內火焰溫度及火災輻射熱

圖12 燃燒8.8 s 廠房外火焰溫度及火災輻射熱

圖13 燃燒11.2 s 廠房外火焰溫度及火災輻射熱

圖14 燃燒22 s 廠房外火焰溫度及火災輻射熱

圖15 燃燒115 s 廠房外火焰溫度及火災輻射熱

圖16 為廠房外火災輻射熱范圍，從模擬結果可知，當戊烷儲罐全破裂，防火堤內發生池火災，并且開啟通風的情況下，3.2 kW/m2的輻射熱僅覆蓋至廠房外西側2 m 處，不會影響到廠外道路上活動人員和車輛。

3.3.2.2 發生池火時關閉事故風機

在關閉風機情況下廠房內和廠房外的燃燒情況見圖17—圖24。

圖18 燃燒11.2s廠房內火焰溫度及火災輻射熱（關閉風機）

圖19 燃燒22 s廠房內火焰溫度及火災輻射熱（關閉風機）

圖20 燃燒115 s廠房內火焰溫度及火災輻射熱（關閉風機）

圖21 燃燒8.8 s廠房外火焰溫度及火災輻射熱（關閉風機）

圖22 燃燒11.2 s 廠房外火焰溫度及火災輻射（關閉風機）

圖23 燃燒22 s廠房外火焰溫度及火災輻射熱（關閉風機）

圖24 燃燒115 s廠房外火焰溫度及火災輻射熱（關閉風機）

從模擬結果可知，當廠房內戊烷罐全破裂，防火堤發生火災，并且未開啟通風的情況下，3.2 kW/m2的輻射熱僅覆蓋至廠房西側2 m 處，比開啟通風情景下火災影響范圍略小。

4 結論

（1）通過HAZOP和LOPA 分析庫房內戊烷儲罐發生火災爆炸情景，不能確定廠外道路上活動人員和車輛的安全性，通過FLACS 軟件進一步進行事故后果模擬，顯示庫房的防火墻可以作為保護層，火災爆炸不會影響到廠外道路上活動人員和車輛。

（2）發生池火時開啟事故風機和關閉事故風機，對事故后果影響無明顯區別。

（3）隨著工業生產智能化發展，涉危廠房采用機器人巡檢和應急，生產工藝全自動化操作，通過建構筑物有效隔離風險，將使固有風險不高的企業進軍大城市成為可能。