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加氫裝置事故重建及分析
發(fā)布時間：
2024-01-26 08:53
氫具有易泄漏、擴(kuò)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(lǐng)域主要包括：氫的擴(kuò)散、燃燒與爆炸機(jī)理；氫與金屬材料的相容性；氫風(fēng)險評價等[1]。
在風(fēng)險評價領(lǐng)域，評價方法可分為快速風(fēng)險評級(rapid risk ranking，RRR)和量化風(fēng)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(jīng)驗，將分析所得的結(jié)果與風(fēng)險基準(zhǔn)進(jìn)行對比以確定風(fēng)險是否能夠被接受。該方法由于量化程度低，主觀性強(qiáng)，因此多用于風(fēng)險場景的初步篩查。QRA是目前氫風(fēng)險評價的主流方法，評估過程更為復(fù)雜，得益于其對場景發(fā)生概率和后果嚴(yán)重性的綜合考慮，可以得到某一場景的具體風(fēng)險值，包括個人風(fēng)險和社會風(fēng)險，指導(dǎo)確定外部安全距離和風(fēng)險防控措施的制定。
計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)技術(shù)具有高準(zhǔn)確度、低成本等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于量化風(fēng)險評價中。當(dāng)前CFD技術(shù)在高壓儲氫研究領(lǐng)域主要有兩個研究方向，一是氫事故后果機(jī)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(zhuǎn)爆轟(DDT)等；二是事故后果仿真，通過在模型中假設(shè)場景，計算事故影響程度和范圍。文獻(xiàn)[2,3]指出當(dāng)前CFD技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)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(jìn)行3D建模，費時費力。因此基于二維模型的快速Q(mào)RA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(yè)軟件對相關(guān)事故進(jìn)行重建，以期研究結(jié)果能為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速量化風(fēng)險分析提供理論參考，在進(jìn)行后果分析或風(fēng)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(tài)床。其區(qū)別主要體現(xiàn)在反應(yīng)部分。渣油加氫技術(shù)的工藝過程是渣油經(jīng)加氫處理，脫硫、脫氮、脫金屬和脫殘?zhí)俊２捎迷摴に嚰夹g(shù)，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(jìn)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(shè)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(shè)備結(jié)構(gòu)簡單等特點，因而應(yīng)用得最廣泛。固定床重油加氫是在餾分油加氫的技術(shù)上發(fā)展起來的，主要目的是為下游催化裂化裝置提供優(yōu)質(zhì)原料，精制深度高，脫硫率一般可達(dá)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(yùn)行末期反應(yīng)器床層平均溫度高達(dá)400℃，系統(tǒng)壓力高達(dá)15.6MPa（本文所指壓力均為表壓，即MPaG），停工必須經(jīng)過蠟油循環(huán)降溫、柴油循環(huán)注入阻燃劑等過程。
圖1 典型的固定床加氫反應(yīng)流程
1.2 氫氣性質(zhì)
氫氣是一種極易燃的氣體，燃點只有574℃，氫的發(fā)熱值約1.4x105kJ/kg，是汽油發(fā)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?xì)淙剂希ㄈ鏛PG或LNG）相比的風(fēng)險[3]。氫氣燃燒的焓變?yōu)?86kJ/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?yōu)?minus;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(jìn)行氫氣氣密試驗，以防在生產(chǎn)過程中發(fā)生泄漏。某渣油加氫裝置在調(diào)試階段和催化劑裝填之前，逐步從2MPa到13MPa進(jìn)行高壓氮氣泄漏測試并修復(fù)所發(fā)現(xiàn)的泄漏。。
裝載催化劑后，作為開車工序的一部分，開始進(jìn)行氫氣氣密試驗。計劃氫氣氣密試驗?zāi)繕?biāo)為循環(huán)氫壓縮機(jī)（RGC）入口處的壓力達(dá)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(tǒng)開始失壓，壓力從14MPa降至13MPa，三分鐘后，系統(tǒng)失壓加速，在十幾秒內(nèi)降至11MPa并發(fā)生爆炸從視頻監(jiān)控錄像可同時發(fā)現(xiàn)爆炸產(chǎn)生，伴隨爆炸產(chǎn)生的同時明亮火球和噴射火形成，5分鐘后消防隊抵達(dá)，發(fā)現(xiàn)噴射火有兩股，東側(cè)一股較大，西側(cè)一股較小。爆炸發(fā)生后周邊建筑物和設(shè)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(xiàn)場情況的事故分析，發(fā)生了氫氣泄漏導(dǎo)致的蒸汽云爆炸（VCE），參與爆炸的物質(zhì)主要為泄漏的氫氣，之前小型泄漏的物質(zhì)較少且由于高溫氫氣擴(kuò)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(jù)經(jīng)驗公式估算約為625kg）因與空氣混合進(jìn)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(jù)視頻記錄，持續(xù)了5-8秒左右。破口噴射出的氫氣形成噴射火，此時系統(tǒng)壓力11.2MPa。此處噴射火持續(xù)時間較長，直至消防工作結(jié)束。
2.3氫氣自燃理論
高壓氫氣泄漏自燃機(jī)理在國際上還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，目前主要存在以下幾個假定理論[3]：逆焦耳· 湯姆遜效應(yīng)（ Reverse Joule-Thomson effect ）、靜電點火（electrostatic ignition）、擴(kuò)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(jī)械摩擦和撞擊（mechanical friction and impact）等。
由于氫氣的Joule-Thomson轉(zhuǎn)化溫度僅為-80℃，因此當(dāng)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(yīng)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(yīng)引起的氫氣溫度升高不足以導(dǎo)致自燃的發(fā)生。但需要注意的是，該機(jī)理可和其他機(jī)理聯(lián)合作用致使氫氣溫度大幅度升髙，進(jìn) 而引起自燃的發(fā)生。英國Kingston大學(xué)火災(zāi)爆炸研究中心也對676起氧氣事故統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)[4]，超過90%的氫氣事故伴隨著火災(zāi)爆炸的發(fā)生，并且有419起火災(zāi)爆炸事故的點火源未被確定，占?xì)錃馐鹿实?1.98%。氫氣事故需要注意的是上述機(jī)理中，單獨一個理論并不能解釋所有泄漏自燃現(xiàn)象，而自燃的發(fā)生有可能是幾個點火機(jī)理共同作用的結(jié)果。靜電點火、機(jī)械摩擦和撞擊有可能是本次爆炸和火災(zāi)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(fā)生自燃，并進(jìn)而發(fā)展成爆炸事故和噴射火焰。
2.4 現(xiàn)場火災(zāi)數(shù)據(jù)收集
火災(zāi)現(xiàn)場的勘察主要由以下幾個步驟組成[5]：
1）現(xiàn)場內(nèi)物體、設(shè)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(shè)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(xiàn)場殘存的爆炸物品、引爆物等
5）除查清電氣設(shè)備、線路爆炸燒毀程度，通過供配電裝置、儀表災(zāi)前停留位置等以外，還要判定事故發(fā)生時設(shè)備是否斷電，供電是否正常。
6）據(jù)此繪出現(xiàn)場內(nèi)部展開圖，重要部位局部詳圖。
7）拍照、錄象。
根據(jù)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(qū)域，圖中完整展示了III、IV、V、VI四個區(qū)域，如圖2所示：
圖2 火場溫度分布圖
由此可以看出由于設(shè)備遮擋造成的實際噴射火熱影響區(qū)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(fā)散，不要任何傳遞介質(zhì)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(xù)發(fā)射轄射能量，并表現(xiàn)出電磁波譜的特性。由于物體的帶電粒子在原子和分子內(nèi)不間斷的震動，會產(chǎn)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(jù)物質(zhì)本身溫度或者熱運(yùn)動而激發(fā)產(chǎn)生。根據(jù)這個特性來獲得二維和三維重建的輸入信息，進(jìn)行噴射火模型的重建[2]。這就是火災(zāi)場景重建的理論基礎(chǔ)。
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(fā)生的事故對周邊環(huán)境及人員產(chǎn)生危害的 嚴(yán)重性。挪威船級社(DNV)公司開發(fā)的風(fēng)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(jié)果考慮了遮擋關(guān)系及氣相條 件，因此準(zhǔn)確。因此本文利用上述兩個軟件，逐一輸入工藝設(shè)備的相關(guān)參數(shù)、氣象條件參數(shù)、裝置平面布置設(shè)計、點火源的確切發(fā)生位置以及周邊人口分布密度等情況進(jìn)行噴射火的分析。
3.1 Phast模擬及其后果
根據(jù)現(xiàn)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(shù)據(jù)來自于適當(dāng)當(dāng)天綜合氣象站的實時記錄，其他數(shù)據(jù)則根據(jù)現(xiàn)場DCS數(shù)據(jù)庫記錄或視頻信號推算。根據(jù)實地勘察可知，破口為夾角為180°的兩個開口，其中東側(cè)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(luò)線以保證消除風(fēng)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(yīng)發(fā)射溫度估算值詳見表2。其中某點的發(fā)射溫度為某點能產(chǎn)生等效輻射熱黑體溫度。具體計算響應(yīng)物體溫度時應(yīng)根據(jù)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(jìn)行計算。
表2 噴射火熱輻射影響范圍和對應(yīng)發(fā)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(jié)果
考慮到消防水的冷卻作用無法準(zhǔn)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(wǎng)格等的基本輸出。結(jié)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(dá)到很高的水平。因此，4秒的3D結(jié)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(jié)論是輻射輪廓不是規(guī)則的圓形。在順風(fēng)方向上，12.5kw/m2的最遠(yuǎn)距離約為64m，而2D結(jié)果為60m。此外，并非所有方向都具有相同的分布規(guī)律，上風(fēng)方向的輻射非常小。因此釋放方向?qū)椛渌降姆秶绊懞艽?圖4顯示了這個范圍。
圖4 三維模擬結(jié)果
② 等溫面圖形
根據(jù)相關(guān)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)， 50℃、100℃、600℃和1000℃這4個溫度水平用于定義熱暴露區(qū)域。從不同的角度，從3D結(jié)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(jù)國內(nèi)外等標(biāo)準(zhǔn)的要求，熱輻射影響在12.5kW/m2或更高的設(shè)備應(yīng)當(dāng)進(jìn)行合乎使用性評價技術(shù)(Fitness For Service,簡稱FFS技術(shù))。根據(jù)實測，距離噴射火中心44m范圍內(nèi)應(yīng)考慮熱輻射的影響，而根據(jù)模擬計算距離噴射火中心50m范圍內(nèi)應(yīng)考慮熱輻射的影響，但應(yīng)考慮受熱物體是否有耐火保護(hù)（耐火涂料、防火毯等），實際距離等因素。通過跟蹤計算結(jié)果，有如下發(fā)現(xiàn)：
1）熱輻射影響范圍與實際距離及是否有遮擋關(guān)系較大，這一點可以在三維模擬上觀察到，因此在制定修復(fù)計劃時要充分參考三維計算結(jié)果。
2）噴射火的場景下，鄰近設(shè)備在高溫影響下發(fā)生損壞的風(fēng)險較大，建議高壓儲氫設(shè)施設(shè)置自動冷卻噴淋或遙控水炮，確保發(fā)生事故時消防冷卻系統(tǒng)的迅速響應(yīng)與減災(zāi)。
3）由于氫氣的火勢進(jìn)展非常迅速，有關(guān)消防系統(tǒng)的啟動應(yīng)與火焰檢測信號聯(lián)鎖，以保證快速啟動。
今后的研究中應(yīng)結(jié)合擴(kuò)散模擬結(jié)果及高壓儲氫設(shè)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(jìn)行進(jìn)一步研究，以及時有效的發(fā)現(xiàn)早期泄漏并預(yù)警。
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