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加氢装置事故重建及分析

发布时间:

2024-01-26 08:53

氢具有易泄漏、扩散快、点火能低、爆炸极限宽的危险特性。目前氢安全课题的研究领域主要包括:氢的扩散、燃烧与爆炸机理;氢与金属材料的相容性;氢风险评价等[1]

在风险评价领域,评价方法可分为快速风险评级(rapid risk ranking,RRR)和量化风险评价(quantitative risk assessment,QRA)。RRR为定性分析方法,主要基于检查表等工具和专家经验,将分析所得的结果与风险基准进行对比以确定风险是否能够被接受。该方法由于量化程度低,主观性强,因此多用于风险场景的初步筛查。QRA是目前氢风险评价的主流方法,评估过程更为复杂,得益于其对场景发生概率和后果严重性的综合考虑,可以得到某一场景的具体风险值,包括个人风险和社会风险,指导确定外部安全距离和风险防控措施的制定。

计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)技术具有高准确度、低成本等优势,被广泛应用于量化风险评价中。当前CFD技术在高压储氢研究领域主要有两个研究方向,一是氢事故后果机理研究,包括高压氢气泄漏自燃、激波的形成与传播、爆燃爆轰、爆燃转爆轰(DDT)等;二是事故后果仿真,通过在模型中假设场景,计算事故影响程度和范围。文献[2,3]指出当前CFD技术面临的主要挑战之一为真实几何形状建模及事故缓解措施的评估。而且CFD还需要进行3D建模,费时费力。因此基于二维模型的快速QRA不失为一种选择。

本文采用挪威船级社(DETNORSKEVERITAS,简称DNV)Phast和KFX这两款商业软件对相关事故进行重建,以期研究结果能为相关产业的快速量化风险分析提供理论参考,在进行后果分析或风险分析时做出合理的选择。

1研究概述

1.1 装置介绍

从工艺层面,渣油加氢分为固定床、沸腾床和浆态床。其区别主要体现在反应部分。渣油加氢技术的工艺过程是渣油经加氢处理,脱硫、脱氮、脱金属和脱残炭。采用该工艺技术,渣油处理效果显著,且由于渣油中氢含量增加,加氢后的常压渣油可符合渣油催化裂化装置的进料要求。渣油加氢在重油加工中具有重要地位,但也存在投资较大、操作费用较高的特点,同时对于设备有较为苛刻的要求。由于固定床渣油加氢处理过程具有装置工艺和设备结构简单等特点,因而应用得最广泛。固定床重油加氢是在馏分油加氢的技术上发展起来的,主要目的是为下游催化裂化装置提供优质原料,精制深度高,脱硫率一般可达90%以上。所有的固定床渣油加氢处理过程的原则流程都是一样的,如图1示。渣油加氢是重油加工装置,运行末期反应器床层平均温度高达400℃,系统压力高达15.6MPa(本文所指压力均为表压,即MPaG),停工必须经过蜡油循环降温、柴油循环注入阻燃剂等过程。

图1 典型的固定床加氢反应流程

 

 

1.2 氢气性质

氢气是一种极易燃的气体,燃点只有574℃,氢的发热值约1.4x105kJ/kg,是汽油发热值的3倍:氢的燃烧性好,点燃快,与空气混合时具有广泛的可燃范围4-75%,并且燃点高,燃烧速度快;所有这些特性都增加了其与常见碳氢燃料(如LPG或LNG)相比的风险[3]。氢气燃烧的焓变为286kJ/mol。在18.3%至 59%的情况下极易引爆。纯净的氢气与氧气的混合物燃烧时放出紫外线。此外,氢气的点火能很低,为 0.02mJ,约为汽油点火能力的十分之一。氢气燃烧的焓变为−286 kJ/mol:

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l); ΔH = -572 kJ/mol

 

2事故原因分析

2.1事故概况

由于氢气具有上述易燃易爆的特性,因此渣油加氢装置在开车前一般都会进行氢气气密试验,以防在生产过程中发生泄漏。某渣油加氢装置在调试阶段和催化剂装填之前,逐步从2MPa到13MPa进行高压氮气泄漏测试并修复所发现的泄漏。。

装载催化剂后,作为开车工序的一部分,开始进行氢气气密试验。计划氢气气密试验目标为循环氢压缩机(RGC)入口处的压力达到正常的操作压力16MPa。计划控制升压速率不大于2MPa/h。通过DCS压力曲线分析,系统开始失压,压力从14MPa降至13MPa,三分钟后,系统失压加速,在十几秒内降至11MPa并发生爆炸从视频监控录像可同时发现爆炸产生,伴随爆炸产生的同时明亮火球和喷射火形成,5分钟后消防队抵达,发现喷射火有两股,东侧一股较大,西侧一股较小。爆炸发生后周边建筑物和设备有不同程度损伤且损伤 集中在屋顶,项目周围村庄(散布在2.6公里至5公里附近)也不同程度受损并听到爆炸声。

2.2事故过程判断

从DCS记录和现场情况的事故分析,发生了氢气泄漏导致的蒸汽云爆炸(VCE),参与爆炸的物质主要为泄漏的氢气,之前小型泄漏的物质较少且由于高温氢气扩散性较好,参与其中的较少。开始十几秒泄漏出的氢气大约5000kg,其中部分(根据经验公式估算约为625kg)因与空气混合进入爆炸极限形成爆炸,剩余的氢气(4275kg)因爆炸点燃,形成火球,形成的火球因温度升高而高度升高并逐渐减小,火球时间根据视频记录,持续了5-8秒左右。破口喷射出的氢气形成喷射火,此时系统压力11.2MPa。此处喷射火持续时间较长,直至消防工作结束。

2.3氢气自燃理论

高压氢气泄漏自燃机理在国际上还没有统一的认识,目前主要存在以下几个假定理论[3]:逆焦耳· 汤姆逊效应( Reverse Joule-Thomson effect )、静电点火(electrostatic ignition)、扩散点火(diffusion ignition)、瞬时绝热压缩(sudden adiabatic compression)、热表面点火(hot surface ignition)以及机械摩擦和撞击(mechanical friction and impact)等。

由于氢气的Joule-Thomson转化温度仅为-80℃,因此当压缩氢气气在室温空气里膨胀到大气压时,氢气气温度会升高。但是研究表明,该效应引起的温度升高值很低,如高压氢气在100MPa压力条件下释放,温度仅能提离150℃,明显低于氢气的自燃温度,因此单独由逆焦耳-汤姆逊效应引起的氢气温度升高不足以导致自燃的发生。但需要注意的是,该机理可和其他机理联合作用致使氢气温度大幅度升髙,进 而引起自燃的发生。英国Kingston大学火灾爆炸研究中心也对676起氧气事故统计发现[4],超过90%的氢气事故伴随着火灾爆炸的发生,并且有419起火灾爆炸事故的点火源未被确定,占氢气事故的61.98%。氢气事故需要注意的是上述机理中,单独一个理论并不能解释所有泄漏自燃现象,而自燃的发生有可能是几个点火机理共同作用的结果。静电点火、机械摩擦和撞击有可能是本次爆炸和火灾事故的主要点火源。

因此高压储存的氢气意外泄漏后,极可能发生自燃,并进而发展成爆炸事故和喷射火焰。

2.4 现场火灾数据收集

火灾现场的勘察主要由以下几个步骤组成[5]:

1)现场内物体、设备的位置,地面堆积物的彻底清理以及堆积物层次、厚度。

2)地面、设备上留下的爆炸坑洞、烟薰、高温痕迹。

3)伤亡人员位置等,以及留在人体上的爆炸火事痕迹。

4)现场残存的爆炸物品、引爆物等

5)除查清电气设备、线路爆炸烧毁程度,通过供配电装置、仪表灾前停留位置等以外,还要判定事故发生时设备是否断电,供电是否正常。

6)据此绘出现场内部展开图,重要部位局部详图。

7)拍照、录象。

根据火场勘察的记录,绘制火场温度分布,图中不同颜色的曲线代表不同温度的等值线,图中显示了150℃和100℃的等值线,按照过火的不同温度划分了六个区域,图中完整展示了III、IV、V、VI四个区域,如图2所示:

图2 火场温度分布图

 

由此可以看出由于设备遮挡造成的实际喷射火热影响区的实际轮廓,上述图形中的温度系由实际损失推测出的物体实际温度分布后回归出来的。

所谓热辐射就是由一个辐射源发散,不要任何传递介质物,可不完全接触另一物体来传送热能。物体表面不断地向外连续发射辖射能量,并表现出电磁波谱的特性。由于物体的带电粒子在原子和分子内不间断的震动,会产生向外辐射的电磁波,这也是组成电磁辐射的一部分。热辐射也是一种电磁波,根据物质本身温度或者热运动而激发产生。根据这个特性来获得二维和三维重建的输入信息,进行喷射火模型的重建[2]。这就是火灾场景重建的理论基础。

3 后果计算

事故后果模拟分析的目的是定量地模拟评价一个可能发生的事故对周边环境及人员产生危害的 严重性。挪威船级社(DNV)公司开发的风险分析软件Phast和KFX软件均可以定量描述本文事故的场景。Phast是二维模拟软件,具有快速方便的特点,KFX是三维模拟软件,结果考虑了遮挡关系及气相条 件,因此准确。因此本文利用上述两个软件,逐一输入工艺设备的相关参数、气象条件参数、装置平面布置设计、点火源的确切发生位置以及周边人口分布密度等情况进行喷射火的分析。

3.1 Phast模拟及其后果

根据现场工艺及其他条件,计算的主要输入条件如表1所示:

表1 输入条件表

表1中的气相数据来自于适当当天综合气象站的实时记录,其他数据则根据现场DCS数据库记录或视频信号推算。根据实地勘察可知,破口为夹角为180°的两个开口,其中东侧较大。因此计算仅考虑一处喷射火并以此为中心绘制圆形包络线以保证消除风向等因素的影响。

其中37.5kW/m2的影响范围为半径33m的圆形范围,12.5kW/m2的影响范围为半径50m的圆形范围。图3为喷射火引起的热辐射和距离曲线。

图3 喷射火热辐射温度距离曲线

 

喷射火热辐射影响范围和对应发射温度估算值详见表2。其中某点的发射温度为某点能产生等效辐射热黑体温度。具体计算响应物体温度时应根据物体吸收热表面面积、物体比热容、吸热时间以及物体吸热的同时耗散的热量进行计算。

表2 喷射火热辐射影响范围和对应发射温度估算值

3.2 KFX模拟及后果

1) 三维模拟的输入详见表3:

表3 三维模拟输入条件

2) 三维模拟结果

考虑到消防水的冷却作用无法准确计算,因此仅模拟时间为5分钟。从模型中提取作为温度,辐射,网格等的基本输出。结果每2秒保存一次。初步审查后,4秒钟的温度和辐射输出达到很高的水平。因此,4秒的3D结果如下所示。

① 在释放点高度处的辐射轮廓

比较2D和3D之间释放点高度处的辐射水平,得出的结论是辐射轮廓不是规则的圆形。在顺风方向上,12.5kw/m2的最远距离约为64m,而2D结果为60m。此外,并非所有方向都具有相同的分布规律,上风方向的辐射非常小。因此释放方向对辐射水平的范围影响很大,图4显示了这个范围。

图4 三维模拟结果

 

② 等温面图形

根据相关国内外标准, 50℃、100℃、600℃和1000℃这4个温度水平用于定义热暴露区域。从不同的角度,从3D结果中提取出50℃,100℃,600℃,1000℃的温度等值面。如图5所示:

图5 不同温度等值面图

 
4 结论

根据国内外等标准的要求,热辐射影响在12.5kW/m2或更高的设备应当进行合乎使用性评价技术(Fitness For Service,简称FFS技术)。根据实测,距离喷射火中心44m范围内应考虑热辐射的影响,而根据模拟计算距离喷射火中心50m范围内应考虑热辐射的影响,但应考虑受热物体是否有耐火保护(耐火涂料、防火毯等),实际距离等因素。通过跟踪计算结果,有如下发现:

1)热辐射影响范围与实际距离及是否有遮挡关系较大,这一点可以在三维模拟上观察到,因此在制定修复计划时要充分参考三维计算结果。

2)喷射火的场景下,邻近设备在高温影响下发生损坏的风险较大,建议高压储氢设施设置自动冷却喷淋或遥控水炮,确保发生事故时消防冷却系统的迅速响应与减灾。

3)由于氢气的火势进展非常迅速,有关消防系统的启动应与火焰检测信号联锁,以保证快速启动。

今后的研究中应结合扩散模拟结果及高压储氢设施的特点,对氢气探测器、噪声型探测器和火焰检测器的组合探测方案进行进一步研究,以及时有效的发现早期泄漏并预警。

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