作者介绍：
杜建华1 扈洁琼2
1.北京科技大学 2.中国寰球工程公司
摘要
本文基于爆炸冲击波峰值在控爆设计中的重要性，探讨应用定量风险分析软件Phast，采用最不利状况和累积频率两种不同模拟方法，得出超压峰值。对模拟结果进行比较，并对超压峰值提出建议性计算方法。
关键字
控制室设计；超压峰值；Phast；最不利状况；累计频率
引言
随着科技的发展，石化企业向着大型化、一体化、智能化方向转变。控制室作为生产操作自动化， 经营管理信息化，生产管理与过程控制管理一体化的承载者，对企业起着至关重要的作用，控制室设计，也受到企业与设计人员越来越多的关注[1]。
石化企业中，蒸气云燃爆事故时有发生，控制室一旦受冲击波影响遭到破坏，会使整个厂区限于瘫痪，除造成严重的财产损失外，也直接威胁到控制室内操作人员的生命安全[2]。2009年，中华人民共和国工业和信息部发布了《石油化工控制室抗爆设计规范》SH/T 3160 -2009 ，以下简称《设计规范》[3]，预示着石化企业的风险管理上了一个新的台阶，为控制室的抗爆设计提供了理论依据。本文应用Phast软件，通过最不利状况和累积频率两种方法计算爆炸冲击波峰值。从计算步骤到结果分析，对两种方式进行比较，最后对超压峰值的计算方法提出建议。
1 控制室抗暴设计
《设计规范》主要涵盖建筑设计、结构设计和通风与空调设计三个方面。爆炸的冲击波峰值作为结构设计中的重要参数，按照《设计规范》要求，若没有进行评估时，可按照下列规定确定，并在设计文件中说明：冲击波峰值入射超压21kPa ，正压作用时间100ms ；或冲击波峰值入射超压69kPa ，正压作用时间20ms ；爆炸冲击波形：时间为零时至正压作用时间，峰值入射超压从最大到零的三角形分布。
但各个项目均有其各自的特点，不同的工艺流程，不同的物料介质以及不同的厂区布局，其爆炸冲击波对控制室的影响势必是不同的。各项目需要分别进行分析模拟。Phast模块作为定量风险分析软件之一，可计算爆炸冲击波及作用时间。为更直观清楚的介绍计算过程及方法，以某化工装置为例，其平面布置方框图，如图1。
此处的工艺区定义为可能发生爆炸的场所（Po-tential Explosion Site），即工艺管线密集区。控制室的结构设计，需要抵抗工艺区1、2、3发生可燃气体或液体泄漏时产生的蒸气云爆炸冲击波。下文则通过两种方式来进行计算和比较。
无论何种计算方法、工艺流程图、热量与物料平衡表、平面布置图都是必不可少的输入资料。
2 最不利状况
选取最不利状况，是设计中的一种常见方法。以消防设计为例，按照最大用水量与最不利点的用水压力来计算消防用水量，以此确定消防水罐容量和消防水泵的压力和扬程[4]。此种方式可以保证系统的稳定性和可靠性。
本文所指的最不利状况计算方法，是通过将建筑物暴露在周边工艺装置区所引起的最大危害事件，后果最严重，具有合理的发生概率，通过抗爆力设计使建筑物可以抵御最不利状况的超压峰值。
通过对输入资料进行数据选取和分析，确保每个可能泄漏点所产生的爆炸影响最严重，同时结合图1的平面布置，主要设计参数，见表1。
通过Phast模拟计算，可以得出如下计算结果：
工艺区1对控制室产生的爆炸冲击波峰值为0.8psi，工艺区2到控制室产生的爆炸冲击波峰值为4.2psi，工艺区3到控制室产生的爆炸冲击波峰值为30 psi。由此可见，工艺区3产生的爆炸冲击波对控制室的影响最大。
在实际设计中，可通过改变全厂布局来减少爆炸冲击波影响。如将工艺区3的位置与工艺区1进行调换，再次用Phast软件进行核算，检验调换后爆炸模拟结果。但另外一些情况，受到工艺条件，地理位置及其他因素的限制，无法对布局进行调整。则在控制室的抗爆设计中，需要进行更严格的计算及材料选择，以满足抗爆要求。
3 累计频率
累计频率法是将爆炸发生的概率作为参考因素，进行爆炸后果模拟的一种计算方法。根据可接受风险标准，确定建筑物所能承受的爆炸超压值[5]。累计频率法将一万年发生一次事故作为控制室抗爆设计的设计基础[6]。累计频率法包含以下几个步骤：危险源辨识和 可能导致泄露的情景分析；每种危险情景后果模拟；预测每种情景下爆炸发生的概率；绘制累积频率－ 爆炸超压曲线；确定在累计频率下的超压峰值[7]。表2和3提供了累计频率法的应用实例。危险源辨识及后果模拟完成后，P hast软件可预测事故发生概率。然后按照爆炸超压值降序排列方式，对事故发生概率进行排序。累计频率则是通过两排概率之和得到。
根据上述原则，事故发生后的累计频率，见表3。超压峰值与累计频率的关系图，如图2。
累计频率在1×10-4对应的超压峰值，为上述实例中，建筑物进行抗爆设计所需要承受的爆炸冲击波，约390mbar。基于以上原则，建筑物应按抵御一万年发生一次事故概率进行设计，以保护建筑物中的人员。
累计频率法介绍完成后，按相似的步骤，对某化工厂（图1）的控制室进行抗爆设计。选取若干泄露点，进行后果模拟后，可得出超压峰值为4psi（计算方法与步骤同上）。
4 结论
基于Phast软件，最不利状况的计算方法，可得出超压峰值的模拟结果为30psi；累计频率计算方法，得出超压峰值的模拟结果为4psi。由此可见，选择不同的计算方法，对模拟结果有直接而重大的影响。
最不利状况的计算方法是相对保守的，控制室抗爆设计可以抵御比较高的超压值，同时建造费用会相应提高，建筑物设计也会相对复杂，因此可称为保守的安全设计方案。
累计频率法将事故概率作为重要参数，绘制累计频率－爆炸超压曲线，将特定累计频率下对应的超压峰值作为抗爆设计输入条件。但对于不同国家、地区或项目类型，可接受的累计频率是不同的，因此在风险计算前，需要多方协商确定。并且在辨识危险源及危险情景后果模拟中，仍有些敏感参数，如泄漏点选择，管线长度确定等，需要斟酌考虑。
总之，两种计算方式各有利弊，但在实际项目中，设计人员更倾向于选择后则，将爆炸冲击波超压峰值控制在合理范围内，减少结构设计的设计难度。目前，我国业内还缺乏认可的导则或指南，但与此同时，也为定量风险分析创造了相互交流和探讨的空间。相信不久的将来，定量风险分析应用前景会更加广阔。
- 参考文献
[1] 王同尧，汉建德.石油化工控制室常见设计问题探讨[J]. 石油化工自动化，2012，48(1):5-13
[2] 翟良云，赵祥迪，袁纪武，等.石化行业控制室承爆风险评 估方法研究[J].中国安全科学学报，2009，19(6):133-138
[3] 中国石化集团洛阳石化工程公司.SH/T3160-2009石油化 工控制室抗爆设计规范[S].北京：中国石化出版社，2009
[4] 中国石油化工集团公司.GB50160-2008石油化工企业设 计防火规范[S].北京：中国计划出版社，2008
[5] H Goose.Location and design of occupiedbuildings-assessment-step by step[M].United Kingdom:The Health and Safety Execu tive,2000
[6] Bill Callaghan,Timothy Walker.Reducingrisks,protectingpeople, HSE’sdecision-makingprocess[M].United Kingdom:The Health and Safety Executive,2001
[7] 舒小芹.定量风险分析在化工安全设计中的应用探讨 [EB/OL].http://www.docin.com/p-68291842.html ， 2010-08-02
