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事故后果模拟分析方法,内蒙古吉安劳动安全评价有限责任公司 王国杰,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。,2.1 泄漏情况分析,1)泄漏的主要设备 根据各种设备泄漏情况分析,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。 各设备泄漏情况裂口尺寸见资料。,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。 (2)设备原因。 (3)管理原因 。 (4)人为失误。 具体详见资料。,2.2 泄漏量的计算,当发生泄漏的设备的裂口是规则的,而且裂口尺寸及泄漏物质的有关热力学、物理化学性质及参数已知时,可根据流体力学中的有关方程式计算泄漏量。当裂口不规则时,可采取等效尺寸代替;当遇到泄漏过程中压力变化等情况时,往往采用经验公式计算。 (经验公式?),3)泄漏后果,泄漏一旦出现,其后果不单与物质的数量、易燃性、毒性有关,而且与泄漏物质的相态、压力、温度等状态有关。这些状态可有多种不同的结合,在后果分析中,常见的可能结合有4种: (1)常压液体; (2)加压液化气体; (3)低温液化气体; (4)加压气体。,泄漏物质的物性不同,其泄漏后果也不同。 (1)可燃气体泄漏。可燃气体泄漏后与空气混合达到燃烧极限时,遇到引火源就会发生燃烧或爆炸。泄漏后起火的时间不同,泄漏后果也不相同。 立即起火。可燃气体从容器中往外泄出时即被点燃,发生扩散燃烧,产生喷射性火焰或形成火球,它能迅速地危及泄漏现场,但很少会影响到厂区的外部。 滞后起火。可燃气体泄出后与空气混合形成可燃蒸气云团,并随风飘移,遇火源发生爆炸或爆轰,能引起较大范围的破坏。 (2)有毒气体泄漏。有毒气体泄漏后形成云团在空气中扩散,有毒气体的浓密云团将笼罩很大的空间,影响范围大。 (3)液体泄漏。一般情况下,泄漏的液体在空气中蒸发而生成气体,泄漏后果与液体的性质和贮存条件(温度、压力)有关。 常温常压下液体泄漏。这种液体泄漏后聚集在防液堤内或地势低洼处形成液池,液体由于池表面风的对流而缓慢蒸发,若遇引火源就会发生池火灾。 加压液化气体泄漏。一些液体泄漏时将瞬时蒸发,剩下的液体将形成一个液池,吸收周围的热量继续蒸发。液体瞬时蒸发的比例决定于物质的性质及环境温度。有些泄漏物可能在泄漏过程中全部蒸发。 低温液体泄漏。这种液体泄漏时将形成液池,吸收周围热量蒸发,蒸发量低于加压液化气体的泄漏量,高于常温常压下液体的泄漏量。 无论是气体泄漏还是液体泄漏,泄漏量的多少都是决定泄漏后果严重程度的主要因素,而泄漏量又与泄漏时间长短有关。,1)液体泄漏量,液体泄漏速度可用流体力学的柏努利方程计算,其泄漏速度为:,(1),式中 Q0液体泄漏速度,kg/s; Cd液体泄漏系数,按表1选取; A裂口面积,m2; 泄漏液体密度,kg/m3; p容器内介质压力,Pa; p0环境压力,Pa; g重力加速度,9.8m/s2; h裂口之上液位高度,m。,继续,雷诺数介绍,测量管内流体流量时往往必须了解其流动状态、流速分布等。雷诺数就是表征流体流动特性的一个重要参数。 流体流动时的惯性力Fg和粘性力(内摩擦力)Fm之比称为雷诺数。用符号Re表示。Re是一个无因次量。,式中,式中的动力粘度用运动粘度来代替,因,则,式中:流体的平均速度; l 流束的定型尺寸; 、在工作状态;流体的运动粘度和动力粘度被测流体密度;由上式可知,雷诺数Re的大小取决于三个参数,即流体的速度、流束的定型尺寸以及工作状态下的粘度(流体工作状态下的粘度怎么求得,仪器测量?)。,用圆管传输流体,计算雷诺数时,定型尺寸一般取管道直径(D),则 用方形管传输流体,管道定型尺寸取当量直径(Dd)。当量直径等于水力半径的四倍。对于任意截面形状的管道,其水力半径等于管道戳面积与周长之比所以长和宽分别为A和B的矩形管道,其当量直径 对于任意截面形状管道的当量直径,都可按截面积的四倍和截面周长之比计算,因此,雷诺数的计算公式为,返回,对于常压下的液体泄漏速度,取决于裂口之上液位的高低;对于非常压下的液体泄漏速度,主要取决于窗口内介质压力与环境压力之差和液位高低。 当容器内液体是过热液体,即液体的沸点低于周围环境温度,液体流过裂口时由于压力减小而突然蒸发。蒸发所需热量取自于液体本身,而容器内剩下的液体温度将降至常压沸点。在这种情况下,泄漏时直接蒸发的液体所占百分比F可按下式计算: (2) 式中 cp液体的定压热容,J/(kgK); T泄漏前液体的温度,K; T0液体在常压下的沸点,K; H液体的气化热,J/kg。 按式(2)计算的结果,几乎总是在01之间。事实上,泄漏时直接蒸发的液体将以细小烟雾的形式形成云团,与空气相混合而吸收热蒸发。如果空气传给液体烟雾的热量不足以使其蒸发,由一些液体烟雾将凝结成液滴降落到地面,形成液池。根据经验,当F02时,一般不会形成液池;当F02时,F与带走液体之比有线性关系,即当F=0时,没有液体带走(蒸发);当F=01时,有50的液体被带走。,2)气体泄漏量,气体从裂口泄漏的速度与其流动状态有关。因此,计算泄漏量时首先要判断泄漏时气体流动属于音速还是亚音速流动,前者称为临界流,后者称为次临界流。 当式(3)成立时,气体流动属音速流动: (3) 当式(4)成立时,气体流动属亚音速流动: (4) 式中 p容器内介质压力,Pa; p0环境压力,Pa; k气体的绝热指数,即定压热容cp与定容热容cv之比。,气体呈音速流动时,其泄漏量为: (5) 气体呈亚音速流动时,其泄漏量为: (6) 上两式中,Cd气体泄漏系数,当裂口形状为圆形时取1.00,三角形时取0.95,长方形时取0.90; A裂口面积,m2 p容器内介质压力,Pa; Y气体膨胀因子,它由下式计算: (7) M分子量; 气体密度,kg/m3; R气体常数,J(molK);(通用气体常数R 8314.3 J(molK) T气体温度,K。 当容器内物质随泄漏而减少或压力降低而影响泄漏速度时,泄漏速度的计算比较复杂。如果流速小或时间短,在后果计算中可采用最初排放速度,否则应计算其等效泄漏速度。,3)两相流泄漏量,在过热液体发生泄漏时,有时会出现气、液两相流动。均匀两相流的泄漏速度可按下式计算: (8) 式中 Q0两相流泄漏速度,kg/s; Cd两相流泄漏系数,可取08; A裂口面积,m2; P两相混合物的压力,Pa; Pc临界压力,Pa,可取pc=0.55Pa; 两相混合物的平均密度,kg/m3,它由下式计算: (9) 1液体蒸发的蒸气密度,kg/m3; 2液体密度,kg/m3; Fv蒸发的液体占液体总量的比例,它由下式计算: (10) cp两相混合物的定压比热,J/(kgK); T两相混合物的温度,K; Tc临界温度,K; H液体的气化热,J/kg。 当Fv1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。,2.3 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, (11) 连续泄漏(泄漏持续10min以上)时, (12) 式中 r液池半径,m; m泄漏的液体质量,kg; g重力加速度,98ms2; 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Q1可由下式计算: (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Q1按下式计算: (14) 式中A1液池面积,m2; T0环境温度,K; Tb液体沸点,K; H液体蒸发热,Jkg; L液池长度,m; 热扩散系数,m2s,见表2; K导热系数,J(mK),见表2; t蒸发时间,s; Nu努舍尔特(Nusselt)数(努塞尔数 )。(是传热膜系数与特征长度L的乘积除以流体热导率所得的数群。 具体取值多少?),质量蒸发:当地面传热停止时,热量蒸发终止,转而由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: (15) 式中 分子扩散系数,m2/s;(取值多少? ) Sh舍伍德(Sherwood)数(是反映包含有待定传质系数的无因次数群,类似于传热中的努塞特数,以符号Sh或Nsh表示。它是由三个物理量组成,即Sh=kL/DAB。式中:k为传质系数,m/s;L为特性尺寸,m;DAB为溶质A在溶剂中B中的特性系数,m2/s。 ); A液池面积,m2; L液池长度,m; 1液体的密度,kg/m3。,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: (16) 式中D等价喷射孔径,m; D0裂口孔径,m; 0泄漏气体的密度,kg/m3; 周围环境条件下气体的密
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