事故后果模拟分析方法

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。•①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。•②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。•①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。•②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。•③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：ghppACQd2)(200(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；ρ——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。2SRegmFlSFl式中，式中的动力粘度η用运动粘度υ来代替，因η＝ρυ，则Rel式中：Υ——流体的平均速度；l——流束的定型尺寸；υ、η——在工作状态；流体的运动粘度和动力粘度ρ——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？）。lll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ReD242()dABABDABABRedD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/(kg·K)；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0～1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F＞0．2时，一般不会形成液池；当F＜0．2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=0．1时，有50％的液体被带走。0pTTFcH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。012()1kkPPk012()1kkPPk•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；•ρ——气体密度，kg/m3；•R——气体常数，J／(mol·K)；(通用气体常数R＝8314.3J／(mol·K))•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。110]12[kkdkRTMkAPCQ1102()1kkdMkQYCAPRTk}][1{][]21][11[102011kkkkkppppkkY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0．8；•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；•ρ——两相混合物的平均密度，kg/m3，它由下式计算：•(9)••ρ1——液体蒸发的蒸气密度，kg/m3；•ρ2——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/(kg·K)；•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。)(20cdppACQ2111vvFFHTTcFcpv)(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，9．8m／s2；•p——设备中液体压力，Pa；•t——泄漏时间，s。4]8[tpgmr413]32[pgmtr(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。①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。•②热量蒸发：当Fv＜1或Qt＜m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，J／kg；•L——液池长度，m；•α——热扩散系数，m2／s，见表2；•K——导热系数，J／(m·K)，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α与特征长度L的乘积除以流体热导率λ所得的数群。具体取值多少？）1/vQFmt10110()()bubKATTKNAQTTHLHat③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α——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=k′L/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；ρ1——液体的密度，kg/m3。11)(LAShQ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；•ρ0——泄漏气体的密度，kg/m3；•ρ——周围环境条件下气体的密度，kg/m3。•如果气体泄漏能瞬间达到周围环境的温度、压力状况，即ρ0=ρ，