液化石油气储罐安全防护的模拟设计法.pdf

第2 4 卷第7 期 天然气工业 液化石油气储罐安全防护的模拟设计法* 邢志祥 1 ． 南京 工业大学城 市建设 与安全环境 学院 蒋军成 2 ． 中 国人 民武装警察 部 队学 院消防指挥 系 邢志祥 等． 液化石 油气储罐安 全防护 的模 拟设 计法． 天然 气工 业， 2 0 0 4 ； 2 4 7 1 1 1 ～ 1 1 4 摘 要 液 化石油 气储 罐周 围一旦发生 火灾 ， 在 火灾环境 的影 响下储 罐 内液化石 油气 的温度 和压 力会迅 速升 高 ， 同时储罐 的强度会迅速 下 降， 在 一定条件下 储罐 即会发 生破 裂和爆 炸， 进 而引发 B I E VE爆炸 ， 并引起爆 炸冲 击 波、 容器碎片抛 出及巨大的火球热辐射， 对周围的人员、 建筑和设备造成更大的破坏。为此， 对液化石油气罐区的 安全 防护方法进行 了分析 ， 对各 种方法 的特点进行 了比较， 并提 出 了进行 安全 设 计 时选 择 安全 防护 方 法 的基 本原 则 。根据 液化石 油气储罐在 火灾作用 下的响应 规律 的数值 模拟 方法， 提 出了液 化石 油气储 罐安全 防护 设计 的模拟 安全设 计法 ， 这 种方 法比传 统 的方法具有 更强 的针 对性 ， 更为 合理 和科 学。 主题 词 液 化石油 气 罐 安 全 防护 措施 模 拟 设 计 液化石油气是工业 和民用 中应用 十分广泛 的一 种燃料。由于它具有 易燃 、 易爆 的危险 性， 在生 产 、 运输和使用 中极易发生火灾 和爆炸事故 。国内外 曾 多次发生液化石油 气火灾 并引起连锁 爆炸 的事 故 ， 造成惨重 的损失 。1 9 9 8年西安市一座液化石油气站 由于液化石油气在一球罐底部泄漏 ， 引发火灾 ． 在火 焰高温 的作用下 相继造成 2个 4 0 0 m。的球罐发生 爆炸 ， 并引起 B L E VE爆炸 ， 造成 1 0多人死 亡 ， 数 十 人受伤， 直接经济损失 4 0 0多万元。 液化气体储罐的许 多事故 ， 如蒸气爆炸 、 气体扩 散 与燃烧爆 炸等一旦发生 ， 则可能 在很 大程度上超 出人力所能控制 的范围。因此 ， 在液化气体储 存 中， 采取适当的安全措施以最大限度地减少事故发生 的 可能性是极为重要的。液化石油气储罐 的安全 防护 方法较 多， 如何选择安全 可靠又经济合理 的防护方 法 ， 同时如何根据储罐在 最不利 的情况 下的热响应 规律 ， 并采用科学的方法对储罐进 行安全设计 ， 是设 计时必须考虑的关键问题 。 储罐的隔热防护方法 防止 发生 液化石油气连锁 事故 ， 必须首先确保 液化石 油气储 罐在使用过程 中的安全 ， 即防止受 到 热 冲击引起超压 和机械撞击 引起泄漏 。防止 由于受 到热冲击引起 超压 ， 可 以采取水 冷却 、 防火隔热 层、 蒸气泄压等方法。 1 ． 安全阀泄压 采用安 全阀泄压 的方法 ， 可以有效 降低储罐 内 压力的增加速度 。液化石油气储罐最 不利的情 况就 是周 围发生 火灾 ， 储罐 在火灾包 围下储罐 内部的压 力变化情况可以用数值模拟的方法进行模拟， 模拟 结果如图 1所 示。但是 在安 全 阀的排 放 面积不 够 时 ， 储罐 内部的压力 仍然继续 升高。因此在选用 安 全 阀时关键 是要有足够 的排放 面积 ， 从 而保证 安全 阀的泄放量大于储罐所需 的安全泄放量 。 图 1 安全 阀对压 力响应的影 响 *本成果得 到 国家 自然科学基 金资助 编号 5 0 2 0 6 0 0 9 。 作者简 介 邢志祥 ， 1 9 6 7年生 ， 武警学 院消 防指 挥系副 教授 ； 1 9 9 1 年毕业 于南京化 工学 院化 工机械专业 ， 获硕士学位 ， 现为 南京工业大 学安全技术 与工程专业 博士研 究生 ； 主要研究 方向为化 工过程灾害 模拟和安全 评价 ， 已发表学术 论文 5 O多篇 。地 址 2 1 0 0 0 9 南京工 业大学 1 8 6信箱 。电话 0 2 5 8 3 5 8 7 3 0 5 ， 1 3 8 1 4 0 4 5 4 3 8 。E - ma i l x i n g z h i x i a n g 2 l c n ． c o m 11 1 维普资讯 天然气工业 2 0 0 4 年 7 月 2 ． 绝热保护层 从最 基本的意义上说 ， 绝热保护层 是位于火焰 和金 属壳体 之间的一个绝热层 ， 它能延缓罐 壁温度 升高和介质压力上升， 从而为采取其他灭火措施创 造条件 。绝 热保护层 的防护效果 可以从图 2 ～3明 显看 出。 图 2 绝热保 护层对压 力响应的影 响 图 3 绝热层对 罐壁温 度的影响 设 置绝热保护层的关键是要合理 地选择并安装 具有足够 隔热效 率且 适合 现 场使用 环 境 的隔热 材 料 。设置防火隔热层具 有的 明显优越 性是 它从 火 灾发生的瞬间就开始提供防护， 无需以任何方式开 启 系统， 它无需 用防护储罐 的冷却 水。采 用防火 绝 热层的缺点是 增加初期投 资， 增加罐体 并进而增加 支承结构的重量 ， 不便于罐体检查 ， 同时需 注意的是 任何绝热保护层的延缓时间都是有限的。 3 ． 水冷却 当储罐受到 火焰或辐射侵袭时 ， 用冷却 水能有 效地降低储罐表面的温度， 使表面不因温度迅速上 】 】2 升而显著降低强度， 罐内介质压力也不致迅速升高。 水冷却 的关键是 喷水量必须足够吸收作用 到罐体上 的热量 ， 保证 足够 的冷却 供水强 度 。水冷却 可 以采 用移动式和固定式两种方式 。 移动式水冷却是采用消 防水龙头 以人工方式喷 水 ， 是一种 经常 采用 的方法 ， 因为这 种方 法具 有简 单 、 可移动 、 可根据不 同火灾条 件灵活 操作等 优点 。 但人工喷水法在预防蒸汽爆炸这样 的事故时受 到很 大制约 ， 主要原因是 需水量太大 ； 由于储 罐方位 、 火 焰强度 、 场地限制等原因 ， 人工喷水并不一定能够实 施； 操作人员距离火焰太 近， 则有生命危险。 固定式水冷却系统包括在顶部集中配水罐壁漫 流式 、 固定水喷淋 、 水喷雾 、 固定水炮等 4种基 本形 式 。顶部集中配水罐壁漫流式可用堰式 、 穿孑 L 管 、 喷 头等形式 ， 对球罐 最为有效 ， 有 助于水 的均匀 分布 ， 管道配置少 ， 管道不 易堵塞 ， 单 阀启 动快 ， 且不 易被 蒸气爆炸所破坏 。可用 于对着火 罐和邻 罐 的冷却。 其缺点是当介质燃烧在罐体表面产生抗湿性炭沉积 层时， 将使漫流水离开表面而不能形成水膜， 影响冷 却效果 。此外 ， 罐低 部供水 不足。水喷 淋和水 喷雾 系统管道配置多 ， 喷头布置 为网格状 ， 水 分布均 匀。 但一套系统要满足对着火罐和邻罐的冷却较困难， 一 般要设置 2套 系统。此系统易 被蒸气爆 炸破坏 ， 喷头易堵塞 ， 维护较 困难 。水 喷淋对于 防止处 于均 匀 火焰 环境下的储罐 能起到较好 的效 果 ， 但对 于喷 射火焰 ， 由于加热 的不均匀性 ， 效果较差 。固定水炮 供水可用较快地 向储罐供水 ， 不易被蒸 汽爆 炸破 坏 ， 一 般不 易堵塞 ， 若 水炮布置得 当可将 水覆盖 到储 罐 全部表面， 能将水喷射到暴露 于火焰 中的有效表 面， 可以减少用水量 ， 但有时受风影 响较大时则 可能需 要加大用水量 。 储罐隔热防护方式的选择 储罐的安全防护方式可 以选择 上述一 种或同时 选择几 种， 一 般蒸气泄放方法要 与水冷却或 防火隔 热层联合使用， 因此安全防护方式选择实际上是首 先决定使用水冷却方式还是使用防火隔热层， 进而 决定采用何种水冷却方式或采用何种 防火隔热层 。 1 ． 水冷却与防火隔热层保护效果比较 文献 1 ， 2 ] 对液 化石油气 储罐分别 采用水 喷淋 冷却和防火隔热层保 护时进行 了全包 围火灾实验 ， 其试验条件为 容器容积 4 ． 8 5 m。 ， 壁厚 6 ． 5 mm， 材 料 S T E3 6钢 屈服强度为 3 6 0 N／ mm ， 储罐上设置 安全泄放阀。试验结果如 图 4 所示 。 维普资讯 w w w . b z f x w . c o m 第2 4 卷第7 期 天然气工业 一 雒 谁 图 4 各种 防护方式 比较 由图 4可看 出， 对未采用 防护措施 的储罐 ， 在火 灾作用下储罐 内部压力迅 速上升 ， 1 2 mi n即发 生爆 炸； 采用水喷淋冷却 冷却强度为 1 0 0 L ／ m h 的 储罐 ， 在火灾作用下在开始 5 rai n内压力迅 速上升 ， 当达到安全阀排放压力 1 ． 4 MP a后 ， 安全 阀开启排 气 ， 储罐内压力在 1 ． 2 ～1 ． 4 MP a之 间波动 ， 随后有 所下降； 采用隔热层保护的储罐 ， 在火灾作用下压力 升高速度缓慢 ， 在 5 0 mi n前储罐内部的压力一直低 于水喷淋冷却的储罐， 而后压力较水喷淋储罐稍高。 水喷淋冷却和隔热层保护的储罐均可以在火灾作用 下 9 0 mi n内不发生爆炸 。从 防护效果 看， 采用隔热 层防护比水喷淋冷却在火灾初期更为有效， 采用水 喷淋冷却必须要有安全阀配合使用。但是隔热层防 护的初期投资比水冷却大 。 因此选择 防护方式时 ， 对于 固定式储罐水 喷淋 冷却和隔热层防护这两种方式均可以采用， 我国目 前大多采用水冷却方式； 对于移动式储罐应采用隔 热层防护方式 。 2 ． 水冷却方式的选择 对于前述的 4种水冷却方式， 根据国外的资料 介绍 ， 可靠性的排序依次为漫流式、 固定水炮、 水喷 淋或水喷雾。而我国目前大多采用水喷淋或水喷雾 方式 ， 但从使用效果看这种方式 不太 妥当， 因为这种 方式在发生蒸气爆炸时易受到破坏 ， 西安“ 3 ． 5 ” 事故 就是如此 。而且喷头 容易堵 塞 ， 维 护 比较 困难 。根 据我国的国情， 水冷却方式宜采用顶部布水罐壁漫 流与固定水炮相结合的方式， 即部分冷却水用漫流 式， 部分冷却水用 固定水炮提供。该形式可靠性高 且灵活， 能分别满足防日晒冷却 、 着火罐冷却以及邻 近罐冷却等不同冷却强度的供水要求， 且对于与储 罐内部蒸气区相接触的干壁部分冷却更有保证 。该 形式容易维护 ， 工程费用 比目前使用 的水 喷淋 或水 喷雾 系统低。对于大型储罐建议设置 自摆的移动式 水炮 ， 以减 少灭火人员暴露 于火灾危险 区中的危险 性， 并能有效保证喷射水流到达暴露于火灾中的储 罐表面 。 模拟设计法 1 ． 现行的安全泄放设计方法 现行的液化石油气储罐安全泄放设计是保证安 全阀的排放量大于容器的安全泄放量 。容器的安全 泄放量是根据在火灾情况下容器 的吸热量而引起 的 蒸发量 。 在无绝热保 护层时 ， 液化气体压力容 器的安全 泄放量 G 单位 k g ／ h ， 下 同 为 G一 一兰 Q 1 q q 式中 q表示液化气体的汽化热 ， J ／ k g ； A 表示容器 的 受热面积 ， m ； Q表示液化石油气储罐从周 围环境 中 吸收的热量 ， J ／ h 。 有绝热保温层时， 液化气体容器的安全泄放量 G可以按下式计算 G一 ；三 2 ∞ 式中 丁表示在泄放压力下的饱 和温度 ， ℃ ； 表示常 温下绝热材料 的导热 系数 ， w／ m ℃； A 表示容 器的受热面积 ， m ； 表示保温层的厚度 ，m ； q表示 液化气体汽化热 ， J ／ k g 。 该设计方法是基于有限的实验数据而得到的容 器在火灾条件下的吸热量计算经验公式， 由于实验 是在特定条件下进行 的 ， 而且 实验数据本 身有着较 大的分 散性 。因此这 种经 验公 式 有着 很大 的局 限 性 ， 由此确 定的容器 的安全 泄放量 同样也存在 着很 大的近似性 。 2 ． 模拟设计法 ’模拟设计法是利用火灾环境下液化石油气储罐 热响应的模拟方法进行安全设计 的一种 新型设计 方 法。这种设计方 法的基本 思想是 先假设 储罐安 全 阀泄放面积和 或 绝 热保护层 ， 然后 利用液化 石油 气对火灾的热响应模拟程序 L P G T R S ∞ j 对储罐的热 响应进行模拟 ， 根据模拟结 果判断假设 的安 全泄放 面积或绝热保护层是否合适， 如果不合适， 那么根据 模 拟结果重新假设 ， 如果最 大压力和罐壁最 高温度 偏大 ， 那么要增加泄放面积和绝热层厚度 ， 反之则减 少。直到最大压力和最高壁温符合要求为止。此时 】】 3 维普资讯 w w w . b z f x w . c o m 天然气工业 2 0 0 4 年 7 月 的安全阀泄放面积和绝热层厚度即是设计 所需 的参 数。模拟设计法的流程如图 5所示 。 输入初始参数 假设排放面积和绝 热层材料的厚度 热响应模拟 茧 耋 奕 手 尧 ～ 二 最 高 壁 温 大 于 允 许 温 度 ／ 否 确定安全 阀型号 和绝热层 图 5 模 拟设计 法流程 图 液化石油气储罐 防护保护方式对 于预防和控制 灾难性事故 的发生是 至关 重要 的， 因此应根据具 体 情况选择合适的防护方法。对于固定式储罐， 建议 采用储罐顶 部水 漫流 冷却 和 固定水 炮相 结 合 的方 式 ， 同时应设置大小合适 的安全 阀， 对 于大型储 罐建 议设置 自摆的移动水 炮。对于移 动式储罐 ， 建议 采 用隔热层保护和安全 阀泄压 相结合 的方式 。例 如， 对于 容 积 1 0 ． 2 5 m。 ， 直 径 1 ． 7 m 的 储 罐 ， 利 用 L P GTRS模拟程序对储罐 的热响应过程进行模拟 ， 模拟结果 如表 1所示 ， 因此 用模 拟设计法可 以得到 在没有绝热保护层时安全 阀的排放面积为 9 X 1 0 m 。如果采用传统设计法安全阀的排放面积为 1 ． 8 1 0 m 。可以看 出传统 的设计方法设计需要 的安 全阀的排放 面积为模拟设计法 的 2倍 。 表 1 储 罐参数表 容积 1 0 ． 2 5 m。 阀门开启压 力 1 ． 4 3 MP a 直径 1 ． 7 m 阀门关 闭压力 1 ． 0 MP a 壁厚 l 1 ． 8 5 mm 最高火焰温度 1 0 5 0 K 储罐长度 4 ． 8 8 m 最低火焰温度 6 0 0 K 简体 长度 4 m 综上可知 ， 笔者提 出的液 化石油气储罐安全 防 护的模拟设计法比传统的设计方法更加科学合理。 参 考 文 献 1 B Dr o s t e ， W S c h o e n ．Fu l l s c a l e f i r e t e s t s wi t h u n p r o t e c t e d a n d t h e r ma l i n s u l a t e d I P G s t o r a g e t a n k s ． J o u r n a l o f Ha z a r d o u s M a t e r i a l s ， 1 9 8 8； 2 0 4 1 ～ 5 3 2 W S c h o e n， B Dr o s t e ．I n v e s t i g a t i o n s o f wa t e r s p r a y i n g s y s t e ms f o r L P G s t o r a g e t a n k s b y f u l l s c a l e f i r e t e s t s ．J o u r n a l o f Ha z a r d o u s Ma t e r i a l s ， 1 9 8 8 ； 2 0 7 3 ～ 8 2 3 邢志祥，蒋军成． 液化气体储罐对火灾的热响应模拟． 中 国工程热物理 学会燃烧 学分会 2 0 0 3年学 术会议 ， 2 0 0 3 修 改 回稿 日期 2 0 0 4 0 3 0 4 编辑居 维清 我国油气勘探实力跃居全球第四 从 “ 1 0 0 4国际地球物理 会议 暨展览” 会上 了解 到 ， 目前我 国油 气勘 探整 体实 力 已跃 居全球 第 四 。各 国专家 们在新 技 术研 讨 中指 出 ， 中 国西部盆地是 全球石油 地球物理勘 探最 困难 的 区域之 一 ， 中国的石 油勘探 技术 在西 部三大 盆地 的油气 发现 过程 中取得 了巨大进步 。国际勘 探地球物理 家学会 主席皮特 顿勘说 “ 目前中 国已经成为世 界陆地勘探 的领导者 ， 并且 由原来 的 勘探 技术进口国变成了技术和人才的输出国， 甚至在一些没有希望的地方获得了 油气 新发现， 为有效扩大全球找油领 做出了贡献。 ”目前， 仅中国石油天然气集团公司在世界油气勘探服务市场的份额就达到 1 2 ， 业 内整体市场实力居全球第 四位 ， 其中陆上勘探 的业 内市 场份额 位居全球第 一 。 蒋静 萍摘 自央 视国际新 闻 维普资讯