天然气储罐蒸气云爆炸事故个人风险分析
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作者: 郭晓晓 蔡治勇 梁开武 崔月冬
摘 要：采用TNT当量法计算天然气储罐蒸气云爆炸形成的冲击波超压，运用人体脆弱性模型计算死亡概率，得到了天然气储罐的个人风险模型。根据《危险化学品生产、储存装置个人可接受风险和社会可接受风险基准（征求意见稿）》所规定的个人风险可接受水平，结合实例，确定了安全距离，可为安全规划及防护措施的制定提供科学依据。
关键词：蒸气云爆炸（VCE）；冲击波超压；个人风险；安全距离
中图分类号：X932 文献标识码：A
天然气储罐具有较大危险性，介质易燃易爆且处于一定的压力状态。一旦泄漏，气体与空气高度紊流易形成爆炸性蒸气云，若遇火源则发生蒸气云爆炸，蒸气云爆炸事故频率高，若发生在城市或人口聚集区，会造成严重的后果。在对蒸气云爆炸事故进行定量风险分析的基础上，确定安全距离并进行安全规划是减轻事故危害的基本途径之一。
目前，国内外对工业设施所造成的个人风险已经提出了切实可行的定量计算方法。潘科以英国HSE的人员伤亡评估probit标准来计算个人风险值，对液化石油气VCE事故定量分析。李清水应用基于个人风险的土地利用规划方法，在定量风险分析的基础上对某拟建LNG储备库周围的土地利用类型进行了规划与调整。林铭玉结合某城市某区燃气管网布置的实际情况，进行个人风险定量分析，确定了天然气储配站的安全距离。武雪芳分析归纳了国外有关的个人风险和社会风险标准，提出每年10-6的死亡风险是可以忽略不计的个人风险水平等观点。
本文拟在以往研究的基础上，对个人风险的计算方法进行整合，确定天然气储罐蒸气云爆炸事故个人风险计算模型，并结合案例进行个人风险分析，找出不同人口密度场所与天然气储罐的安全距离，为安全规划及防护措施的制定提供依据。
1 天然气储罐蒸气云爆炸事故个人风险计算模型
1.1蒸气云爆炸（VCE）超压计算模型
蒸气云爆炸是指可燃气体或蒸气与空气的云状混合物在开阔地上空遇到点火源引发的爆炸。蒸气云爆炸能产生多种破坏效应，如冲击波超压、热辐射、碎片作用等，但最危险、破坏力最强的是冲击波的破坏效应。
TNT当量法广泛用于简单蒸气云爆炸模拟。由于对TNT炸药的爆炸威力已进行了大量研究工作，目前已能有效地预测其爆炸场和对物体的破坏作用；设想把蒸气云爆炸的破坏作用转化成TNT爆炸的破坏作用，由此评价相关爆炸的一系列结果，如所测点的超压。TNT当量的转化公式为
WTNT=μHcWf/HTNT （1）
式中：
WTNT-爆炸的TNT当量质量（kg）；
μ-蒸气云的TNT当量系数，取4%；
Hc-燃料热值（kJ/kg）；
Wf-气云中燃料的总量（kg）；
WTNT-TNT的爆热，4520kJ/kg。
若VCE为地面或近地面爆炸，则爆炸总能量为实际能量的1.8倍，在蒸气云爆轰时，其冲击波参数可以用下面的公式计算：
（2）
式中：
P0-环境大气压，1.01×105Pa；
PS-冲击波正相最大超压（Pa）；
R-目标到蒸气云中心的距离（m）。
1.2人体脆弱模型
人体脆弱模型用于评价人类对于有毒物质、热辐射、超压的剂量-反应关系。脆弱性影响因素与概率单位的关系见表1。
采用人体脆弱性模型计算脆弱性影响因素的概率单位值。冲击波超压的概率变量公式为：
Y=5.13+1.37lnPS （3）
式中：
PS-静态超压的峰值（bar）；
Y-致死概率单位值。
人体脆弱性的伤害或死亡概率V与概率单位Y之间有如下正态分布关系：
（4）
1.3个人风险计算式
个人风险定义为：在某一特定位置长期生活的未采取任何防护措施的人员遭受特定危害的频率，等于特定事故发生概率和后果的乘积。事故后果仅考虑对人员的影响，只考虑死亡情况，不考虑人员受伤情况、财产损失和环境破坏情况。
通常情况下，个人风险的计算如下：
IR=Pf・Pd/f （5）
式中：
Pf是事故发生的概率；
Pd/f是个人由于事故的发生而死亡的概率。
计算天然气储罐事故发生概率时，通常需要以往事故发生次数的统计值。但只有当研究区域较大时（省级以上区域）才较容易获得事故发生次数统计值，而当研究区域较小时（县、区及其以下区域）其值常常严重不足。因此，本文假设天然气储罐发生蒸气云爆炸事故的频率为10-5次/年。
由式（1）～（5）分析建立天然气储罐蒸气云爆炸事故个人风险模型如下：
2 天然气储罐蒸气云爆炸事故个人风险分析
2.1个人风险可接受水平的确定
国家安全监管总局在对发达国家和地区土地安全规划、安全距离确定方法进行广泛调研和分析的基础上，结合我国国情，研究提出了我国危险化学品生产、储存装置个人可接受风险基准，见表2。
2.2案例分析
某天然气储备站新建1台100m3卧式液化天然气储罐，取充装系数为0.9，LNG的密度为450kg/m3，储存压力0.6MPa。储配站周边环境情况见表3。
为建立模型及计算简便起见，假设外界环境为静风；将储罐看做一个质点，在储罐处发生地面或近地面蒸气云爆炸。经计算TNT当量为：
WTNT=0.04×100×0.9×450×55600/4520=20000kg。
根据所建立天然气储罐蒸气云爆炸事故个人风险模型――式（6），得到距储罐不同位置处的个人风险值，见表4。
表4中的数据按照间距为10m的方式记录了距离储罐不同位置处的个人风险值。距离储罐越远，个人风险值越小。
本项目为新建项目，参见表3、表4可知：
（1）若防护目标为低密度人员场所则其距储罐的安全距离为20m。本案例天然气储备站周边所涉及场所为低密度人员场所，其间距大于安全距离。
（2）若防护目标为居住类高密度场所或公众聚集类高密度场所，其安全距离为90m。本天然气储备站周边不存在此类场所。
（3）若防护目标为高敏感场所、重要目标或特殊高密度场所，其安全距离约为175m。本天然气储备站周边不存在此类场所。
3 结论
（1）根据本文整合所得个人风险模型，低密度人员场所的安全距离为20m。本案例中，天然气储配站北面的零星民舍属低密度人员场所，距离此处30m，所建模型的计算结果符合实际。
（2）根据《危险化学品生产、储存装置个人可接受风险和社会可接受风险基准（征求意见稿）》所规定的个人风险可接受水平，结合实际案例，得到了该天然气储配站周边不同人口密度场所的安全距离，为其安全规划提供了依据。
（3）本文未考虑风速、大气稳定度等对事故后果的影响，储罐选址时，应适当增加下风向的安全距离或增设安全防护措施。
参考文献
[1]潘科，刘媛，许开立.基于probit模型的超压引发多米诺效应定量风险评价研究[J].中国安全科学学报，2012，22（09）：51-56.
[2]李清水，刘茂，等.基于个人风险的土地利用规划在LNG储备库的应用[J].中国工程科学，2008，10（09）：79-82.
[3]林铭玉.燃气管网对土地利用规划的风险影响分析[D].成都：西南石油大学，2010.
[4]武雪芳.定量风险评价标准探讨[J].上海环境科学，2000，19（04）：152-158.
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