事故后果模拟分析方法.pdf

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1、事故后果模拟分析方法事故后果模拟分析方法1 简 述简 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

2、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

3、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

4、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

5、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：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；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

6、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。2 S RegmFlSFl =式中，式中的动力粘度用运动粘度来代替，因，则Rel=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？）。l l l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

7、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

8、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。0pTTFcH=2)气体泄漏量气体从裂口泄漏的速度与其

9、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：(

10、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。11012+=kkdkRTMkAPCQ1102()1kkdMkQYC APRT k+=+1 2111102011kkkkkppppkkY+=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

11、，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。)(20cdppACQ=2111vvFF+=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

12、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，

13、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。48tpgmr=41332pgmtr=(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，

14、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

15、体取值多少？）1/vQF m t=10110()()bubKA TTKN AQTTHLHat=+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。11)(LAS

16、hQ =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：(17)式中 b1，b2分布函数，b1=50.5+48.29.952，b2=23+41 。其余符号意义同前。00DD =+=132. 0)(0121DxbbbxC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：(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，kg/m3；C(x)喷射轴线上距裂口x处的气体的质量浓度，kg/m3；b2分布参数，同前；y目标点到喷射轴线的距离，