加氫裝置事故重建及分析
發布時間：
2024-01-26 08:53
氫具有易泄漏、擴散快、點火能低、爆炸極限寬的危險特性。目前氫安全課題的研究領域主要包括：氫的擴散、燃燒與爆炸機理；氫與金屬材料的相容性；氫風險評價等[1]。
在風險評價領域，評價方法可分為快速風險評級(rapid risk ranking，RRR)和量化風險評價(quantitative risk assessment，QRA)。RRR為定性分析方法，主要基于檢查表等工具和專家經驗，將分析所得的結果與風險基準進行對比以確定風險是否能夠被接受。該方法由于量化程度低，主觀性強，因此多用于風險場景的初步篩查。QRA是目前氫風險評價的主流方法，評估過程更為復雜，得益于其對場景發生概率和后果嚴重性的綜合考慮，可以得到某一場景的具體風險值，包括個人風險和社會風險，指導確定外部安全距離和風險防控措施的制定。
計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)技術具有高準確度、低成本等優勢，被廣泛應用于量化風險評價中。當前CFD技術在高壓儲氫研究領域主要有兩個研究方向，一是氫事故后果機理研究，包括高壓氫氣泄漏自燃、激波的形成與傳播、爆燃爆轟、爆燃轉爆轟(DDT)等；二是事故后果仿真，通過在模型中假設場景，計算事故影響程度和范圍。文獻[2,3]指出當前CFD技術面臨的主要挑戰之一為真實幾何形狀建模及事故緩解措施的評估。而且CFD還需要進行3D建模，費時費力。因此基于二維模型的快速QRA不失為一種選擇。
本文采用挪威船級社（DETNORSKEVERITAS，簡稱DNV）Phast和KFX這兩款商業軟件對相關事故進行重建，以期研究結果能為相關產業的快速量化風險分析提供理論參考，在進行后果分析或風險分析時做出合理的選擇。
1研究概述
1.1 裝置介紹
從工藝層面，渣油加氫分為固定床、沸騰床和漿態床。其區別主要體現在反應部分。渣油加氫技術的工藝過程是渣油經加氫處理，脫硫、脫氮、脫金屬和脫殘炭。采用該工藝技術，渣油處理效果顯著，且由于渣油中氫含量增加，加氫后的常壓渣油可符合渣油催化裂化裝置的進料要求。渣油加氫在重油加工中具有重要地位，但也存在投資較大、操作費用較高的特點，同時對于設備有較為苛刻的要求。由于固定床渣油加氫處理過程具有裝置工藝和設備結構簡單等特點，因而應用得最廣泛。固定床重油加氫是在餾分油加氫的技術上發展起來的，主要目的是為下游催化裂化裝置提供優質原料，精制深度高，脫硫率一般可達90％以上。所有的固定床渣油加氫處理過程的原則流程都是一樣的，如圖1示。渣油加氫是重油加工裝置，運行末期反應器床層平均溫度高達400℃，系統壓力高達15.6MPa（本文所指壓力均為表壓，即MPaG），停工必須經過蠟油循環降溫、柴油循環注入阻燃劑等過程。
圖1 典型的固定床加氫反應流程
1.2 氫氣性質
氫氣是一種極易燃的氣體，燃點只有574℃，氫的發熱值約1.4x105kJ/kg，是汽油發熱值的3倍：氫的燃燒性好，點燃快，與空氣混合時具有廣泛的可燃范圍4-75%，并且燃點高，燃燒速度快；所有這些特性都增加了其與常見碳氫燃料（如LPG或LNG）相比的風險[3]。氫氣燃燒的焓變為286kJ/mol。在18.3%至 59%的情況下極易引爆。純凈的氫氣與氧氣的混合物燃燒時放出紫外線。此外，氫氣的點火能很低，為 0.02mJ，約為汽油點火能力的十分之一。氫氣燃燒的焓變為−286 kJ/mol：
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l); ΔH = -572 kJ/mol
2事故原因分析
2.1事故概況
由于氫氣具有上述易燃易爆的特性，因此渣油加氫裝置在開車前一般都會進行氫氣氣密試驗，以防在生產過程中發生泄漏。某渣油加氫裝置在調試階段和催化劑裝填之前，逐步從2MPa到13MPa進行高壓氮氣泄漏測試并修復所發現的泄漏。。
裝載催化劑后，作為開車工序的一部分，開始進行氫氣氣密試驗。計劃氫氣氣密試驗目標為循環氫壓縮機（RGC）入口處的壓力達到正常的操作壓力16MPa。計劃控制升壓速率不大于2MPa/h。通過DCS壓力曲線分析，系統開始失壓，壓力從14MPa降至13MPa，三分鐘后，系統失壓加速，在十幾秒內降至11MPa并發生爆炸從視頻監控錄像可同時發現爆炸產生，伴隨爆炸產生的同時明亮火球和噴射火形成，5分鐘后消防隊抵達，發現噴射火有兩股，東側一股較大，西側一股較小。爆炸發生后周邊建筑物和設備有不同程度損傷且損傷 集中在屋頂，項目周圍村莊（散布在2.6公里至5公里附近）也不同程度受損并聽到爆炸聲。
2.2事故過程判斷
從DCS記錄和現場情況的事故分析，發生了氫氣泄漏導致的蒸汽云爆炸（VCE），參與爆炸的物質主要為泄漏的氫氣，之前小型泄漏的物質較少且由于高溫氫氣擴散性較好，參與其中的較少。開始十幾秒泄漏出的氫氣大約5000kg，其中部分（根據經驗公式估算約為625kg）因與空氣混合進入爆炸極限形成爆炸，剩余的氫氣（4275kg）因爆炸點燃，形成火球，形成的火球因溫度升高而高度升高并逐漸減小，火球時間根據視頻記錄，持續了5-8秒左右。破口噴射出的氫氣形成噴射火，此時系統壓力11.2MPa。此處噴射火持續時間較長，直至消防工作結束。
2.3氫氣自燃理論
高壓氫氣泄漏自燃機理在國際上還沒有統一的認識，目前主要存在以下幾個假定理論[3]：逆焦耳· 湯姆遜效應（ Reverse Joule-Thomson effect ）、靜電點火（electrostatic ignition）、擴散點火（diffusion ignition）、瞬時絕熱壓縮（sudden adiabatic compression）、熱表面點火（hot surface ignition）以及機械摩擦和撞擊（mechanical friction and impact）等。
由于氫氣的Joule-Thomson轉化溫度僅為-80℃，因此當壓縮氫氣氣在室溫空氣里膨脹到大氣壓時，氫氣氣溫度會升高。但是研究表明，該效應引起的溫度升高值很低，如高壓氫氣在100MPa壓力條件下釋放，溫度僅能提離150℃，明顯低于氫氣的自燃溫度，因此單獨由逆焦耳-湯姆遜效應引起的氫氣溫度升高不足以導致自燃的發生。但需要注意的是，該機理可和其他機理聯合作用致使氫氣溫度大幅度升髙，進 而引起自燃的發生。英國Kingston大學火災爆炸研究中心也對676起氧氣事故統計發現[4]，超過90%的氫氣事故伴隨著火災爆炸的發生，并且有419起火災爆炸事故的點火源未被確定，占氫氣事故的61.98%。氫氣事故需要注意的是上述機理中，單獨一個理論并不能解釋所有泄漏自燃現象，而自燃的發生有可能是幾個點火機理共同作用的結果。靜電點火、機械摩擦和撞擊有可能是本次爆炸和火災事故的主要點火源。
因此高壓儲存的氫氣意外泄漏后，極可能發生自燃，并進而發展成爆炸事故和噴射火焰。
2.4 現場火災數據收集
火災現場的勘察主要由以下幾個步驟組成[5]：
1）現場內物體、設備的位置，地面堆積物的徹底清理以及堆積物層次、厚度。
2）地面、設備上留下的爆炸坑洞、煙薰、高溫痕跡。
3）傷亡人員位置等，以及留在人體上的爆炸火事痕跡。
4）現場殘存的爆炸物品、引爆物等
5）除查清電氣設備、線路爆炸燒毀程度，通過供配電裝置、儀表災前停留位置等以外，還要判定事故發生時設備是否斷電，供電是否正常。
6）據此繪出現場內部展開圖，重要部位局部詳圖。
7）拍照、錄象。
根據火場勘察的記錄，繪制火場溫度分布，圖中不同顏色的曲線代表不同溫度的等值線，圖中顯示了150℃和100℃的等值線，按照過火的不同溫度劃分了六個區域，圖中完整展示了III、IV、V、VI四個區域，如圖2所示：
圖2 火場溫度分布圖
由此可以看出由于設備遮擋造成的實際噴射火熱影響區的實際輪廓，上述圖形中的溫度系由實際損失推測出的物體實際溫度分布后回歸出來的。
所謂熱輻射就是由一個輻射源發散，不要任何傳遞介質物，可不完全接觸另一物體來傳送熱能。物體表面不斷地向外連續發射轄射能量，并表現出電磁波譜的特性。由于物體的帶電粒子在原子和分子內不間斷的震動，會產生向外輻射的電磁波，這也是組成電磁輻射的一部分。熱輻射也是一種電磁波，根據物質本身溫度或者熱運動而激發產生。根據這個特性來獲得二維和三維重建的輸入信息，進行噴射火模型的重建[2]。這就是火災場景重建的理論基礎。
3 后果計算
事故后果模擬分析的目的是定量地模擬評價一個可能發生的事故對周邊環境及人員產生危害的 嚴重性。挪威船級社(DNV)公司開發的風險分析軟件Phast和KFX軟件均可以定量描述本文事故的場景。Phast是二維模擬軟件，具有快速方便的特點，KFX是三維模擬軟件，結果考慮了遮擋關系及氣相條 件，因此準確。因此本文利用上述兩個軟件，逐一輸入工藝設備的相關參數、氣象條件參數、裝置平面布置設計、點火源的確切發生位置以及周邊人口分布密度等情況進行噴射火的分析。
3.1 Phast模擬及其后果
根據現場工藝及其他條件，計算的主要輸入條件如表1所示：
表1 輸入條件表
表1中的氣相數據來自于適當當天綜合氣象站的實時記錄，其他數據則根據現場DCS數據庫記錄或視頻信號推算。根據實地勘察可知，破口為夾角為180°的兩個開口，其中東側較大。因此計算僅考慮一處噴射火并以此為中心繪制圓形包絡線以保證消除風向等因素的影響。
其中37.5kW/m2的影響范圍為半徑33m的圓形范圍，12.5kW/m2的影響范圍為半徑50m的圓形范圍。圖3為噴射火引起的熱輻射和距離曲線。
圖3 噴射火熱輻射溫度距離曲線
噴射火熱輻射影響范圍和對應發射溫度估算值詳見表2。其中某點的發射溫度為某點能產生等效輻射熱黑體溫度。具體計算響應物體溫度時應根據物體吸收熱表面面積、物體比熱容、吸熱時間以及物體吸熱的同時耗散的熱量進行計算。
表2 噴射火熱輻射影響范圍和對應發射溫度估算值
3.2 KFX模擬及后果
1） 三維模擬的輸入詳見表3：
表3 三維模擬輸入條件
2） 三維模擬結果
考慮到消防水的冷卻作用無法準確計算，因此僅模擬時間為5分鐘。從模型中提取作為溫度，輻射，網格等的基本輸出。結果每2秒保存一次。初步審查后，4秒鐘的溫度和輻射輸出達到很高的水平。因此，4秒的3D結果如下所示。
① 在釋放點高度處的輻射輪廓
比較2D和3D之間釋放點高度處的輻射水平，得出的結論是輻射輪廓不是規則的圓形。在順風方向上，12.5kw/m2的最遠距離約為64m，而2D結果為60m。此外，并非所有方向都具有相同的分布規律，上風方向的輻射非常小。因此釋放方向對輻射水平的范圍影響很大,圖4顯示了這個范圍。
圖4 三維模擬結果
② 等溫面圖形
根據相關國內外標準， 50℃、100℃、600℃和1000℃這4個溫度水平用于定義熱暴露區域。從不同的角度，從3D結果中提取出50℃，100℃，600℃，1000℃的溫度等值面。如圖5所示：
圖5 不同溫度等值面圖
根據國內外等標準的要求，熱輻射影響在12.5kW/m2或更高的設備應當進行合乎使用性評價技術(Fitness For Service,簡稱FFS技術)。根據實測，距離噴射火中心44m范圍內應考慮熱輻射的影響，而根據模擬計算距離噴射火中心50m范圍內應考慮熱輻射的影響，但應考慮受熱物體是否有耐火保護（耐火涂料、防火毯等），實際距離等因素。通過跟蹤計算結果，有如下發現：
1）熱輻射影響范圍與實際距離及是否有遮擋關系較大，這一點可以在三維模擬上觀察到，因此在制定修復計劃時要充分參考三維計算結果。
2）噴射火的場景下，鄰近設備在高溫影響下發生損壞的風險較大，建議高壓儲氫設施設置自動冷卻噴淋或遙控水炮，確保發生事故時消防冷卻系統的迅速響應與減災。
3）由于氫氣的火勢進展非常迅速，有關消防系統的啟動應與火焰檢測信號聯鎖，以保證快速啟動。
今后的研究中應結合擴散模擬結果及高壓儲氫設施的特點，對氫氣探測器、噪聲型探測器和火焰檢測器的組合探測方案進行進一步研究，以及時有效的發現早期泄漏并預警。
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