CN115906706A - 一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法 - Google Patents

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曹晨熙
钱锋
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沈海峰
戴翔程
蒋为波
徐荣新
杨梓火
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East China University of Science and Technology
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Shanghai Fubao Port Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法,包括:构建面向事故后果CFD计算的三维模型;收集、汇总危化品罐区用于事故场景辨识与事故后果快速分析的参数;对危化品罐区中的潜在危险源及潜在危害事故场景开展辨识;构建罐区初始事故事件树,获得初始事故概率;基于经验模型,计算罐区初始事故后果;计算罐区多米诺事故场景升级概率;进行罐区事故综合升级风险快速排序;筛选罐区关键事故场景,形成罐区关键事故场景列表;对关键事故场景进行CFD计算,更新关键事故多米诺升级概率,更新关键事故场景;直至关键事故场景列表收敛。本发明的方法可以指导危化品罐区的综合风险分级管控、隐患排查治理和应急预案编制。

Description

一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法
技术领域
本发明涉及信息技术及化工过程安全技术领域,具体为一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法。
背景技术
近年来,随着我国能源与化工产业的飞速发展,能源化工企业的危化品安全管理与企业综合事故风险评估问题受到高度重视。化学品储运是能源化工产业链中重要的一环。危化品罐区因涉及空间密集且总量巨大的危险化学品的储存与运输,一旦发生泄漏、火灾、爆炸等安全事故,容易导致连锁事故,即多米诺事故,造成远远大于初始事故后果的极为严重的综合后果。
目前,能源化工企业针对危化品罐区的安全评估管理手段面临风险识别不完备、准确性不足等挑战。一方面,现有的风险评价手段欠缺对于危化品罐区的高风险的次生事故场景的识别与分析,因此企业难以针对危化品罐区多米诺事故制定风险管控措施、隐患排查计划和应急预案。另一方面,目前通行的危化品事故风险评价手段通常采用经验模型估计灾难事故后果;对于工厂厂区复杂的建筑物与设备环境中发生的气体扩散、液池蒸发、池火、蒸汽云爆炸等事故过程,经验模型的预测偏差较大。专利号:CN 112182988 A、CN113505548 A公开了采用计算流体力学(CFD)对复杂环境中的储罐泄漏过程进行精确模拟的分析方法;这些方法仅限于利用CFD对单一储罐的泄漏事故进行仿真,没有进一步分析泄漏引发的火灾、爆炸的后果,以及这些后续事故对罐区中其他储罐的影响。在考虑多米诺事故的罐区综合风险评价方面,有专家提出一种通过蒙特卡洛模拟进行多次多米诺效应计算的石化港区事故风险区域定量评估方法(专利号:CN 105787677 A);有专家提出了一种模糊层次分析法和LEC法相结合的石化储罐区多米诺事故预防评价方法(专利号:CN105868884 A);有专家提出一种基于多次多米诺效应综合概率的港口油品罐区个人风险分析方法(专利号:CN 111324970 A);有专家提出一种多灾耦合下危化品火灾多米诺事故动态风险分析方法,可以分析危化品火灾多米诺事故随时间的演变(专利号:CN 112529412A);由于这些方法将多米诺事故分析建立在经验模型计算的初始事故后果上,因此难以准确刻画真实罐区中的多米诺事故。
虽然利用CFD(计算流体动力学)模型可以更精确地评估障碍物或明显的地形变化环境中的复杂扩散、火灾、蒸气云爆炸等一次事故及其多米诺效应,但CFD方法计算代价极高,如果用CFD模型替代已有罐区综合风险评价方法中使用的经验事故后果模型,总的计算量将无法接受。目前,尚无基于CFD计算的精确事故后果进行危化品罐区综合风险分析与管控的合理方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的缺陷而提供的一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法,指导危化品罐区的综合风险分级管控、隐患排查治理和应急预案编制。
实现上述目的的技术方案是:
一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法,包括:
步骤S1,构建面向事故后果CFD计算的三维模型;
步骤S2,收集、汇总危化品罐区用于事故场景辨识与事故后果快速分析的参数;
步骤S3,对危化品罐区中的潜在危险源及潜在危害事故场景开展辨识;
步骤S4,构建罐区初始事故事件树,获得初始事故概率;
步骤S5,基于经验模型,计算罐区初始事故后果;
步骤S6,计算罐区多米诺事故场景升级概率;
步骤S7,进行罐区事故综合升级风险快速排序;
步骤S8,筛选罐区关键事故场景,形成罐区关键事故场景列表;
步骤S9,判断罐区关键事故场景列表收敛性;在进行CFD计算前,关键事故场景列表未收敛,故进一步实施步骤S10-S12;若收敛,进行步骤S13;
步骤S10,在构建的罐区三维模型基础上,进行关键事故场景CFD设置及计算;
步骤S11,更新罐区关键事故场景多米诺升级概率;
步骤S12,更新罐区事故综合升级风险排序,进行步骤S9;
步骤S13,根据罐区关键事故场景进行罐区多米诺综合风险评价。
优选的,
所述步骤S1包括,
步骤S14,收集获取危化品厂区的基础建筑信息;
步骤S15,基于各项清单台账图纸报告原始资料等指标,确定各个罐区中主体设备的建筑信息;
步骤S16,采用FLACS软件构建适用于CFD模拟的企业罐区三维模型,保持主体结构的同时尽量将室内重点设备也完成建模,用于后续CFD模拟室内蒸汽云爆炸事故;
所述步骤S2包括,收集重点罐区危险源参数、罐区存储物质活性类别参数、储罐泵及管道参数、压缩机及管道参数、储罐安全阀参数;
所述步骤S3包括,辨识危化品罐区的主要危险源特征、可能存在的危险因素特征以及潜在的危害事故场景。
优选的,所述步骤S4包括,
步骤S41,根据危害事故场景辨识结果,结合厂区重点罐区工艺、设备信息与设计规范,设定初始事件;
步骤S42,确定每种事故模式的典型泄漏模式、泄漏孔径以及场景频率;
步骤S43,从初始事件出发,遍历所有泄漏事故,构建完备的罐区一次事故场景事件树;
所述步骤S5包括,
步骤S51,对辨识得到的罐区所有一次事故,根据泄漏孔径、工艺参数、泄漏探测和隔离措施等参数,利用经验模型,计算泄漏量(源项)并估算事故后果;
步骤S52,采用经验物理模型计算确定事故源项以及火灾、爆炸、毒气泄漏等具体事故的影响后果。
优选的,所述步骤S6包括,多米诺事故具体包括热辐射产生的多米诺效应以及超压产生的多米诺效应,多米诺事故升级概率根据受影响设备处的超压、热辐射值计算;
当所述事故为热辐射效应时,还需要分为对常压储罐和压力储罐的影响,计算公式分别为:
ln(ttf)=-1.128*ln(I)-2.667*10-5*V+9.877;
γ=12.54-1.847*ln(ttf);
ln(ttf)=-0.947*ln(I)+8.835*V0.032
γ=12.54-1.847*ln(ttf);
其中,ttf为失效时间,I为目标储罐受到的热辐射强度,V为目标储罐的容积,γ为概率单位值;
当所述事故为超压效应时,还需要分为对常压储罐和压力储罐的影响,计算公式分别为:
γ=-18.96+2.44*ln(ΔP);
γ=-42.44+4.33*ln(ΔP);
其中,ΔP为目标储罐受到的峰值超压,γ为概率单位值;
在超压或热辐射满足事故升级阈值的前提下,进一步计算目标储罐由于受到热辐射或超压影响引发二次事故的升级阈值,计算方法选择Probit(线性)函数计算:
Figure BDA0004000764180000041
其中,Pd为目标储罐由于受到热辐射或超压影响引发事故升级的概率;γ为概率单位值。
优选的,所述步骤S7包括,
步骤S71,计算一次事故在其他各个储罐处所产生的热辐射或超压值的影响;
步骤S72,结合一次事故频率、多米诺事故升级概率,计算综合事故升级风险F(yr-1),计算公式为:
F=f1+f2+f3
其中,f1为一次事故发生频率,f2为气象条件频率,f3为受影响储罐发生二次事故的频率,即步骤S6中所计算的多米诺事故升级概率。
优选的,步骤S8包括,
步骤S81,依据综合事故升级风险大小、一次事故频率大小、一次事故后果大小,将所有可能的一次事故以及二次事故场景组合进行排序;
步骤S82,基于综合事故升级风险F及其排序筛选出三种罐区关键事故场景:高风险事故场景、高频率事故场景和最大后果事故场景。
优选的,步骤S10包括,
步骤S101,提取用于CFD模拟的场景参数;
步骤S102,基于上述场景参数,在构建的三维模型上,对关键事故场景逐一进行CFD计算,确定空间各点的超压值或热辐射值。
优选的,所述步骤S11包括,在CFD计算获得的关键事故场景的受影响设备处的超压、热辐射值基础上,按照所述步骤S6中的方法,更新多米诺事故升级概率。
优选的,所述步骤S12包括,
步骤S121,更新关键事故场景的综合事故升级风险;
步骤S122,更新罐区关键事故场景列表,判断罐区关键事故场景列表收敛性。
优选的,所述步骤S13包括,对各储罐、罐区和全罐区的风险来源和分布进行分析,为罐区多米诺事故分级管控与隐患排查提供依据和建议,并根据关键事故高精度后果制定应急预案。
本发明的有益效果是:
1)建立与能源与化工企业危化品罐区及厂区的实际布局和设备结构一致的三维模型,对罐区关键事故场景进行CFD模拟计算,获得的罐区多米诺综合风险有更好的准确性和针对性;
2)在现有对于危化品泄漏研究的基础上,重点考虑了危化品泄漏后一段时间后造成火灾爆炸事故造成的影响,从一次事故本身以及潜在的二次事故概率,综合分析危化品事故风险,风险分析更完备全面;
3)首先基于经验模型算法对罐区事故场景进行快速排序,获得罐区关键事故场景列表,再通过高精度的CFD计算更新关键事故场景列表,直至其收敛,解决了CFD方法计算量大、难以用于危化品罐区综合风险评价的问题,能够高效、精确地获得危化品罐区综合风险。
附图说明
图1是本发明的一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法的流程图;
图2是本发明的实施例中截取的化工厂区某区域的平面布局图;
图3是本发明的实施例中的丙烯事故事件树图;
图4是本发明的实施例所用的风玫瑰示意图;
图5是本发明的实施例中A罐区综合风险分布图;
图6是本发明的实施例中B罐区综合风险分布图;
图7是本发明的实施例中C罐区综合风险分布图;
图8是本发明的实施例中D罐区综合风险分布图;
图9是本发明的实施例中E罐区综合风险分布图;
图10是本发明的实施例中F罐区综合风险分布图;
图11是本发明的B罐区多米诺风险来源罐区;
图12是本发明的D罐区多米诺风险来源罐区;
图13是本发明的F罐区多米诺风险来源罐区;
图14是本发明的实施例中D罐区液氨储罐监测点MP1-MP5的传感器数值图;
图15是本发明的实施例中D罐区液氨储罐监测点MP6-MP10的传感器数值图;
图16是本发明的实施例中D罐区液氨储罐监测点MP11-MP15的传感器数值图;
图17是本发明的实施例中D罐区液氨储罐监测点MP16-MP20的传感器数值图;
图18是本发明的实施例中D罐区液氨储罐监测点MP21-MP25的传感器数值图;
图19是本发明的实施例中D罐区液氨储罐监测点MP26-MP30的传感器数值图;
图20是本发明的几何模型构建的流程图;
图21是本发明的设备失效概率分析的流程图;
图22是本发明的设备失效后果分析的流程图;
图23是本发明的罐区事故综合风险快速排序的流程图;
图24是本发明的罐区关键事故场景列表的流程图;
图25是本发明的罐区关键事故场景的流程图;
图26是本发明的更新罐区事故综合升级风险排序的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图2所示,本实施例选取一个总共包含18个罐区的危化品储存工厂作为研究对象,其中共有16个常压储罐区和2个加压储罐区。将潜在风险较高的罐区A区、B区、C区、D区、E区、F区六个罐区划分为重点研究区域,其中A区储存物质为苯、甲苯;B区储存物质为异丙苯、苯酚、丙酮;C区储存物质为丙烯;D区储存物质为液氨;E区储存物质为丁二烯;F区储存物质为液氨、丁烷。
如图1、20-26所示,一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法,包括:
步骤S1,构建面向事故后果CFD计算的三维模型。
步骤S14,收集获取危化品厂区的基础建筑信息;包括企业工厂基础平面二维CAD(管理软件计算机辅助设计)图、三维立体3dsMax(3D Studio Max,三维动画渲染和制作软件)图纸,确定主要罐区相对位置。
步骤S15,基于各项清单台账图纸报告原始资料等指标,确定各个罐区中主体设备的建筑信息;包括:危化品储罐(直径、高度、储罐形式)、各罐区围堰厚度及高度、尾气处理火炬高度及具体位置、厂区外围墙高度及结构、危化品加工仓库灌桶间、汽车栈台、企业办公厂房等的实际尺寸及室内具体结构。
步骤S16,采用FLACS(爆炸模块单机学术)软件构建适用于CFD模拟的企业罐区三维模型,保持主体结构的同时尽量将室内重点设备也完成建模,用于后续CFD模拟室内蒸汽云爆炸事故。
步骤S2,收集、汇总危化品罐区用于事故场景辨识与事故后果快速分析的参数;包括:收集重点罐区危险源参数、罐区存储物质活性类别参数、储罐泵及管道参数、压缩机及管道参数、储罐安全阀参数。
首先依据罐区存储化学品的危险程度以及周围建筑设备的密集程度对厂区中18个罐区进行划分,将潜在风险较高的罐区A区、B区、C区、D区、E区、F区六个罐区划分为重点关注罐区。收集重点罐区危险源参数,包括储罐位号、存储物质、储罐尺寸规格、储罐最大存储量、操作压力、操作温度、储罐形式,得到重点罐区物质储存信息表如下表1所示:
表1重点罐区物质储存信息
Figure BDA0004000764180000081
Figure BDA0004000764180000091
收集罐区存储物质活性类别参数包括物质类别、物质活性(仅类别0判断)、瞬时破裂泄漏量等,得到重点罐区储存物质活性类别整理表如下表2所示,
表2重点罐区储存物质活性类别
Figure BDA0004000764180000092
Figure BDA0004000764180000101
步骤S3,对危化品罐区中的潜在危险源及潜在危害事故场景开展辨识;辨识危化品罐区的主要危险源特征、可能存在的危险因素特征以及潜在的危害事故场景。
本实施例典型事故场景选取C罐区丙烯压力储罐罐体失效事故。压力储罐罐体失效会导致危险化学品瞬时泄漏或连续泄漏。瞬时泄漏和连续泄漏并没有严格的定义区分。瞬时泄漏通常是容器发生灾难性破裂的结果,尽管已经发现灾难性泄漏并非真是瞬时发生的,但从扩散建模的观点看,这个假设是合理的,灾难性破裂的泄漏持续时间可以忽略。发生连续泄漏的化学品源源不断的从泄漏口漏出,在事故源上方沿着下风向形成一个长的扩散带,即所谓的“烟羽”模型;而发生瞬时泄漏时,化学品在短时间内全部漏出,聚集在源口形成云团,随后随下风向移动,即所谓的“烟团”模型。
危险因素确定后,进一步对危险因素进行分类。确定压力储罐泄漏孔径以及场景发生频率。影响压力储罐泄漏源源项的主要因素是泄漏口的尺寸和形状,准确定义泄漏口的尺寸和形状对于计算事故后果的影响范围、确定事故发生的概率至关重要。
采用的压力储罐的典型代表孔径如表下表3所示,
表3压力储罐泄漏典型代表孔径
泄漏场景 范围(mm) 国内取值(mm) 本方法取值(mm)
小孔泄漏 0-10 5 10
中孔泄漏 10-50 25 35
大孔泄漏 50-150 100 100
完全破裂 >150 设备完全破裂 完全破裂
泄漏场景发生频率如下表4所示,
表4泄漏场景发生频率
Figure BDA0004000764180000111
辨识可能发生的事件后果,本实施例中选取初始事故场景C区TK01球罐失效引起危险化学品丙烯泄漏进入环境,该初始事故场景可能进一步引发火灾、爆炸等事故,用压力储罐泄漏事件树来进行描述。
当所述初始事故场景是危险化学品泄漏时,由于C区球罐存储的丙烯状态是液化气体且丙烯泄漏过程一直持续,故将丙烯泄漏事件树进一步确定为丙烯瞬时释放事件树。进一步地,对该事件树继续用立即点燃和不立即点燃两种点燃方式进行二次划分,对于不立即点燃分支,还需要考虑延迟点燃或是不点燃,遍历所有泄漏事故,得到所有可能的二次事故形式。丙烯瞬时释放事件树如图3所示。
步骤S4,构建罐区初始事故事件树,获得初始事故概率。
步骤S41,根据危害辨识结果,结合厂区重点罐区工艺、设备信息与设计规范,设定初始事件。
步骤S42,确定每种事故模式的典型泄漏模式、泄漏孔径以及场景频率。
步骤S43,从初始事件出发,遍历所有泄漏事故,构建完备的罐区一次事故场景事件树。
步骤S5,基于经验模型,计算罐区初始事故后果。
步骤S51,对辨识得到的罐区所有一次事故,根据泄漏孔径、工艺参数、泄漏探测和隔离措施等参数,采用国家标准(AQT 3046-2013)《化工企业定量风险评价导则》以及(GB/T37243-2019)《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》建议的模型方法,利用经验模型,计算泄漏量(源项)并估算事故后果。
步骤S52,采用经验物理模型计算确定事故源项以及火灾、爆炸、毒气泄漏等具体事故的影响后果。火灾、爆炸、毒物扩散的后果影响范围受气象条件影响。图4列出了本实施例中所用的经处理后的结合大气稳定等级/风速和16个风向频率的数据。其中,风速的单位是米/秒,同时结合了大气稳定度,依据每个类别的加权平均数计算出每一种天气类别的典型性风速。在后续的重点罐区多米诺分析部分,对每一种灾害事故场景,考虑所有风向频率进行分析,对每一风向采用大气稳定度等级D下的典型风速。
步骤S6,获得罐区多米诺事故场景升级概率。
多米诺事故具体包括热辐射产生的多米诺效应以及超压产生的多米诺效应,多米诺事故升级概率根据受影响设备处的超压、热辐射值计算;
当所述事故为热辐射效应时,还需要分为对常压储罐和压力储罐的影响。计算公式分别为:
ln(ttf)=-1.128*ln(I)-2.667*10-5*V+9.877;
γ=12.54-1.847*ln(ttf);
ln(ttf)=-0.947*ln(I)+8.835*V0.032
γ=12.54-1.847*ln(ttf);
其中,ttf为失效时间,I为目标储罐受到的热辐射强度,V为目标储罐的容积,γ为概率单位值;
当所述事故为超压效应时,还需要分为对常压储罐和压力储罐的影响。计算公式分别为:
γ=-18.96+2.44*ln(ΔP);
γ=-42.44+4.33*ln(ΔP);
其中,ΔP为目标储罐受到的峰值超压,γ为概率单位值;
在超压或热辐射满足事故升级阈值的前提下,进一步计算目标储罐由于受到热辐射或超压影响引发二次事故的升级阈值,计算方法可以选择Probit(线性)函数计算:
Figure BDA0004000764180000131
其中,Pd为目标储罐由于受到热辐射或超压影响引发事故升级的概率;γ为概率单位值。造成多米诺事故升级需满足一定的阈值。不同的造成各种不同材料损伤的阈值标准取自AQT 3046-2013《化工企业定量风险评价导则》。
步骤S7,进行罐区事故综合升级风险快速排序。
步骤S71,遵照传统QRA(定量风险评价方法)分析流程,根据危害辨识分析得到的重点罐区所有事故场景,采用QRA导则建议使用的事故后果经验模型来计算一次事故在其他各个储罐处所产生的热辐射或超压值的影响。
步骤S72,结合一次事故频率、多米诺事故升级概率,计算综合事故升级风险计算综合事故升级风险F(yr-1),计算公式为:
F=f1+f2+f3
其中,f1为一次事故发生频率,f2为气象条件频率,f3为受影响储罐发生二次事故的频率,即步骤S6中所计算的多米诺事故升级概率。
步骤S8,筛选罐区关键事故场景,形成罐区关键事故场景列表。
步骤S81,依据综合事故升级风险大小、一次事故频率大小、一次事故后果大小,将所有可能的一次事故以及二次事故场景组合进行排序。
步骤S82,基于综合事故升级风险F及其排序筛选出三种罐区关键事故场景:高风险事故场景、高频率事故场景和最大后果事故场景;
(1)高风险事故场景,即各个罐区所有一次事故——二次事故场景组合中,综合事故升级风险不低于10-6yr-1,且综合事故升级风险较高的若干场景;
(2)高频率事故场景,即各个罐区发生频率最高的若干一次事故场景;
(3)最大后果事故场景,即在各个罐区所有可能的一次事故场景中,发生频率不小于10-8yr-1,且产生的热辐射或超压值最大的一次事故场景。
造成D罐区事故升级风险较高的各类事故场景如下表5所示,
表5D罐区事故升级风险较高的各类事故场景
Figure BDA0004000764180000141
Figure BDA0004000764180000151
步骤S9,判断罐区关键事故场景列表收敛性;在进行CFD计算前,关键事故场景列表未收敛,故进一步实施步骤S10-S12;若收敛,进行步骤S13。
步骤S10,在构建的罐区三维模型基础上,进行关键事故场景CFD设置及计算。
步骤S101,提取用于CFD模拟的场景参数。
利用CFD模拟获得分析高风险多米诺场景列表中相关场景的高精度后果。CFD方法所求解的控制方程如下:
连续性方程:
Figure BDA0004000764180000152
动量输运方程:
Figure BDA0004000764180000153
其中,Fo,i和Fw,i分别为壁面与亚网格障碍造成的流动阻力,σij是应力张量。
能量输运方程:
Figure BDA0004000764180000161
燃料组分输运方程:
Figure BDA0004000764180000162
湍动能输运方程:
Figure BDA0004000764180000163
湍动能耗散速率输运方程:
Figure BDA0004000764180000164
其中,Pk为湍动能的产生速率,包括流动剪切应力、壁面剪切应力、浮力、亚网格应力的贡献。Pε是耗散速率,计算公式为:
Figure BDA0004000764180000165
步骤S102,基于上述场景参数,在构建的三维模型上,对关键事故场景逐一进行CFD计算,确定空间各点的超压值或热辐射值。
本实施例中,选取C丙烯区TK01球罐安全阀误开启引发丙烯泄漏进入东侧仓库区产生的VCE(蒸气云爆炸)爆炸事故作为模拟场景,进一步通过CFD计算更准确地分析事故后果影响。设定该化工厂区区域环境温度为15℃,西北风,风速0.178m/s,大气稳定度为F。
由前期VCE事故预实验分析可得,若丙烯球罐发生泄漏,在特定的气象条件下,丙烯可以扩散进入附近门窗开放的建筑中,很可能发生闪火事故,造成建筑内人员伤亡;当建筑内存在较小的密闭空间时,还可能引发VCE事故,造成建筑损伤。下面以C丙烯区CTK01球罐安全阀误开启引发丙烯泄漏进入东侧仓库区产生的VCE爆炸事故为例进行说明。
进行VCE事故分析之前要进行CFD泄漏模拟设置。
导入模型,将先前建立好的几何模型database-model打开导入到FLACS-casd中。
选择模拟类型,在设置面板中选择事故模拟类型-dispersion and ventilation。
选择模拟变量,通过预先的勾选变量,在模拟结束后,FLACS的后处理软件flowvis可以对选择的各个变量进行结果输出显示。本实施例中选择变量气体浓度值FMOLE、燃烧当量比值ER,通过后续对于不同区域气体浓度以及当量比数值的判断,来进一步展开后续点燃的分析。
设置时间步长、模拟时间、库朗数等参数。设置本次实例泄漏扩散模拟总时间maxtime=600s,DTPLOT=0.5;库朗数设置为适用于泄漏模拟的CFLC=1、CFLV=10。
设置存档读档时刻参数。当所述事故是泄漏导致的VCE爆炸事故时,为了后续的VCE爆炸模拟,需要预先设置存档时刻,之后通过工具操作将泄漏结果导入到VCE计算中;设置dump time=298,TDUMP=1。
设置模拟的具体气象条件,包括具体风向角度、风速、环境温度、大气稳定度、边界条件等。将本次实例场景的气象条件填入:西北风角度315°,但由于厂区实际方位与正南正北基准坐标轴角度的偏差,通过卫星地图的对比,将风速修正为337.5°,风速设置为5.266m/s,大气稳定度设为等级D,气温设置为15℃。
设置气体组分以及当量比,在气体组分中选择100的丙烯,当量比值设为最大ER9,表明是纯气体泄漏。
设置泄漏条件。本实施例场景为丙烯球罐罐底100mm大孔泄漏。通过aloha软件计算得到泄漏源强为133.1367kg/s,湍流系数置为泄漏孔径的10%,设置为0.01,由于是泄漏模拟,故不进行点火设置。
设置模拟域及网格。根据西北风风向及泄放速率大致估算泄漏物质浓度影响范围,将延伸区网格边界确定,将仓库区的网格进行加密,计算孔隙度后,最终得到整个CFD泄漏扩散计算的网格模拟域。
通过FLACS求解器run manager进行CFD求解计算。
通过后处理软件flowvis来观测十分钟的泄漏事故丙烯浓度分布,导入计算场景文件,勾选显示变量为气体浓度,自主设定可视化高度,将气体浓度下限设置60%爆炸下限:60%LEL:12900ppm,浓度上限设置为爆炸上限UEL:112000ppm。记录在泄漏发生一分半、五分钟、十分钟等特殊时间节点后,厂区内不同区域的丙烯浓度分布。
将泄漏场景文件另存为同一文件夹下,点击新的场景文件,选择模拟类型,在设置面板中选择事故模拟类型-gas explosion。
选择模拟变量。通过预先选择输出变量,当模拟事故为蒸汽云爆炸时,模拟变量选择温度T、超压P。
设置传感器监测点信息,同时为了研究仓库内发生爆炸后产生的冲击波是否会对距离C罐区最近的新建D罐区液氨储罐造成影响,预先在D罐区液氨储罐罐壁四周均匀地设置30个超压监测传感器。
设置时间步长、模拟时间、库朗数等参数。设置爆炸模拟总时间max time=30s,缩短输出时间步长,设置DTPLOT=0.05;将库朗数设置为适用于火灾爆炸模拟的CFLC=0.5、CFLV=5。
设置保存时刻参数,NLOAD=1。
设置气体组分以及当量比及设置泄漏参数及湍流系数,与泄漏设置相同。
设置点火参数,点火位置设置为常温仓库(北三仓)内部满足点燃条件的一点,点火时刻ignite time=300s。
设置模拟域及网格,本次模拟事故类型是气体爆炸,继续加密中心区网格为0.5m,计算孔隙度,得到整个CFD计算的网格模拟域信息。
进行CFD模拟,通过后处理模块flowvis来观测模拟结果,先导入VCE运算场景文件,勾选显示变量为超压和火焰温度等,设置必要的参数,将VCE事故所产生的超压、事故后果视频通过后处理软件来进行导出分析。
进一步地,通过将传感器数据抽提,并用程序将数据进行可视化,得到传感器数值曲线如图14-19所示。由传感器监测点上的数值分析得:在点火后1.4s,传感器上监测到液氨储罐超压峰值为0.03bar(3kPa),未超过D罐区液氨储罐的耐受超压阈值6kPa。传感器数值图可以更好地分析重点罐区或重点设备上的热辐射情况,结果作为后续判断风险升级、风险排序、风险分析的依据。
批量进行关键事故场景列表中各不同类型事故模拟,设置分析过程同上。通过CFD模拟确定空间各点的超压值或热辐射值,深入定量地分析这些重点事故场景的后果对周边设备的影响。
步骤S11,更新罐区关键事故场景多米诺升级概率;在CFD计算获得的关键事故场景的受影响设备处的超压、热辐射值基础上,按照所述步骤S6中的方法,计算多米诺事故升级概率。
步骤S12,更新罐区事故综合升级风险排序,进行步骤S9。
步骤S121,更新关键事故场景的综合事故升级风险。
步骤S122,更新罐区关键事故场景列表,判断罐区关键事故场景列表收敛性。
本实施例中,筛选罐区关键事故场景,得到造成D罐区事故升级风险较高的各类事故场景。将CTK01储罐安全阀误开启导致VCE事故、CTK02储罐安全阀误开启导致VCE事故、ETK01储罐安全阀误开启导致VCE事故、ETK02储罐安全阀误开启导致VCE事故、ATK01泵泄漏延时点火导致闪火事故、ATK02泵泄漏延时点火导致闪火事故用步骤S10所述方法进行高精度CFD模拟。确定各事故案例中目标监测空间各点的超压值更新罐区关键事故场景多米诺升级概率,之后继续更新罐区关键事故场景列表。
本实施例中,CFD模拟关键事故场景列表结果与步骤S8得到的快速排序关键事故场景列表顺序相同,关键事故场景列表收敛,罐区事故综合升级风险排序结束。转到步骤S13。
步骤S13,根据罐区关键事故场景进行罐区多米诺综合风险评价。各储罐、罐区和全罐区的风险来源和分布进行分析,为罐区多米诺事故分级管控与隐患排查提供依据和建议,并根据关键事故高精度后果制定应急预案。
本实施例中,各重点罐区的储罐综合事故损伤风险计算结果如下表6所示,
表6各重点罐区的储罐综合事故损伤风险
Figure BDA0004000764180000191
对重点罐区各储罐损伤的综合风险进行计算与分类分析。综合风险包括储罐自身失效事故、储罐被本罐区其他设备事故损伤和储罐被其他罐区事故损伤的贡献。储罐自身失效,指储罐发生小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏、完全破裂并进一步引发的各类火灾爆炸事故,以及浮顶罐发生全表面火灾和密封圈火灾的风险。本罐区其他设备事故,包括管道、管道上阀门、泵、压缩机、安全阀失效导致泄漏并进一步引发的各类火灾爆炸事故。其他罐区事故包括发生在其他罐区的上述事故。
图5-10是在各储罐损伤风险数值的基础上进一步得到的各重点罐区综合风险分布。由此可得:
1)A、B和E罐区内储罐的综合损伤风险相对较大,F罐区内储罐的综合损伤风险相对较小。
2)A、C和E罐区内储罐的损伤风险主要来源于本罐区其他设备事故。
3)B、D和F罐区内储罐均在一定程度上受其他罐区事故的影响,其中,B罐区内储罐受自身失效、本罐区其他设备事故和其他罐区事故的影响比较接近;D和F罐区内储罐的损伤风险则主要来源于其他罐区事故。
对于重点罐区储罐综合事故损伤风险分析结果,需要注意由于F罐区的全容罐自身失效风险低,因此其受其他罐区事故的相对贡献显得突出,但F罐区的总损伤风险仍然较小。相较而言,B、D罐区的总损伤风险较大,同时综合风险有较大比例来源于其他罐区,这提示对于B、D罐区需要重点关注和防范罐区间的事故多米诺效应。A、C和E罐区则需重点关注和防范本罐区其他设备的事故对罐区中储罐的损害。
鉴于B、D、F罐区内储罐的损伤风险主要来源于其他罐区的事故,图14进一步给出了不同罐区对B、D、F罐区内储罐损伤风险的贡献。压力储罐泄漏造成的VCE/闪火事故具有较大的影响范围,因此能够对临近罐区产生影响。从图11-13(图中数值为风险值)可见,B罐区受其他罐区的影响几乎全部源自临近的C罐区丙烯压力储罐罐区,D罐区易受临近的C、E压力储罐区影响。C罐区对B、D罐区对造成的多米诺事故风险数值均较大(>10-4yr-1),提示对于B和D罐区需要重点防范C罐区事故的影响。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法,其特征在于,包括:
步骤S1,构建面向事故后果CFD计算的三维模型;
步骤S2,收集、汇总危化品罐区用于事故场景辨识与事故后果快速分析的参数;
步骤S3,对危化品罐区中的潜在危险源及潜在危害事故场景开展辨识;
步骤S4,构建罐区初始事故事件树,获得初始事故概率;
步骤S5,基于经验模型,计算罐区初始事故后果;
步骤S6,计算罐区多米诺事故场景升级概率;
步骤S7,进行罐区事故综合升级风险快速排序;
步骤S8,筛选罐区关键事故场景,形成罐区关键事故场景列表;
步骤S9,判断罐区关键事故场景列表收敛性;在进行CFD计算前,关键事故场景列表未收敛,故进一步实施步骤S10-S12;若收敛,进行步骤S13;
步骤S10,在构建的罐区三维模型基础上,进行关键事故场景CFD设置及计算;
步骤S11,更新罐区关键事故场景多米诺升级概率;
步骤S12,更新罐区事故综合升级风险排序,进行步骤S9;
步骤S13,根据罐区关键事故场景进行罐区多米诺综合风险评价。
2.根据权利要求1所述的一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法,其特征在于,
所述步骤S1包括,
步骤S14,收集获取危化品厂区的基础建筑信息;
步骤S15,基于各项清单台账图纸报告原始资料指标,确定各个罐区中主体设备的建筑信息;
步骤S16,采用FLACS软件构建适用于CFD模拟的企业罐区三维模型,保持主体结构的同时完成室内重点设备建模;
所述步骤S2包括,收集重点罐区危险源参数、罐区存储物质活性类别参数、储罐泵及管道参数、压缩机及管道参数、储罐安全阀参数;
所述步骤S3包括,辨识危化品罐区的主要危险源特征、可能存在的危险因素特征以及潜在的危害事故场景。
3.根据权利要求1所述的一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法,其特征在于,所述步骤S4包括,
步骤S41,根据危害事故场景辨识结果,结合厂区重点罐区工艺、设备信息与设计规范,设定初始事件;
步骤S42,确定每种事故模式的典型泄漏模式、泄漏孔径以及场景频率;
步骤S43,从初始事件出发,遍历所有泄漏事故,构建完备的罐区一次事故场景事件树;
所述步骤S5包括,
步骤S51,对辨识得到的罐区所有一次事故,根据泄漏孔径、工艺参数、泄漏探测和隔离措施参数,利用经验模型,计算泄漏量并估算事故后果;
步骤S52,采用经验物理模型计算确定事故源项以及火灾、爆炸、毒气泄漏具体事故的影响后果。
4.根据权利要求1所述的一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法,其特征在于,所述步骤S6包括,多米诺事故具体包括热辐射产生的多米诺效应以及超压产生的多米诺效应,多米诺事故升级概率根据受影响设备处的超压、热辐射值计算;
当所述事故为热辐射效应时,分为对常压储罐和压力储罐的影响,计算公式分别为:
ln(ttf)=-1.128*ln(I)-2.667*10-5*V+9.877;
γ=12.54-1.847*ln(ttf);
ln(ttf)=-0.947*ln(I)+8.835*V0.032
γ=12.54-1.847*ln(ttf);
其中,ttf为失效时间,I为目标储罐受到的热辐射强度,V为目标储罐的容积,γ为概率单位值;
当所述事故为超压效应时,还需要分为对常压储罐和压力储罐的影响,计算公式分别为:
γ=-18.96+2.44*ln(ΔP);
γ=-42.44+4.33*ln(ΔP);
其中,ΔP为目标储罐受到的峰值超压,γ为概率单位值;
在超压或热辐射满足事故升级阈值的前提下,进一步计算目标储罐由于受到热辐射或超压影响引发二次事故的升级阈值,计算方法选择Probit函数计算:
Figure FDA0004000764170000031
其中,Pd为目标储罐由于受到热辐射或超压影响引发事故升级的概率;γ为概率单位值。
5.根据权利要求1所述的一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法,其特征在于,所述步骤S7包括,
步骤S71,计算一次事故在其他各个储罐处所产生的热辐射或超压值的影响;
步骤S72,结合一次事故频率、多米诺事故升级概率,计算综合事故升级风险F(yr-1),计算公式为:
F=f1+f2+f3
其中,f1为一次事故发生频率,f2为气象条件频率,f3为受影响储罐发生二次事故的频率,即步骤S6中所计算的多米诺事故升级概率。
6.根据权利要求1所述的一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法,其特征在于,步骤S8包括,
步骤S81,依据综合事故升级风险大小、一次事故频率大小、一次事故后果大小,将所有可能的一次事故以及二次事故场景组合进行排序;
步骤S82,基于综合事故升级风险F及其排序筛选出三种罐区关键事故场景:高风险事故场景、高频率事故场景和最大后果事故场景。
7.根据权利要求1所述的一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法,其特征在于,步骤S10包括,
步骤S101,提取用于CFD模拟的场景参数;
步骤S102,基于上述场景参数,在构建的三维模型上,对关键事故场景逐一进行CFD计算,确定空间各点的超压值或热辐射值。
8.根据权利要求1所述的一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法,其特征在于,所述步骤S11包括,在CFD计算获得的关键事故场景的受影响设备处的超压、热辐射值基础上,按照所述步骤S6中的方法,更新多米诺事故升级概率。
9.根据权利要求1所述的一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法,其特征在于,所述步骤S12包括,
步骤S121,更新关键事故场景的综合事故升级风险;
步骤S122,更新罐区关键事故场景列表,判断罐区关键事故场景列表收敛性。
10.根据权利要求1所述的一种危化品罐区多米诺综合风险高精度分析方法,其特征在于,所述步骤S13包括,对各储罐、罐区和全罐区的风险来源和分布进行分析,为罐区多米诺事故分级管控与隐患排查提供依据和建议,并根据关键事故高精度后果制定应急预案。
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