油库储罐泄漏危险程度定量模拟评价应用研究

设计计算

油库储罐泄漏危险程度定量模拟

3

评价应用研究

　　(

(华南理工大学工控学院安全工程研究所)广东省安全科学技术研究所)

张瑞华3

3

　　陈国华　　张文海潘　游　　颜伟文　　陈清光

张瑞华　陈国华等:油库储罐泄漏危险程度定量模拟评价应用研究,油气储运,2004,23(10)4～7。　　摘　要　针对油库储罐泄漏事故及其可能导致的后果,提出定量模拟评价的基本思路。通过

比较,选取适当的评价模型对油库储罐泄漏危险程度进行定量模拟评价,确定其泄漏事故的爆炸危险浓度、健康危害浓度的影响区域和最大影响距离,并结合具体的工程案例进行应用研究,从而为油库储罐泄漏危险程度的模拟预测提供了参考依据。

　　主题词　油库储罐　　泄漏　　扩散模型　　定量评价　　模拟评价　　国内外曾发生过不少库区储罐泄漏而导致重大灾害的事故。1984年11月9日发生在墨西哥城装有3000t丙烷的储罐发生爆炸(其中确认泄漏形成蒸气爆炸有4起,并由此引发连锁化学爆炸),死亡

1〕

人数达100人,伤7000人〔。19年,美国德克萨斯石油化工厂发生的异丁烷泄漏造成爆炸事故,损

2〕

失高达7.3亿美元〔。1997年,我国北京东方化工厂“6.27”事故,由于储罐泄漏引起爆炸,死亡8人,2〕燃烧区域达6×104m2以上〔。2001年,沈阳市发生了一起油罐泄漏连锁爆炸事故,储油总量为3200m3的8座油罐先后爆炸起火,造成1人死亡,8人

3〕

受伤〔。因此,对易燃易爆液体的泄漏扩散以及由

一、前　言

　　随着石油企业向大型化发展,为了保证正常生产周转的需要,所设油罐组的总容量、单罐容量越来越大,油库储存了各种不同的易燃易爆液体(如原油、汽油、柴油、石脑油、燃料油、石油液态烃、有毒有害化学品等),在存储或装卸过程中一旦发生泄漏事故,在一定环境条件下,储存介质经过蒸发产生有毒有害气体,并向周围扩散,给作业人员的身体健康带来极大的伤害,而且当蒸气浓度达到爆炸极限时,若遇火源就会发生爆炸燃烧事故,后果不堪设想。油,添加GY-3降凝剂,无论是改性效果,还是稳定性,都是很理想的。加剂后不但凝点大大降低,而且低温流动性也得到了改善。随着塔里木混合原油物性变差,添加降凝剂可以改善油品流动性。

2、　增加泵站数量,提高输送能力

目前塔里木油田原油产量不断上升,2002年产量已达500×104t,为了配合油田的生产,库鄯管道输量将逐年增加,该管道一期工程的设计输量为500×104t,而由于油品物性变差,导致主泵排量降低,管道输送能力下降。为适应油田增产的需要,应增加库鄯管道泵站数量,以提高其输送能力。

　3广东省科技攻关项目(2002C32403)。

　335100,广东省广州市;电话:(020)87114740。

　　3、　增设中间加热站

库鄯管道投产前期,对塔里木原油热处理温度的敏感程度进行过深入研究,研究结果表明,塔里木原油只有加热到85℃才能降低原油的凝点和粘度。自库鄯管道投产以来,管输原油的凝点都在-10℃以下,因此在生产运行上,塔里木混合原油降粘比降凝更有现实意义。在管道上增加中间加热站,可以有效增加管内原油温度,降低油品粘度,提高管道输量。

(收稿日期:2003209210)

编辑:仇　斌

第23卷第10期　　　　　　　　张瑞华等:油库储罐泄漏危险程度定量模拟评价应用研究　　　　　・5・

此导致的火灾、爆炸危险程度进行模拟预测和定量评价,并结合具体的工程案例进行应用研究,对预防泄漏事故发生和减小事故损失,加强油库安全管理,有着重大的现实意义。

二、储罐泄漏危险性定量

　模拟评价方法

　　储罐泄漏危险性定量模拟评价方法的基本评价思路主要分两部分,首先是储罐泄漏过程的模拟计算,选取评价单元,计算泄漏速率和泄漏量;其次是扩散过程的模拟计算,根据泄漏量和有关参数得出蒸发速率,通过高斯烟羽模型和相关数据确定爆炸危险浓度、健康危害浓度的影响区域和最大影响距离。当罐区存储的危险物质种类较多时,应根据最

大危险原则,选取油库罐区中存储量较大、火灾危险性较大、挥发性较强、毒性较强的物质作为定量模拟评价对象。

1、　泄漏量的计算

类型。常温常压下的液体泄漏后聚集在防液堤内形

成液池,经蒸发形成蒸气云。液池面积可根据泄漏量来确定。若泄漏量很大时,液体将覆盖整个防液堤,此时可以将防液堤的面积等效为液池面积。蒸发速率与液池面积、环境温度、地面表面类型等条件有关。液池内液体蒸发按机理可分为闪蒸、热量蒸发和质量蒸发。闪蒸适用于过热液体泄漏后的蒸发;而质量蒸发是地面传热停止后,液池表面之上的气流运动使液体蒸发,蒸发量小;热量蒸发主要是液体吸收地面热量而气化。因此一般选用热量蒸发模

4〕

式,蒸发速率的计算式如下〔:　　qv=

KA1(T0-Tb)

H

παt

+

KNuA1(T0-Tb)HL

(3)

式中　qv———蒸发速率,kg/s;———液池面积,m2;———环境温度,℃;———液体沸点,℃;———液体蒸发热,J/kg;———液池长度,m;———热扩散系数,m2/s;

　　　K———导热系数,J/(m・K);　　　t———蒸发时间,s;　　Nu———努舍尔特(Nusselt)数。

3、　气体扩散模拟计算

气体扩散的模型有多种,其中Gaussian模型较为成熟,适用于中性气体的点源扩散,计算结果与实验值能较好吻合,在国内外广泛的应用,美国环境保护协会(EPA)所采用的许多标准都是用Gaussian模型为基础而制定的。Gaussian模型包括烟羽模型(plumemodel)和烟团模型(puffmodel),其中烟羽模型适用于连续点源的扩散,而烟团模型适用于短时间点源泄漏的扩散(即对突发性瞬时泄漏或泄漏

6～8〕

时间小于扩散时间的泄漏)〔。烟羽模型是模拟扩散到大气中的污染物沿下风向浓度分布应用最广泛的模型。该模型适用于蒸气扩散及液体转变为蒸气的扩散,假定烟羽水平风方向和垂直方向上的污

9〕

染物浓度符合高斯分布,其基本方程如下〔:

22

σσ　　C(x,y,z)=(qv/2πuyz)exp(-y/2σy)　　　A1　　　T0　　　Tb　　　H　　　L

α　　　

2

×{exp[-(z-Hr)2/2σz]2+exp[-(z+Hr)2/2σz]}

bσz=K(z0)ax

泄漏量的计算主要包括确定泄漏口尺寸、泄漏速率的计算和泄漏量的计算等。一般储罐的接头和阀门等辅助设备易发生泄漏,裂口尺寸取其连接管

4〕

道直径的20%～100%〔。液体泄漏速率可用流体

力学的Bernoulli方程〔4〕:　　QL=πCDD2ρL{2[(P-Pa)/ρL]

+2gHL}1/2/4

(1)

式中　CD———泄漏系数;　　　D———泄漏孔径,m;

ρ　　　——液体密度,kg/m3;L—　　　P　　　g

———罐内压力,MPa;———重力加速度,9.8m/s2;

　　Pa———大气压,MPa;　　HL———孔上液位高度,m;　　QL———液体质量泄漏速率,kg/s。　　据统计,绝大部分蒸气云爆炸事故发生在泄漏开始后的3min之内,所以在计算泄漏量时泄漏时间取为3min〔5〕,其计算式如下:

Q=180QL1000

(2)

式中　Q———3min的泄漏质量,kg。

2、　蒸发速率模拟计算

(4)(5)

计算蒸发速率的关键在于确定液池面积和蒸发

・6・

pq

σy=K(z0)10x

油　气　储　运　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2004年　

(6)

x

-0.22

0.533K(z0)=(10z0)

(7)(8)

z0=0.041h

式中　C———泄漏物质离地面某高度处的蒸气浓

度,mg/m3;

　　　u———平均风速,m/s;　　　Hr———泄漏源的有效高度,m;　　　t———扩散持续时间,s;σ——x,y,z方向上的扩散系数,m;x,σy,σz—　　　x———下风向距离,m;　　　y———横风向距离,m;　　　z———距地面高度,m;

　　　z0———粗糙长度,是扩散表面层(地面)的特征参数,m;　　　h———罐高(包括基座),m;

a,b,p,q———环境影响参数,按环境稳定等级取不

的危险危害浓度阈值,包括爆炸下限浓度和健康危

害浓度。根据式(4)和危险危害浓度阈值,求出扩散爆炸危险浓度和健康危害浓度影响的最大距离及面积。最大距离是指下风向距离液池中心的距离。计算危险危害面积时采用近似算法,由椭圆面积估算公式得出。用不同的填充图案表示危险和危害区域,根据风向绘制出爆炸危险浓度和健康危害浓度的影响区域及分布。

三、工程应用案例

　　某油库所在地的主风向为北风或东南风,平均风速为2.2m/s,气温28℃。储存的油品有汽油、柴

油和甲苯、甲醇等化学品。根据最大危险性原则,选用甲苯为典型危险物质作为应用案例。

参数CD取0.65,D为0.3m,ρL为871kg/m3,P为常压,Pa为101325Pa,g为9.8m/s2,HL

同的值。

环境稳定等级可按风速划分为6个等级,即A～F,其中A级稳定性最弱,F级最稳定。W表示不同稳定等级所对应的取值,即当稳定等级为A时,

W=1;稳定等级为B时,W=2,以此类推。通过式

9〕

(9～12)计算出环境影响参数a,b,p,q〔,也可根

为10m,A1为3146.45m2,Tb为110℃,H为363000J/kg,L为56.093m,α为1.29×10-7m2/

s,K为1.1J/(m・K),Nu为1274.84,t取180s。

根据式(1)得甲苯质量泄漏速率QL=559.98kg/s。由式(2)得甲苯泄漏量Q=100.80t。由式(3)得甲苯的蒸发速率qv=109.33kg/s。

根据国家电气安全规范《中华人民共和国爆炸危险场所电气安全规程》和《美国工业卫生学家会议(ACGIH)1997～1998年生产环境化学物质阈限值》选取甲苯的爆炸下限浓度为49340.88mg/m3,健康危害浓度为800mg/m3。选取z=1.2m的泄漏源有效高度的平面作为评价影响区域的基准面,环境稳定等级取D级,根据式(4)～式(12)得出甲苯泄漏后扩散形成爆炸危险浓度区域的最大距离为111m,危险面积为4949.3m2;健康危害浓度区域的最大距离为1580m,危害面积为6800.8m2,爆炸危险浓度和健康危害浓度的影响区域及分布(见图1),图1中以建筑坐标为基准坐标,小椭圆填充区域表示爆炸危险区,大椭圆填充区域表示健康危害区。

从图1可看出,当甲苯储罐发生泄漏时,在北风或东南风的影响下,甲苯蒸气的危险危害区域沿下风向大致呈椭圆形分布。当风速为2.2m/s时,液池中心下风向111m,约4949.3m2的范围内,甲苯蒸气浓度达到爆炸下限,遇火源则会发生爆炸,与甲

据表1选取a,b,p,q的近似值。　　　　　a=0.306-0.0302W　　　　　b=0.940-0.044W　　　　　p=-0.097-0.185W

q=0.980

9〕

表1　环境影响参数a,b,p,q的值〔

(9)(10)(11)(12)

稳定等级

ABCDEF

a0.280.230.220.200.150.12

b0.900.850.800.760.730.67

p-0.27819-0.43063-0.67985-0.279-1.00877-1.18709

10p0.5270.3710.2090.1280.0980.065

q0.8650.8660.70.9050.9020.902

　　4、　危险危害区域的确定

由于蒸发形成的蒸气具有毒性和易燃易爆的性质,当蒸气达到一定浓度时,会对人体健康产生不良影响,危及人的生命安全;当浓度达到爆炸极限时,若遇到火源则会引起爆炸。根据相关标准确定蒸气

第23卷第10期　　　　　　　　张瑞华等:油库储罐泄漏危险程度定量模拟评价应用研究　　　　　・7・

苯储罐邻近的几座储罐将处在此区域;液池中心下风向1580m,约6800.8m2的范围内,甲苯蒸气对库区和库区外围广大区域的暴露人员的健康产生不良影响。泄漏不仅造成资源浪费,而且易引起火灾爆炸事故。因此应防止泄漏,在可能发生局部泄漏的部位,设置可燃气体浓度检测报警装置。在库区内应禁止明火,设置阻火装置。在泄漏事故的处理过程中,必须同时加强防火防爆及个体防护工作。为防止事故发生,油品储罐在高温烧烤环境下因罐内液体过热而迅速气化导致罐内超压、破裂并可能引起二次爆炸,应采取水喷淋冷却周围储罐外壁,降低罐内温度。在设计油库时,应注意罐区与周围办公、住宅等建筑物的距离。

4,　生产监督管理局:安全评价,煤炭工业出版社(北京),

2002。

5,　CPR-14E(1997):Methodsforthecalculationofthephysicalef2

fectsduetoreleasesofhazardousmaterials,TheHague,TheNetherlands:CommitteeforthePreventionofDisasters(YellowBook).

6,　潘旭海　蒋军成:模拟评价方法及其在安全与环境评价中的应

用,工业安全与环保,2001,27(9)27～31。

7,　潘旭海　蒋军成:化学危险性气体泄漏扩散模拟及其影响因素,

南京化工大学学报,2001,23(1)19～22。

8,　丁信伟　徐国庆:可燃及毒性气体泄漏扩散研究综述,化学工业

与工程,1999,16(2)118～122。

9,　SpijkerboerHP,BeniersJE,JaspersDetal:AbilityoftheGaus2

sianplumemodeltopredictanddescribesporedispersaloverapotatocrop,EcologicalModeling,2002(1)1～18.

(收稿日期:2003209204)

编辑:孟凡强

下　期　要　目

管道泄漏检测技术的应用

　与发展………………………高宏扬输气管道的优化运行研究

　现状………………初飞雪　吴长春埋地输气管道的检测与评估　技术……………薛吉明　李存峰等含蜡原道停输再启动的安全　性问题…………许　康　张劲军等冷热油交替顺序输送过程热力问题　的研究……………崔秀国　张劲军天然气管网系统输配气运行优化　研究………………郑　凤　李长俊液体管道瞬变流摩阻的计算

　方法………………岑　康　李长俊管输过程中加剂原油粘度变化的　预测方法…………李玉凤　张劲军天然气长输管道管输价格　模型………………周章程　陈国群超导炉在油田集输系统中　的应用…………邓　燕　邢　宇等

图1　甲苯储罐泄漏扩散事故后果影响区域

四、结束语

　　选用高斯烟羽模型(Gaussianplumemodel)对油

库储罐危险物质的泄漏扩散过程的危险程度进行了定量模拟评价,提出了模拟评价的基本思路,从而对油库储罐发生泄漏事故的爆炸危险性和健康危害性作了定量分析,得出爆炸危险浓度和健康危害浓度的影响区域及分布,并结合具体的工程案例进行了应用研究。在计算危险危害区域面积时采用椭圆面积计算公式进行估算,简化了计算过程。由于高斯烟羽模型只适用于中性气体的扩散泄漏,对重气体或轻气体的扩散模拟存在失真现象,这些都有待于进一步研究。

参

48。

2,　潘旭海　蒋军成:危险性物质泄漏事故扩散过程模拟分析,中国

考文献

1,　王铭珍:液化石油气储罐火灾及其预防,安全,1991,(3)47～

职业安全卫生管理体系认证,2001,(3)44～46。

3,　周厚云“:9.1”沈阳油库火灾爆炸事故,化工安全与环境,2001,

14(41)。

第23卷第10期　　　　　　　　　　　　　　　　　油　气　储　运　・59・

作　者　介　绍

李德宝　工程师,1962年生,1986年毕业于原中国石油天然气管道职工学院储运专业,现在中国石油天然气

管道公司库鄯输理处工作。

张瑞华　博士,1979年生,2002年毕业于华南理工大学工业装备与控制工程专业,获硕士学位,现在华南理

工大学工控学院安全工程研究所工作,主要从事火灾爆炸动态模拟方面的研究。

苏新军　博士,1970年生,2003年毕业于西安交通大学工程热物理专业,获博士学位,现在科技大学机

械系攻读博士后学位。

潘红良　见本刊2004年第8期作者介绍。

李元鹏　工程师,1969年出生,1992年毕业于石油大学(山东)储运专业,现在胜利油田有限公司临盘采油厂安全科工作。

李小红　工程师,1971年生,1997年毕业于西南石油学院研究生部石油天然气机械工程专业,现在中国石油

天然气管道工程有限责任公司工艺室工作。商同林　工程师,19年生,2001年毕业于合肥工业大学经济管理专业,现任中国石化胜利有限公司河口采

油厂副厂长。

宋晓琴　见本刊2004年第6期作者介绍。

李玉凤　1974年生,1996年毕业于石油大学(山东)采油工程专业,获学士学位,1999年毕业于石油大学(北

京)钻井工程专业,获硕士学位,现为石油大学(北京)油气储运专业在读博士生。

吉玲康　高级工程师,1966年生。19年毕业于西安交通大学材料工程系,1999年获工学硕士学位。现

从事石油天然气油气输送管的研究与应用工作。

张惠民　高级工程师,1960年生,1983年毕业于西安理工大学金属材料及热处理专业,获学士学位,现任中

石化集团管道储运公司副经理。

楚海明　高级工程师,1965年生,1987年毕业于浙江大学信息电子工程系物理电子专业,现任中石化管道

储运分公司黄岛油库副总工程师兼生产技术科科长。

高发连　工程师,19年生,1985年毕业于重庆石油学校,现在中国石油天然气管道局输油气部从事天然气

管道的投产、运行管理等技术工作。

汪冈伟　教授级高级工程师,1944年生,1966年毕业于浙江大学电气自动化专业,现为中国石道公司专

家组成员,秦京输油处顾问。

王　军　见本刊2004年第9期作者介绍。

张冬敏　高级工程师,1961年生,1983年毕业于原中国石油天然气管道局职工学院长输工艺专业,现在中国

石道分公司科技中心工艺所从事工艺研究工作。

OIL&GAS

STORAGEANDTRANSPORTATION

(MONTHLY)

Vol.23No.10(TotalNo.190)Oct.25,2004

CONTENTSANDABSTRACTS

・TRANSPORTATIONPROCESS・

LIDebao,ZHAOYanjunetal:InfluenceofBehavionVariationofCrudeOilonOperationforOilPipeline,OGST,2004,23(10)1～4.

InallusiontotheviscosityanddensitygrowingyearbyyearandheavyoilcontentcontinuouslyhigherforTarimCrudeOil,theoperationalproblemsofKorla-ShanshanPipelineinefficiencyandprocessparametersofpumpunits,transportationcostandoperationsafetyareanalyzed.Therelativemeasurestobetakentoincreaseblendrateoflightoilorseparatelytreatheavyoil,injectGY-3PPDandinstallintermediateheatingstationareputforward.Theauthorsconsiderthatthesewaysareveryhelpfultoimprovethepropertyofcrudeoil,increasetransportationcapacityandcutdownoperationcostofthepipeline.

SubjectHeadings:oiltransportation,oilproperty,variation,influence,analysis,measures

・DESIGN&CALCULATION・

ZHANGRuihua,CHENGuohuaetal:TheAppliedStudyoftheQuantitativeSimulationEvaluationforDanger2ousDegreeoftheOilTankLeakingDispersionProcess,OGST,2004,23(10)4～7.

Aimedattheoiltankleakingdispersionaccidentanditsconsequence,ageneralmethodologywithquantita2tivesimulationassessmentisputforwardinthispaper.Throughcomparison,arelativesuitablequantitativeas2sessmentmodelisoccupiedtoevaluatethehazardconsequencewhenoiltankisleaking.Bytheuseofthesimu2latingevaluationprocess,theharmfulareacanbecalculatedsimplyandshowninanellipsearea.Thelongestdistanceintheharmfulexplosionareaandtheharmfulexplosionareaoftheexplosionhazardconsistency,healthyharmconsistencycanbesimulatedandobtainedcombinedwiththeapplica-　tionofanengineeringcase.Therefore,anappliedmethodologyforsimulatingandevaluatingthesafetyofthedischargingdispersionprocessofoiltankispresented.

SubjectHeadings;oiltank,leakage,arrest,dispersionmodel,quantitativeevaluation,simulationevaluation

—2—