1、1事故后果模拟分析方法1 简 述火灾、爆炸、中毒是常见的重大事故，经常造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失，影响社会安定。这里重点介绍有关火灾、爆炸和中毒事故(热辐射、爆炸波、中毒) 后果分析，在分析过程中运用了数学模型。通常一个复杂的问题或现象用数学模型来描述，往往是在一个系列的假设前提下按理想的情况建立的，有些模型经过小型试验的验证，有的则可能与实际情况有较大出入，但对辨识危险性来说是可参考的。2 泄 漏由于设备损坏或操作失误引起泄漏，大量易燃、易爆、有毒有害物质的释放，将会导致火灾、爆炸、中毒等重大事故发生。因此，事故后果分析由泄漏分析开始。21 泄漏情况分析1)泄漏的主要设备根据各种设备
2、泄漏情况分析，可将工厂(特别是化工厂) 中易发生泄漏的设备归纳为以下 10 类：管道、挠性连接器、过滤器、阀门、压力容器或反应器、泵、压缩机、储罐、加压或冷冻气体容器及火炬燃烧装置或放散管等。(1)管道。它包括管道、法兰和接头，其典型泄漏情况和裂口尺寸分别取管径的20100、20和 20100。(2)挠性连接器。它包括软管、波纹管和铰接器，其典型泄漏情况和裂口尺寸为：连接器本体破裂泄漏，裂口尺寸取管径的 20100；接头处的泄漏，裂口尺寸取管径的 20；连接装置损坏泄漏，裂口尺寸取管径的 100。(3)过滤器。它由过滤器本体、管道、滤网等组成，其典型泄漏情况和裂口尺寸分别取管径的20100和
3、20。(4)阀。其典型泄漏情况和裂口尺寸为：阀壳体泄漏，裂口尺寸取管径的 20100；阀盖泄漏，裂口尺寸取管径的 20；阀杆损坏泄漏，裂口尺寸取管径的 20。2(10)火炬燃烧器或放散管。它们包括燃烧装置、放散管、多通接头、气体洗涤器和分离罐等，泄漏主要发生在简体和多通接头部位。裂口尺寸取管径的 20100。2)造成泄漏的原因从人机系统来考虑造成各种泄漏事故的原因主要有 4 类。(1)设计失误。基础设计错误，如地基下沉，造成容器底部产生裂缝，或设备变形、错位等；选材不当，如强度不够，耐腐蚀性差、规格不符等；布置不合理，如压缩机和输出管没有弹性连接，因振动而使管道破裂；选用机械不合适，如转速过高
4、、耐温、耐压性能差等；选用计测仪器不合适；储罐、贮槽未加液位计，反应器(炉) 未加溢流管或放散管等。(2)设备原因。加工不符合要求，或未经检验擅自采用代用材料；加工质量差，特别是不具有操作证的焊工焊接质量差；施工和安装精度不高，如泵和电机不同轴、机械设备不平衡、管道连接不严密等；选用的标准定型产品质量不合格；对安装的设备没有按1 时，表明液体将全部蒸发成气体，这时应按气体泄漏公式计算；如果 Fv 很小，则可近似按液体泄漏公式计算。23 泄漏后的扩散如前所述，泄漏物质的特性多种多样，而且还受原有条件的强烈影响，但大多数物质从容器中泄漏出来后，都可发展成弥散的气团向周围空间扩散。对可燃气体若遇到引
5、火源会着火。这里仅讨论气团原形释放的开始形式，即液体泄漏后扩散、喷射扩散和绝热扩散。关于气团在大气中的扩散属环境保护范畴，在此不予考虑。1)液体的扩散液体泄漏后立即扩散到地面，一直流到低洼处或人工边界，如防火堤、岸墙等，形成液池。液体泄漏出来不断蒸发，当液体蒸发速度等于泄漏速度时，液池中的液体量将维持不变。如果泄漏的液体是低挥发度的，则从液池中蒸发量较少，不易形成气团，对厂外人员没有危险；如果着火则形成池火灾；如果渗透进土壤，有可能对环境造成影响，如果泄漏的是挥发性液体或低温液体，泄漏后液体蒸发量大，大量蒸发在液池上面后会形成蒸气云，并扩散到厂外，对厂外人员有影响。(1)液池面积。如果泄漏的液
6、体已达到人工边界，则液池面积即为人工边界围成的面积。如果泄漏的液体未达到人工边界，则从假设液体的泄漏点为中心呈扁圆柱形在光滑平面上扩散，这时液池半径 r 用下式计算：瞬时泄漏(泄漏时间不超过 30s)时， 48tpgmr(11)连续泄漏(泄漏持续 10min 以上) 时， 4132tr(12)式中 r液池半径，m；m泄漏的液体质量， kg；g重力加速度，98m s 2；p设备中液体压力，Pa；t泄漏时间，s。(2)蒸发量。液池内液体蒸发按其机理可分为闪蒸、热量蒸发和质量蒸发 3 种，下面分别介绍。闪蒸。过热液体泄漏后，由于液体的自身热量而直接蒸发称为闪蒸。发生闪蒸时液体蒸发速度 Qt 可由下式
7、计算： tmFQvt/(13)式中 Fv直接蒸发的液体与液体总量的比例；m泄漏的液体总量， kg；t闪蒸时间，s。热量蒸发。当 Fv1 或 Qtm 时，则液体闪蒸不完全 ，有一部分液体在地面形成液池，并吸收地面热量而气化，称为热量蒸发。热量蒸发速度 Qt 按下式计算： )()(010 bbt THLANuKtTAQ(14)式中 A1液池面积，m 2；T 0环境温度，K；T b液体沸点，K；H液体蒸发热，Jkg；L液池长度，m；热扩散系数，m 2 s，见表 2；K导热系数，J(mK) ，见表 2；t蒸发时间，s；7Nu努塞尔(Nusselt) 数。质量蒸发。当地面传热停止时，热量蒸发终止，转而由
8、液池表面之上气流运动使液体蒸发，称为质量蒸发。其蒸发速度 Q1 为： 1)(LASh(15)式中 分子扩散系数，m 2s；Sh舍伍德(Sherwood)数；A液池面积，m 2；L液池长度，m； 1液体的密度，kgm 3。2)喷射扩散气体泄漏时从裂口喷出，形成气体喷射。大多数情况下气体直接喷出后，其压力高于周围环境大气压力，温度低于环境温度。在进行气体喷射计算时，应以等价喷射孔口直径计算。等价喷射的孔口直径按下式计算： 0D(16)式中 D等价喷射孔径，m；D 0裂口孔径，m； 0泄漏气体的密度，kgm 3；周围环境条件下气体的密度，kgm 3。如果气体泄漏能瞬时间达到周围环境的温度、压力状况，
9、即 0=，则 D=D0。(1)喷射的浓度分布。在喷射轴线上距孔口 x 处的气体的质量浓度 C(x)为：132.0)(02DbxC(17)式中 b1，b 2分布函数，b 1=505+482995 2，b 2=23+41。其余符号意义同前。如果把式(17)改写成 x 是 C(x)的函数形式，则给定某质量浓度值 C(x)，就可算出具有浓度的点至孔口的距离 x。在过喷射轴线上点 x 且垂直于喷射轴线的平面内任一点处的气体质量浓度为：82)/()(,xybexC(18)式中 C(x，y)距裂口距离 x 且垂直于喷射轴线的平面内 y 点的气体浓度，kgm 3；C(x)喷射轴线上距裂口 x 处的气体的质量浓
10、度，kgm 3；b2分布参数，同前；y目标点到喷射轴线的距离，m 。(2)喷射轴线上的速度分布。喷射速度随着轴线距离增大而减少，直到轴线上的某一点喷射速度等于风速为止，该点称为临界点。临界点以后的气体运动不再符合喷射规律。沿喷射轴线上的速度分布由下式得出： 2010 )(132.4)( xDxbvx(19)式中 0泄漏气体的密度，kgm 3；周围环境条件下气体的密度，kgm 3；D等价喷射孔径， m；b1分布参数，同前；x喷射轴线上距裂口某点的距离，m ；)(v喷射轴线上距裂口 x 处一点的速度，m s；0喷射初速，等于气体泄漏时流出裂口时的速度，m s，200)(DCQvd(20)Q 0气体
11、泄漏速度，kg s ；Cd气体泄漏系数；D 0裂口直径，m。当临界点处的浓度小于允许浓度(如可燃气体的燃烧下限或者有害气体最高允许浓度) 时，只需按喷射来分析；若该点浓度大于允许浓度时，则需要进一步分析泄漏气体在大气中扩散的情况。3)绝热扩散闪蒸液体或加压气体瞬时泄漏后，有一段快速扩散时间，假定此过程相当快以致在混合气团和周围环境之间来不及热交换，则称此扩散为绝热扩散。根据 TNO(1979 年)提出的绝热扩散模式，泄漏气体(或液体闪蒸形成的蒸气) 的气团呈半球形向外扩散。根据浓度分布情况，把半球分成内外两层，内层浓度均匀分布，且具有 50的泄漏量；外层浓度呈高斯分布，具有另外 50的泄漏量。
12、绝热扩散过程分为两个阶段，第一阶段气团向外扩散至大气压力，在扩散过程中，气团获得动能，称为“扩散能” ；第二阶段，扩散能再将气团向外推，使紊流混合空气进入气团，从而使气团范围扩大。当内层扩散速度降到一定值时，可以认为扩散过程结束。(1)气团扩散能。在气团扩散的第一阶段，扩散的气体( 或蒸气)的内能一部分用来增加动能，对周围大气做功。假设该阶段的过程为可逆绝热过程，并且是等熵的。气体泄漏扩散能。根据内能变化得出扩散能计算公式如下：E=cV(T1T2)098p 0(V2V1) (21)式中 E气体扩散能，J；cV比定容热容，J(kg K)；T1气团初始温度，K ；T2气团压力降至大气压力时的温度，
13、K ；p0环境压力，Pa；V1气团初始体积， m3；V2气团压力降至大气压力时的体积， m3。闪蒸液泄漏扩散能。蒸发的蒸气团扩散能可以按下式计算：E=H1H2Tb(S1 一 S2)W098(p 1p0)V1 (22)9式中 E闪蒸液体扩散能，J；H1泄漏液体初始焓； Jkg；H2泄漏液体最终焓； Jkg；Tb 液体的沸点，K ；S1液体蒸发前的熵，J(kg K)；S2液体蒸发后的熵，J(kg K)；W液体蒸发量，kg；p1初始压力，Pa；p0周围环境压力，Pa；V1初始体积，m3。(2)气团半径与浓度。在扩散能的推动下气团向外扩散，并与周围空气发生紊流混合。内层半径与浓度。气团内层半径 R，和
14、浓度 C 是时间函数，表达如下：tKd72.1(23)30)(59tVCd(24)式中 t扩散时间，s；V 0在标准温度、压力下气体体积， m3；Kd紊流扩散系数，按下式计算： 4103017.EtVKd(25)如上所述，当中心扩散速度(dRdt)降到一定值时，第二阶段才结束。临界速度的选择是随机的且不稳定的。设扩散结束时扩散速度为 1 ms，则在扩散结束时内层半径 R1 和浓度 C 可按下式计算： 310.87.VRt(26)9.52EC(27)外层半径与浓度。第二阶段末气团外层的大小可根据试验观察得出，即扩散终结时外层气团半径 R2 由下式求得：R2=1456R 1 (28)式中 R2，R
15、 1分别为气团内层、外层半径，m。外层气团浓度自内层向外呈高斯分布。3 火 灾易燃、易爆的气体、液体泄漏后遇到引火源就会被点燃而着火燃烧。它们被点燃后的燃烧方式有池火、喷射火、火球和突发火 4 种。31 池 火可燃液体(如汽油、柴油等 )泄漏后流到地面形成液池，或流到水面并覆盖水面，遇到火源燃烧而成池火。1)燃烧速度当液池中的可燃液体的沸点高于周围环境温度时，液体表面上单位面积的燃烧速度 dmdt 为：HTcdtmbpC)(01.(29)式中 dmdt单位表面积燃烧速度，kg(m 2s)；Hc液体燃烧热；Jkg；cp液体的比定压热容；J(kgK) ；Tb液体的沸点，K ；T0环境温度，K；10
16、H液体的气化热， Jkg。当液体的沸点低于环境温度时，如加压液化气或冷冻液化气，其单位面积的燃烧速度 dmdt 为：HdtmC01.(30)式中符号意义同前。燃烧速度也可从手册中直接得到。表 3 列出了一些可燃液体的燃烧速度。表 3 一些可燃液体的燃烧速度2)火焰高度设液池为一半径为 r 的圆池子，其火焰高度可按下式计算： 6.0210)(/84grdtmh(31)式中 h火焰高度；m；r液池半径；m； 0周围空气密度，kgm 3；g重力加速度，98m s 2；dmdt燃烧速度，kg(m 2s)。3)热辐射通量当液池燃烧时放出的总热辐射通量为： 1)(72/)2( 60.dtmHdtrhQC(
17、32)式中 Q总热辐射通量， W；效率因子，可取 013035；其余符号意义同前。4)目标入射热辐射强度假设全部辐射热量由液池中心点的小球面辐射出来，则在距离池中心某一距离(X)处的入射热辐射强度为： 24XQtIc(33)式中 I热辐射强度，wm 2；Q总热辐射通量； W；tc热传导系数，在无相对理想的数据时，可取值为 1；X目标点到液池中心距离， m。32 喷射火加压的可燃物质泄漏时形成射流，如果在泄漏裂口处被点燃，则形成喷射火。这里所用的喷射火辐射热计算方法是一种包括气流效应在内的喷射扩散模式的扩展。把整个喷射火看成是由沿喷射中心线上的全部点热源组成，每个点热源的热辐射通量相等。点热源的热辐射通量按下式计算： CHQq0(34)
