某制氢站重大事故后果模拟分析-唐开永

XX发电厂制氢站压力容器重大事故后果模拟分析
唐开永
（注册安全工程师，一级安全评价师）
XX发电厂制氢站有13.9m³氢贮罐4个，6m³压缩空气贮罐1个；氢贮罐工作压力为2.50MPa（表压），氧贮罐工作压力为0.8MPa(表压)。

根据国家安监部门《关于开展重大危险源监督管理工作的指导意见》，制氢站压力容器群（组）P.v值为13.9m³×2.50MPa×4+6m³×0.8MPa=143MPa·m³；而易燃罐介质（氢）压力容器群（组）P.v值为13.9m³×2.50MPa×4=139MPa·m³>100MPa·m³，已经构成为重大危险源。

制氢站压力容器重大事故类型主要是因操作失误或压力容器制造质量缺陷、维护不当、腐蚀等原因引起的压力容器破裂而导致的物理爆炸。

氢贮罐发生爆炸后，如遇火源，可能会引起二次火灾、爆炸事故。

现对其进行重大事故后果模拟分析。

⒈压力容器爆破能量计算
盛装气体的压力容器在破裂时，气体膨胀所释放的能量（即煤破能量）与压力容器的容积有关。

其爆破过程是容器内的气体由容器破裂前的压力降至大气压的一个简单膨胀过程，所以历时一般都很短，不管容器内介质的温度与周围大气存在多大的温差，都可以认为容器内的气体与大气无热量交换，即此时气体介质的膨胀是一个绝热膨胀过程，因此其爆破能量亦即为气体介质膨胀所做之功，可按理想气体绝热膨胀做功公式计算，即：
Eg=P.v/(k-1)[1-(0.1013/p)(k-1)/k]×106
式中：Eg—容器气体的爆破能量，J；
P—气体爆破前的绝对压力，MPa；
V—容器体积，m³；
K—气体的绝热指数。

查有关资料，氢绝热指数为1.142,空气为1.4。

据此，可计算
①氢贮罐单罐爆炸能量为：
Eg=13.9×2.6013/0.142[1-(0.1013/2.6013)(1.142-1)/1.142] ×106
=2.317×108(J)
同理:
②氧贮罐爆炸能量为:
Eg=6.28×106(J)
③氢贮罐群爆炸总能量为:
Eg=3.383×108(J)
折合成TNT当量，则:
氢贮罐爆炸TNT当量为:
=51.26(kg)
W
TNT
氧贮罐爆炸TNT当量为:
=1.39(kg)
W
TNT
氢贮罐群爆炸TNT当量为:
=74.85 (kg)
W
TNT
⒉压力容器爆破时冲击波能量计算
根据有关资料,以1000kgTNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压数学模型为参照,来进行模拟计算。

①氢贮罐单罐爆破时冲击波能量
1)与1000kgTNT的模拟比为:
α=(51.26/1000)1/3=0.3715
2）设爆源半径R为10m，与模拟实验中的相当距离为：
R
=R/α=30
距离爆源半径10m处的冲击波超压
根据有关资料,用插入法查1000kgTNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压数据表,求得距离爆源10m处冲击波超压为0.057MPa。

3) 设爆源半径R为8m，与模拟实验中的相当距离为：
R
=R/α=21.53
距离爆源半径8m处的冲击波超压
根据有关资料,用插入法查1000kgTNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压数据表,求得距离爆源10m处冲击波超压为0.112MPa。

②氢贮罐群发生殉爆，冲击波能量
1）与1000kgTNT的模拟比为:
α=0.421
2）设爆源半径R为13m，与模拟实验中的相当距离为：
=R/α=30.87
R
距离爆源半径13m处的冲击波超压
根据有关资料,用插入法查1000kgTNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压数据表,求得距离爆源10m处冲击波超压为0.055MPa。

3) 设爆源半径R为9m，与模拟实验中的相当距离为：
=R/α=21.38
R
距离爆源半径9m处的冲击波超压
根据有关资料,用插入法查1000kgTNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压数据表,求得距离爆源9m处冲击波超压为0.122MPa。

氧贮罐爆破能量比较而言较弱,相权为轻,不再计算。

3.分析评价
查有关资料，冲击波超压为0.005～0.10 MPa时，可以致人内脏严重损伤或死亡，使木建筑厂房房柱折断，房架松动，可视为事故重伤半径的判定标准；冲击波超压为＞0.10 MPa时，可以致使大部分人死亡，防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌，可视为事故死亡半径的判定标准。

因此，根据上文对压力容器爆破事故后果模拟计算，可以得知：
当发生氢贮罐单罐爆破事故时，其重伤半径和死亡半径分别为10m、8m。

当发生殉爆事故，氢贮罐群爆破事故重伤半径和死亡半径分别为13m、9m。

①制氢站压力容器重大危险源分级
依据制氢站压力容器重大事故后果模拟分析结果，采用重大危险源快速评价分级方法，以预测的重大事故死亡半径R作为重大危险源分级判据，即，一级重大危险源 R≥200m
二级重大危险源 100m≤R〈200m
三级重大危险源 50m≤R〈100m
四级重大危险源 R〈50m
因制氢站压力容器重大事故后果导致的最大死亡半径R为9m，小于50 m，判定该重大危险源为四级重大危险源。

②重大危险源影响分析
据实地勘察，制氢站厂房相对独立，地形平整空旷，周边无公共聚集场所、人员密集场所、重要生产装置和散发火花、明火场所。

压力容器群（组）区域临站区南面布置，北面及东北面为站内电解法生产氢用房，耐火等级为一级，自西向东布置控制室、配药室、泵房、电解室，采用了气体类防爆电气安全技术措施及防静电、防雷措施，并装设了氢气泄漏检测报警装置。

现场生产人员较少；压力容器群（组）与之最小间距为14.2 m。

东面隔防火（爆）墙与厂内清洗机房毗邻，最小间距为17 m，其中压力容器距围墙最小间距为6.4m。

南面为沱江河滩地，中间以防火（爆）墙相隔，压力容器距围墙最小间距为 4.5m。

西面为闲置厂房，最小间距13m。

因此，如不考虑容器爆破碎片能量及飞行距离的因素，该站压力容器群（组）
周边及站内安全防护距离基本符合安全要求，压力容器能够严格按照国务院《特种设备安全监察条例》等的要求进行管理，并且采取了相应的防气体爆炸、防雷、防静电以及劳动保护、应急处理等有关安全技术措施，能进一步消减重大危险源的固有危险度，使其本质安全程度有较大提高。

综合评价，该项目压力容器爆炸重大事故发生可能性小。

但是，还有必要考虑容器爆破碎片能量及飞行距离的危险因素。

压力容器爆破时，壳体可以破裂为很多大小不等的碎片或碎块，向四周飞散抛掷，压力容器碎片飞离壳体时，一般有80～120m/s的初速，即使在飞离容器较远的地方也常有20～30m/s的速度。

具有很大的破坏力。

例如，某化肥厂合成氨设备进行系统气密试验时，由于试压空气中漏入可燃气体，造成系统的5个高压容器及管道全部炸成碎片，回收到的碎片仅占容器质量的10%，有一百多块，最远的飞离1500m，其中一块碎片飞行40～50m至另一个车间，破窗而入将1名工人砸死，另一块碎片飞出，将1名女工拦腰砍成两截，当场死亡；还有一块碎片飞出厂外，将1名少年的腿砸断。

因此，在制氢站周围35m范围区域不应布置人员集中的场所和重要生产装置，毗邻建筑物应采取必要的防爆措施，如门窗不应朝向爆源，建筑结构应采用钢筋混凝土结构等。

同时，由于氢气属于易燃气体和爆炸性气体，且爆炸极限范围较宽（4%～75%）。

氢贮罐爆破事故后，极易引发二次爆炸、火灾事故。

因此，其周边安全防护距离内的场所必须采用防爆电气安全技术措施，并且在制氧站周边35m范围毗邻区域应避免布置散发火花、明火的场所。

与周边单位、居民、农民应签订安全管理责任书和加强安全教育，杜绝明火、火源，严禁在制氢站外河滩地烧桔杆。