PHAST软件论文

PHAST软件论文（通用3篇）

PHAST软件论文 篇1

液化天然气 (LNG) 属于甲A类火灾危险物质, 燃烧和爆炸极限为5%~15%。当LNG发生泄漏时, 初始蒸发产生的气体温度接近液体温度, 其密度大于环境空气, 沿低点形成一个流动层, 并从环境中吸收热量, 同时将周围的环境空气冷却, 当纯甲烷的温度上升至-113℃或LNG的温度上升至约-80℃时, 形成密度小于空气的云团并开始向上运动。在此过程中, 若遇到火源则极易造成喷射火、闪火等火灾事故, 且蒸气云的边缘很容易起火爆炸。LNG火焰温度高, 辐射热强, 质量燃烧速率大, 火焰传播速度较快, 易形成大面积火灾, 具有复燃、复爆性, 难于扑灭, 有严重的火灾爆炸危险。

山东LNG项目一期工程建设3台16×104m3全包容储罐, 罐体直径82 m, 建设规模为300万t/a, LNG经汽化后通过输气干线为山东省下游用户供气, 年供气能力40.5亿m3。一期工程计划于2014年9月建成投产。

1 LNG泄漏

1.1 LNG扩散

当LNG储罐发生泄漏时, LNG从容器中泄漏后会发展成弥散的气团向周围空间扩散, 当空气中甲烷气体浓度过高时, 人可因缺氧而头疼、呼吸困难, 甚至昏迷、窒息而死。当甲烷在空气中的体积浓度在5%~15%时, 遇到火源会发生燃烧或爆炸事故。气团扩散一般有液体泄漏后扩散、喷射扩散和绝热扩散三种形式, 其数学计算模型比较成熟[1]。

1.2 火灾及爆炸事故

LNG泄漏扩散后, 在燃烧爆炸极限内被点燃, 可能造成喷射火、闪火、池火等火灾事故及蒸气云爆炸 (VCE) 、沸腾液体扩展蒸气爆炸 (BLEVE) [2]事故, 如图1所示。LNG泄漏后的火灾爆炸事故会对周围人员、设备、储罐等造成严重伤害和破坏。

1.3 事故可能性分析

LNG在沸点附近存储于储罐中, 储罐有一定的压力, 基本满足发生BLEVE的必要条件, 但LNG储存在全包容、绝热低压储罐中, 其蒸发速率不会太高, 发生BLEVE的概率较小。储罐外罐为密闭的预应力混凝土储罐, 可以承受内罐LNG泄漏时的压力和低温, 一般不会形成池火, 只有在相关管线发生大的破裂时, LNG发生较大量泄漏才可能形成池火。LNG泄漏时形成射流, 如果在泄漏裂口处被点燃, 则形成喷射火。LNG泄漏形成较空气重的蒸气云团, 延迟点燃容易发生闪火和蒸气云爆炸。因此, 泄漏后造成的喷射火、闪火和蒸气云爆炸是本文的分析重点。

2 事故模型

2.1 事故假设

由于发生泄漏点不同, LNG落地距离不同, 也就是说经过空气加热的距离不同, 因此形成的液池半径也不同, 其影响范围也就不同。基于此, 假设两种泄漏, 分别从3号罐距离地面1 m (事故A) 和40 m (事故B) 处水平喷出, 采用1台低压泵在满负荷下通过一根管路泵入拦蓄区的最大流量作为溢出量, 溢出时间为10 min, 压力1 MPa, LNG温度-160℃。同时假设双包容罐发生池火事故 (事故C) 作为全包容储罐的参考。

2.2 外部条件

根据GB/T 20368—2006[3]、GB 50183—2004[4], 事故模型的外部条件采用如下数据。

3 事故模拟与分析

本文采用PHAST软件模拟LNG泄漏事故A、B、C后果。PHAST软件是挪威船级社 (DNV) 推出的石化项目危害后果分析工具, 是国内应用最为普遍的定量风险分析软件, 包括丰富的计算模型, 可用来分析物料泄漏速率及过程, 模拟液池的形成、扩展和蒸发, 计算火灾后果 (包括喷射火、池火、闪火、VCE和BLEVE) 等。

3.1 泄漏扩散

使用PHAST软件中UDM (Unified Dispersion Model) 模型[5]模拟LNG泄漏扩散的过程及造成的影响, LNG发生泄漏后在地面处形成的扩散影响范围如图2、图3所示。可见, 风会加剧LNG向下风向扩散, LNG低点泄漏后会在地面形成液池 (图中红色部分) , 高点泄漏在风力作用下, 没有在地面形成浓度分布 (图3-右) , 高点泄漏对地面影响相对较小。

3.2 闪火范围及1/2爆炸下限

闪火发生的范围即天然气的燃烧上下限, 事故A在不同风速下的闪火范围如图7所示, 其中绿色线圈表示燃烧 (爆炸) 下限浓度4.04×104mg/L包络圈, 蓝色线圈为1/2爆炸下限包络圈。

根据GB/T 20368—2006[3], 风速2.0 m/s时, 计算得到事故A、B的1/2爆炸下限影响范围分别为490.0 m (图4-右蓝线圈) 、94.0 m。事故A爆炸下限及爆炸极限浓度扩散范围如图5所示, 外侧蓝圈为事故A1/2爆炸下限浓度的影响范围 (490 m) , 蓝色椭圆为风向正南时一次事故的1/2爆炸下限浓度的扩散范围;中间黄色线圈为爆炸下限浓度的影响范围, 内侧红圈为爆炸上限浓度的影响范围。

3.3 延迟爆炸超压影响

采用TNT爆炸模型[6]计算事故A、B发生爆炸时, 其冲击波超压与距离的关系 (表2) 。图6表示事故A在无风条件下延迟爆炸冲击波超压影响范围。

3.4 喷射火辐射影响

LNG泄漏时形成射流, 在泄漏裂口处被点燃形成喷射火, 选用PHAST中API521喷射火焰模型计算其热辐射影响范围, 如图7、图8及表3所示, 可见外界条件会显著改变喷射火的热辐射影响范围。图7中, 蓝色横线段表示该范围已经被喷射火火焰吞没。由于发生水平喷射火落地点较远, 与泄漏发生的高度有直接关系, 落地点影响范围小, 在模拟条件下的影响直径不足5 m, 因此高点泄漏喷射火的热辐射影响范围明显小于低点泄漏。

3.5 双容罐池火

在LNG储罐周围的建筑物高度一般不超过10 m, 因此选择10 m高空双容罐发生池火的数据作为全容罐的参考, 如图9, 图中0~41 m范围为液池半径。其辐射热影响范围见表3, 全容罐池火的影响半径必然小于此数据。

根据GB/T 20368—2006[3]、GB 50183—2004[4], 在相应气象条件下, 选取发生喷射火、双容罐池火时五种辐射热等级的影响范围, 列于表3。

注:事故C池火热辐射数据作为参考。

通过比选数据, 可以得出储罐区与周围设施的安全间距如下:

1) 距离居住区、公共福利设施的距离不小于500 m[4];

2) 距离50人以上的户外集合点不宜小于126.6 m;

3) 距离建筑物不应小于115.1 m, 否则需要进行耐火保护;

4) 距离有耐火保护及耐辐射的建筑物不宜小于46.5 m。

4 结语

一旦发生LNG火灾或爆炸事故, 其热辐射影响范围较广, 破坏性比较强。合理处置LNG泄漏风险, 应从设计上优化布局和结构, 做好相关建筑物耐火防护, 整合社会消防资源。除此之外, 还需根据泄漏事故特点, 配备足够的消防应急设施, 提高自身消防应急能力, 因此建议配备如下消防设施:

1) HSE中心消防站, 负责LNG罐区及工艺区的机动消防, 配备干粉与低倍数泡沫联用车、干粉消防车、大型高倍泡沫消防车、抢险救援车 (带照明功能) 、高喷消防车、通讯指挥车各一辆, 并配备足够的消防人员。

2) 1.2 MPa稳高压消防水系统, 按规定设置消火栓、固定式消防水炮, 并在HSE中心设5只移动式消防水炮, 在发生火灾事故时灵活使用。

3) 固定式水喷雾系统, 设置于LNG罐顶泵平台钢结构、管道、仪表阀门、安全阀或其它阀门紧急疏散通道, 据NFPA15规定, 喷雾强度应达到10.2 L/ (min·m2) [7]。

4) 高倍数泡沫灭火系统, 设置在LNG事故收集池, 以控制泄漏到LNG收集池内的液化天然气的挥发, 尽可能降低二次火灾的可能性。

5) 固定式干粉灭火系统, 设置在LNG储罐罐顶的安全阀处, 用于扑救其出口处的火灾。

6) 按最大保护距离不超过9 m的标准, 配备足够数量的干粉灭火器, 用于扑灭初期火灾。

参考文献

[1]丁信伟, 王淑兰, 徐国庆.可燃及毒性气体泄漏扩散研究综述[J].化学工业与工程, 1999, 16 (2) :118-122.

[2]王三明, 蒋军成.沸腾液体扩展蒸气爆炸机理及相关计算理论模型研究[J].工业安全与环保, 2001, 27 (7) :30-34.

[3]GB/T 20368—2006液化天然气 (LNG) 生产、储存和装运[S].

[4]GB 50183—2004石油天然气工程设计防火规范[S].

[5]朱伯龄, 於孝春.LNG储罐孔洞泄漏扩散危险区域分析[J].安全与环境工程, 2009, 16 (3) :104-108.

[6]马小明, 吴晓曦.LNG储罐火灾后果分析[J].中山大学学报论丛, 2007, 27 (2) :105-108.

[7]NFPA 15-2007 Standard for Water Spray Fixed Systems for Fire Protection[S].

PHAST软件论文 篇2

压缩天然气 (CNG) 作为一种新型燃料, 由于燃烧充分、利用价值高、污染小, 受到普遍欢迎, 目前在我国正在普遍推广。但是, 由于CNG又是一种易燃易爆气体, 加之CNG加气站大多数处在城市, 如发生意外, 极易造成严重的经济损失和人员伤亡。

1 CNG加气站的危险有害分析及事故分类

1.1 CNG加气站的基本情况

某CNG加气站为撬装式天然气液压子站, 主要设备有撬装式CNG液压加气装置1台, 子站拖车1辆 (车载CNG储气瓶水容积为2.25m3×8) , CNG加气机2台, 卸车点1处。

1.2 危险性分析

天然气的主要成分是甲烷, 是一种易燃易爆的气体, 最小点火能为0.28 MJ, 和空气混合后, 温度只要达到550℃就燃烧, 属甲类火灾特性。在空气中, 天然气的体积分数只要达到5%~15%就会爆炸。它对空气的相对密度为0.55, 扩散系数为0.196。天然气极易燃烧、爆炸, 并且火灾发生后很难控制。天然气的爆炸是在一瞬间 (千分之一或万分之一秒) 产生高压、高温 (2 000℃~3000℃) 的燃烧过程, 爆炸波速可达2 000m/s~3 000m/s, 将造成很大破坏力。

1.3 事故模拟分析

CNG加气站主要的事故通常由管路泄漏和容器破裂引起, 一旦天然气泄漏会引起喷射火、闪火、蒸汽云爆炸等事故。

加压的天然气泄漏时会形成射流, 如果在泄漏口处被点燃, 会形成喷射火。当火灾产生的热辐射强度足够大时, 可使周围的物体燃烧或变形, 强烈的热辐射可能烧毁设备甚至造成人员伤亡。火灾损失估算建立在辐射通量与损失等级的相应关系基础上。

闪火是天然气泄漏到空气中并与之混合后被点燃而发生的一种非爆炸性的蒸汽云燃烧。其主要危害是热辐射和灼烧。闪火热辐射的大小由火焰的辐射能、视角系数和大气传输率所决定。

天然气泄漏之后若未被立即点燃, 与空气混合形成可燃蒸汽云团, 并随风漂移, 遇到火源发生爆炸, 并形成火球, 能引起较大范围的破坏。蒸汽云爆炸的主要危害是冲击波造成的伤害。随着延迟点火时间的不同, 产生爆炸的后果也不同。

2 PHAST软件模拟计算

2.1 PHAST软件介绍

PHAST软件是由挪威船级社 (DNV) 开发的, 是专门用于石油化工和天然气领域危险分析和安全计算的软件。该软件内嵌了四种计算模型, 分别是泄放和扩散、燃烧 (包括池火、喷射火和沸腾液体蒸汽云燃烧) 、爆炸和毒气扩散。PHAST计算范围较广, 可以快速地得到模拟事故的各种数据, 计算的结果与实验数据也较为吻合。

2.2 参数设置

由于天然气的成分复杂, 最有效的方法就是取代表成分对其简化, 天然气的主要成分为甲烷, 因此选取甲烷作为危险物质进行计算。

CNG加气站车载储气瓶压缩天然气的储存压力为20MPa, 储存温度50℃, 8只气瓶的水容积为18m3, 爆破片直径20mm, 天然气管道为Φ22.0×4.0的奥氏体不锈钢管。

对连续孔尺寸进行计算是不现实的, 因此必须使用一组不连续的孔尺寸。API581规定, 用于风险计算的可能的孔尺寸有6.35mm、25.4mm、102mm和破裂4种情况, 它们的适用范围分别是0mm~6.35mm、6.35mm~50.8mm、50.8mm~152.4mm和>152.4mm。根据CNG加气站工艺设备的实际情况, 选择6.35mm和破裂进行事故后果分析。

泄漏后事故的发展模式和当时的天气条件关系很大, 气象条件主要包括风速、大气稳定度、混合层高度、光照和气温等。CNG加气站所在地区的年平均风速选取3.3m/s, 年平均气温选取15.5℃, 年平均湿度82%, 大气稳定度为稳定 (D) 。

2.3 事故后果分析

2.3.1 喷射火

喷射火可以看成由沿喷射中心线上的几个点热源组成, 其热辐射通量按照下式计算:

式中:q为效率因子;Q0为气体泄漏速度, kg/s, HC为气体燃烧热, k J/kg。

喷射火的火焰长度等于从泄漏口到混合气体燃烧下限的射流轴线长度, 射流线上某点热源i到距离该点x处的热辐射强度为:

式中R为辐射率, x为点热源到目标点的距离 (m) 。

某一目标点的入辐射强度等于喷射火的全部点热源对目标的热辐射强度的总和:

式中n为计算时选取的点热源数。

软件模拟的具体危害定量分析的后果如表1所示。

2.3.2 闪火

闪火是一个火焰以恒定速度传播的过程, 应用质量、动量和能量守恒关系, 闪火火焰高度的经验计算公式如下:

式中H为火焰可视高度, m;d为云团厚度, m;s为燃烧速度, m/s;g为重力加速度, 9.8m/s2;ρa为空气密度, kg/m3;ρ0为燃烧物与空气混合物的密度, kg/m3;r为理想配比下空气与燃烧物的质量比;a为恒定压力下理想配比时燃烧的膨胀比;φ为燃烧物所占混合物的体积比;φst为理想配比时燃烧物所占的体积比。

软件模拟的具体危害定量分析的后果如表2所示。

2.3.3 蒸汽云爆炸

当CNG储罐受到外力的冲击和火灾的作用时, 储罐很可能发生失效破裂, 如果储罐破裂程度严重, 由于大量天然气在瞬间气化, 发生沸腾液体蒸汽爆炸 (BLEVE) , 遇到火源还会引起蒸汽云燃烧爆炸 (VCE) , 从而引起爆炸冲击波、容器碎片抛出和巨大的火球热辐射, 对周围的人员和设备造成严重破坏。

目前常见的热辐射伤害准则有:热通量准则、热剂量准则、热剂量-时间准则、热通量时间准则和热通量-热剂量准则, 对于冲击波伤害准则, 文中采取超压准则。超压准则认为, 只要爆炸波的超压达到一定值, 便会对建筑物构件及各种有生力量 (动物等) 构成一定程度的破坏或损伤。

蒸汽云爆炸计算模型:

1) TNT当量的计算

用TNT当量法预测蒸汽云爆炸严重度的原理:假定一定百分比的蒸汽云参与了爆炸, 对形成冲击波有实际贡献, 并以TNT当量来表示蒸汽云爆炸的威力。用下式来估计蒸汽云爆炸的TNT当量WTNT:

式中A为蒸汽云的TNT当量系数, 取值范围0.02%~14.9%。这个范围的中值是3%~4%, 取4%;WTNT为蒸汽云的TNT当量, Kg;Wf为蒸汽云中燃料的总质量, Kg;Qf为燃料的燃烧热, MJ/Kg;α为地面爆炸系数, 取1.8;QTNT为TNT的爆热, 4.12MJ/Kg~4.69MJ/Kg。

2) 冲击波的超压

冲击波波阵面上的超压与产生冲击波的能量有关, 同时也与距离爆炸中心的远近有关。用下列公式计算:

式中R为目标与爆炸中心距离, m;R0为目标与基准爆炸中心的相当距离, m;q0为基准爆炸能量, TNT, Kg;q为爆炸时产生冲击波所消耗的能量, TNT, Kg;Δp0为目标处的超压, MPa。

软件模拟的具体危害定量分析的后果如表4所示。

3 结论

1) CNG加气站发生火灾、爆炸的后果都非常严重。对比喷射火、爆炸和闪火三者对人和建筑物的影响程度, 爆炸产生的冲击波强度要大于喷射火和闪火的辐射强度;

2) 不同孔径大小的泄漏源产生的影响严重程度不同。随着孔径的增大, 热辐射强度增大, 爆炸的影响范围也扩大;

3) CNG加气站的总平面布置、安全设备设施设计应考虑安全防护距离, CNG加气站的安全管理及事故预防均应考虑事故的影响范围。

参考文献

[1]陈国明, 徐长航.安全工程信息化技术概论[M].中国石油大学出版社, 2008.

[2]刘铁民, 张兴凯, 刘功智.安全评价方法应用指南[M].化学工业出版社, 2005.

[3]吴宗之, 高进东, 魏利军.危险评价方法及其应用[M].冶金工业出版社, 2002.

[4]韩中华.CNG加气站的火灾危险性分析及预防措施探讨[J].煤炭技术, 2008.

PHAST软件论文 篇3

岚山港是江北最大的液化品集散基地, 其危险化学品码头在业务规模不断扩大的同时, 对储罐区安全管理及风险控制提出了更高的要求, 特别是在石大科技“7·16”安全事故发生后, 给整个岚山区域内的危化品企业带来了巨大的冲击, 使企业意识到安全是危化品行业不可逾越的红线。

火灾、爆炸、毒物泄漏扩散事故是安全生产事故中较为常见的事故类型, PHAST模拟软件内嵌4种计算模型分别为:泄放和扩散、燃烧、爆炸和毒气扩散中毒, 可进行定量安全评价及事故后果模拟从而有效的防止事故的发生, 避免人员伤亡及经济损失。可为企业安全管理、安全评价、制定应急救援预案提供合理的理论支持。

岚山港储罐危险性分析

大型原油储罐一般采用外浮顶罐型式, 储存容量超大。在使用过程中, 由于管道焊缝处焊接产生裂纹、管道与法兰的阀门连接处密封失效、原油储罐受外力作用产生裂纹就会造成原油油品的泄漏, 泄漏出的原油遇到点火源可能发生火灾或爆炸事故。容易造成人员伤亡及经济损失。

本文风险点选取为50000m3外浮顶原油储罐, 罐壁内径60m, 罐壁高度19.32m, 操作压力为常压, 操作温度为80℃, 罐区存储的介质为原油, 原油具有易燃易爆性, 其火灾事故危险特性见表1。

PHAST模拟软件介绍

PHAST是挪威船级社研发的SAFETI中的一个计算事故影响后果的软件模块, 其模拟原理是通过输入物质参数、工艺参数、环境实际参数等, 应用计算机对既定的事故模型进行影响范围及危害程度的计算, 形成模拟分析图和详细的模拟结果报告。本文采用PHAST模拟软件来计算泄漏引起池火灾、爆炸、喷射火、闪火事故的影响范围, 为人们合理设置安全防火间距提供参考。

对储罐区进行事故后果模拟分析

常压原油储罐典型泄漏场景包括: (1) 从储罐的上侧小孔泄漏6.35mm (1/4 in) , 中孔泄漏25.4mm (1 in) 及大孔泄漏101.6mm (4 in) ; (2) 储罐底内中孔泄漏25.4mm (1 in) 及大孔泄漏101.6mm (4 in) ; (3) 罐壁或罐底破裂, 并假设罐底破裂可以造成泄放介质顺畅地流到储罐周围的地面上。

根据岚山港实际布局及泄漏场景结合PHAST模拟软件, 对泄漏造成的池火灾及爆炸进行事故后果模拟分析。研究对象为岚山港的原油储罐区一座装填系数为0.8容积为50000m³的原油储罐。

(1) 参数设置。以岚山港一座50000m3原油储罐为例, 池火灾事故后果模拟评价参数值如表2所示。

(2) 泄漏事故后果模拟。以下将研究原油泄漏后, 对原油储罐区可能发生的事故后果进行模型预测。

(3) 应用PHAST计算机模拟软件, 可得出模拟分析图和详细的模拟结果报告, 通过分析模拟结果, 得出如下的分析数据见表3。

由原油储罐泄漏扩散模型得出以下分析结果:原油泄漏后遇到点火源, 形成池火灾事故, 以泄漏点为圆心半径63m内的圆形区域为致死区域、以泄漏点为圆心半径在63m至77m内的环形区域为重伤区域、以泄漏点为圆心半径在77m至100m内的环形区域为轻伤区域、距离泄漏点100m以上为安全区域, 但依然要采取相应的安全应急措施。

应急救援措施

针对原油储罐的典型泄漏事故后果模拟的结果, 建议厂区预先对泄漏风险进行严格控制。通过控制原油储罐的泄漏及点火源两个要素防止事故的发生, 同时严格控制原油储罐与周围设备的距离, 防止二次事故及连带风险影响。

(1) 储罐与周围设备设施保持足够的安全距离。储罐与周围设备设施必须保持足够的安全距离, 严格按照国家法律、法规的要求设置, 并结合安全评价及事故后果模拟的结果进保持足够的安全距离。

(2) 严格控制储罐或管线原油泄漏。应加强对薄弱环节的管理, 通过原油储罐泄漏原因的分析, 加强对风险的管控, 定期安排对罐底、罐壁及管道腐蚀检测, 对预计投入使用的储罐进行安全检测之后投入使用。

(3) 严格控制点火源。在储罐区严格控制火源, 禁止携带火种进入储罐区, 现场的动火作业必须有动火作业许可证, 在动火作业的同时要采用可燃气体探测器进行浓度的监测并做好现场保护措施。

(4) 制定应急救援预案。一旦发生泄漏事故, 及时采取安全有效的应急救援措施, 阻止事故进一步扩大;安排定期检测、维护保养消防系统、探测系统保证其及时性、有效性, 对事故起到应急保障作用。

结语

本文结合岚山港原油储罐区实际情况应用PHAST模拟软件对50000m3原油储罐进行泄漏事故后果模拟分析, 从而得出储罐区发生泄漏后可能造成的事故后果, 通过对池火灾、爆炸、喷射火、闪燃事故模型进行模拟分析得出储罐区危险性及危险程度, 从而为危化品的生产、储存和运输制定安全措施及应急预案。