事故后果模拟分析.docx

1、事故后果模拟分析2。2事故后果模拟分析法火灾、爆炸、中毒就是常见得重大事故,经常造成严重得人员伤亡与巨大得财产损失,影响社会安定。这里重点介绍有关火灾、爆炸与中毒事故(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、通常一个复杂得问题或现象用数学模型来描述,往往就是在一个系列得假设得前提下按理想得情况建立得,有递增模型经过小型试验得验证,有得则可能与实际情况有较大出入,但对辨识危险性来说就是可参考得。.2. 泄漏由于设备损坏或操作失误引起泄漏,大量易燃、易爆、有毒有害物质得释放,将会导致火灾、爆炸、中毒等重大事故发生,因此,后果分析由泄漏分析开始。2。1、1 泄漏情况分析。1、1、

2、1泄漏得主要设备根据各种设备泄漏情况分析,可将工厂(特别就是化工厂)中易发生泄漏得设备归纳为以下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,火炬燃烧装置或放散管等。 管道。它包括管道、法兰与接头,其典型情况与裂口尺寸分别取管径得2000、20%与0%100。挠性连接器。它包括软管、波纹管与铰接器,其典型泄漏情况与裂口尺寸为:连接器本体破裂泄漏,裂口尺寸取管径得20%1;接头处得泄漏,裂口尺寸取管径得0%;连接装置损坏泄漏,裂口尺寸取管径得100%、过滤器。它由过滤器本体、管道、滤网等组成,其典型泄漏情况与裂口尺寸分别取管径得20%100%与0

3、%。阀、其典型泄漏情况与裂口尺寸为:阀壳体泄漏,裂口尺寸取管径得2100%;阀盖泄漏,裂口尺寸取管径得20%;阀杆损坏泄漏,裂口尺寸取管径得%。压力容器或反应器、包括化工生产中常用得分离器、气体洗涤器、反应釜、热交换器、各种罐与容器等、其常见得此类泄漏情况与裂口尺寸为:容器破裂而泄漏,裂口尺寸取容器本身尺寸;容器本体泄漏,裂口尺寸取与其连接得粗管道管径得100%;孔盖泄漏,裂口尺寸取管径得2;喷嘴断裂而泄漏,裂口尺寸取管径得00%;仪表管路破裂泄漏,裂口尺寸取管径得20%100%;容器内部爆炸,全部破裂。泵、其典型泄漏情况与裂口尺寸为:泵体损坏泄漏,裂口尺寸取与其连接管径得2010;密封压盖处

4、泄漏,裂口尺寸取管径得2;压缩机、包括离心式、轴流式与往复式压缩机,其典型泄漏情况与裂口尺寸为:压缩机机壳损坏而泄漏,裂口尺寸取与其连接管道管径得2%10%;压缩机密封套泄漏,裂口尺寸取管径得0、储罐。露天储存危险物质得容器或压力容器,也包括与其连接得管道与辅助设备,其典型泄漏情况与裂口尺寸为:罐体损坏而泄漏,裂口尺寸为本体尺寸;接头泄漏,裂口尺寸为与其连接管道管径得201;辅助设备泄漏,酌情确定裂口尺寸、加压或冷冻气体容器、包括露天或埋地放置得储存器、压力容器或运输槽车等,其典型泄漏情况与裂口尺寸为:露天容器内部气体爆炸使容器完全破裂,裂口尺寸取本体尺寸;容器破裂而泄漏,裂口尺寸取本体尺寸;

5、焊接点(接管)断裂泄漏,取管径得2000%。火炬燃烧器或放散管。它们包括燃烧装置、放散管、多通接头、气体洗涤器与分离罐等,泄漏主要发生在筒体与多通接头部位,裂口尺寸取管径得20%100%、表2-1典型泄漏情况与裂口尺寸取值表序号设备典型泄漏情况裂口尺寸取值管道包括管道、法兰与接头管道泄漏管径得2000法兰泄漏管径得2接头泄漏管径得%102绕性连接器包括软管、波纹管与铰接器连接器本体破裂泄漏管径得2100%接头处得泄漏管径得0连接装置损坏泄漏管径得0%3过滤器由过滤器本体、管道、滤网等组成本体泄漏管径得2000%管道泄漏管径得2000滤网泄漏管径得20%4阀阀壳体泄漏管径得20100阀盖泄漏管径

6、得20%阀杆损坏泄漏管径得205压力容器或反应器包括化工生产中常用得分离器、气体洗涤器、反应釜、热交换器、各种罐与容器等容器破裂而泄漏容器本身尺寸容器本体泄漏与其连接得粗管道管径得100孔盖泄漏管径得20%喷嘴断裂而泄漏管径得100%仪表管路破裂泄漏管径得2%10容器内部爆炸全部破裂6泵泵体损坏泄漏与其连接管径得2100密封压盖处泄漏管径得20%7压缩机包括离心式、轴流式与往复式压缩机压缩机机壳损坏泄漏与其连接管径得200压缩机密封套泄漏管径得208储罐露天储存危险物质得容器或压力容器罐体损坏而泄漏裂口尺寸为本体尺寸接头泄漏与其连接管道管径得20100辅助设备泄漏酌情确定裂口尺寸9加压或冷冻气

7、体容器包括露天或埋地放置得储存器、压力容器或运输槽车等露天容器内部气体爆炸使容器完全破裂本体尺寸容器破裂而泄漏本体尺寸焊接点(接管)断裂泄漏管径得20%10010火炬燃烧器或放散管包括燃烧装置、放散管、多通接头、气体洗涤器与分离罐等筒体与多通接头部位泄漏管径得200%2。1.。2造成泄漏得原因从人机系统来考虑造成各种泄漏事故得原因主要有四类: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,如压缩机与输出管道没有弹性连接,因振动而使管道破裂;选用机械不合适,如转速过高,耐温、耐压性能差等;选用计测仪器不合适;储

8、罐、储槽未加液位计,反应器(炉)未加溢流管或放散管等。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,特别就是不具有操作证得焊工焊接质量差;施工与安装精度不高,如泵与电动机不同轴,机械设备不平衡,管道连接不严密等;选用得标准定型产品质量不合格;对安装得设备未按机械设备安装工程及验收规范进行验收;设备长期使用后未按规定检修期进行检修,或检修质量差造成泄漏;计测仪表未定期校验,造成计量不准;阀门损坏或开关泄漏,又未及时更换;设备附件质量差,或长期使用后材料变质、腐蚀或破裂等。管理原因没有制定完善得安全操作规程;对安全漠不关心,已发现问题不及时解决;没有严格执行监督检查制度;指挥错误

9、,甚至违章指挥;让未经培训得工人上岗,知识不足,不能判断错误;检修制度不严,没有及时检修已出现故障得设备,使设备带病运转。人为失误误操作,违反操作规程;判断失误,如记错阀门位置或开错阀门;擅自离岗;思想不集中;发现异常现象不知如何处理;2.。1。1.3泄漏后果泄漏一旦出现,其后果不单与物质得数量、易燃性、毒性有关,而且与泄漏物质得相态、压力、温度等状态有关、这些状态可有多种不同得结合,在后果分析中,常见得可能结合有4种: 常压液体;加压液化气体;低温液化气体;加压气体、泄漏物质得物性不同,其泄漏后果也不同。可燃气体泄漏可燃气体泄漏后与空气混合达到爆炸极限时,遇到引火源就会发生燃烧或爆炸、泄漏后

10、起火得时间不同,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得外部、泄后起火、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,能引起较大范围得破坏、有毒气体泄漏有毒气体泄漏形成云团在空气中扩散,有毒气体得浓密云团将笼罩很大得空间,影响范围大。液体泄漏一般情况下,泄漏得液体在空气中蒸发而生成气体,泄漏后果与液体得性质与储存条件(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,液体由于持表面风得对流而缓慢蒸发,若遇引火源就会发生池

11、火灾、加压液化气体泄漏、一些液体泄漏时将瞬间蒸发,剩下得液体将形成一个液池,吸收周围得热量继续蒸发。液体瞬时蒸发得比例决定于物质得性质及环境温度。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得泄漏量,高于常温常压下液体得泄漏量、无论就是气体泄漏还就是液体泄漏,泄漏量得多少都就是决定后果严重程度得主要因素,而泄漏量又与泄漏时间长短有关、2.2。1。2 泄漏量得计算 当发生泄漏得设备得裂口就是规则得,而且裂口尺寸及泄漏物质得有关热力学、物理化学性质及参数已知时,可根据流体力学中得有关方程式计算泄漏量。当裂口不规则时,可采取等效

12、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。(1)液体泄漏计算液体泄漏速度可用流体力学得伯努利方程计算,其泄漏速度为:0CdA(2+P0+gh)12 (1)式中Q0液体泄漏速度,gs;Cd-液体泄漏系数,按表选取;A 裂口面积,2;-泄漏液体密度,m3;p 容器内介质压力,Pa;p0环境压力,P;重力加速度,9.8ms;h -裂口之上液位高度,m;表2-2液体泄漏系数d雷诺数(R)裂口形状圆形(多边形)三角形长方形1000、65、600、55100、50。450.4对于常压下得液体泄漏速度,取决于裂口之上液位得高低;对于非常压下得液体泄漏速度,主要取决于容器内介质与环境压

13、力之差与液位高低。当容器内液体就是过热液体,即液体得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,而容器内剩下液体得温度将降至常压沸点。在这种情况下,泄漏时直接蒸发得液体所占百分比可按下式计算:F=Cp(T0)/H (2)式中 C-液体得定压比热,JkgK;T-泄漏前液体得温度,K;T-液体在常压下得沸点,K;H 液体得气化热,kg;按式()计算得结果,几乎总就是在01之间。事实上,泄漏时直接蒸发得液体将以细小烟雾得形式形成云团,与空气相混合而吸收蒸发、如果空气传给液体烟雾得热量不足以使其蒸发,有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,

14、当F0。2时,一般不会形成液池;当F.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得液体被带走。(2)气体泄漏量计算气体从裂口泄漏得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就是亚音速流动,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:0/p2/(k+1)k/(k-) (3)当式(4)成立时,气体流动属亚音速流动:p0p2/(+1)k/(k-1) (4)式中p0、p-符号意义同前;k气体得绝热指数,即定压比热C与定容比热Cv之比、气体呈音速流动时,其泄漏量为:Q0dA(MkRT)(2/(k1)

15、k+1/(-)/2 (5)气体呈亚音速流动时,其泄漏量为:Q0Yd(MkT)(2/(k1)k+1/(k-1)12 ()上两式中 C气体泄漏系数,当裂口形状为圆形时取1。00,三角形时取0。9,长方形时取0.;Y气体膨胀因子,它由下式计算:(1/(k1)(1)/)+1/k(p0/p)2/1-(p0/p)(k1)/k12(7)M分子量;-气体密度,kg/m;气体常数,JmolK;T气体温度,。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,泄漏速度得计算比复杂。如果流速小或时间短,在后果计算中可采用最初排放速度,否则应计算等效泄漏速度。(3)两相流动泄漏量计算在过热液体发生泄漏时,有时会出现气

16、、液两相流动。均匀两相流动得泄漏速度可按下式计算:QCdA2(-p)12 (8)式中Q0两相流动混合物泄漏速度,kg/s;Cd-两相流动混合物泄漏系数,可取。; -裂口面积,m ;p两相混合物得压力,P;pc -临界压力,Pa,可取pc=0、5;两相混合物得平均密度,/m3,它由下式计算:=1(Fv/1+(1Fv)2) (9) -液体蒸发得蒸气密度,kg3 ; - 液体密度,/m ;Fv-蒸发得液体占液体总量得比例,它由下式计算:Fv=p(T-Tc)/H (0)Cp -两相混合物得定压比热,/kK;T 两相混合物得温度,K;Tc- 临界温度,K;- 液体得气化热,J/。当1时,表面液体将全部蒸

17、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。.1、3 泄漏后得扩散如前所述,泄漏物质得特性多种多样,而且还受原有条件得强烈影响,但大多数物质从容器中泄漏出来后,都可发展成弥散得气团向周围空气扩散。对可燃气体若遇到引火源会着火、这里仅讨论气团圆形释放得开始形式,即液体泄漏后扩散、喷射扩散与绝热扩散。关于气团在大气中扩散属环境保护范畴,在此不予考虑。1）液体得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,液池中得液体量将维持不变。如果泄漏得液体时就是低挥发度得,则从液池中

18、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。如果泄漏得时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对扩散到厂外,对厂外人员有影响。(1)液池面积如果泄漏得液体已达到人工边界,则液池面积即为人工边界围成得面积。如果泄漏得液体未达到人工边界,则将假设液体得泄漏点为中心呈扁圆柱形在光滑表面上扩散,这时液池半径用下式计算:瞬时泄漏(泄漏时间不超过30s)时: ()连续泄漏(持续泄漏10mi以上)时:r=(32gmt3/p)1 (12)上述两式中:r液池半径,m;-泄漏得液体质量,kg;g重力加速度,98m/

19、s2;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、热量蒸发与质量蒸发三种。下面分别介绍、闪蒸:过热液体泄漏后,由于液体得自身热量而直接蒸发称为闪蒸。发生闪蒸时液体蒸发速度Q可由下式计算:Q1=Fvm/t ()式中Fv-直接蒸发得液体与液体总量得比例;m泄漏得液体总量,k;t-闪蒸时间,s。热量蒸发:当Fv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 A液池面积,;T0环境温度,K;Tb液体沸点,K;液体蒸发热,/kg;L-液池长度,m;-热扩散系数,/s,见表;

20、K-导热系数,J/mK,见表;t-蒸发时间,;u努舍尔特(Nusselt)数、表示对流传热系数得准数。Nu=C(Gr*r)n=Cl(Cpgt/)= C(Cal3/K)n*/l体积膨胀系数;K-1;T-液体温度;K;T0地面温度;-粘度;P液体密度;kg/m3表2-3 某些地面得热传递性质地面情况K(Jm11)(1)水泥土地(含水率8)干涸土地湿地砂砾地1、10、9、30。2.51、291074。31072。31-。1。1-7表221、取值范围(Gr*)范围C10414-19191012、360。590.10/514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,

21、称为质量蒸发、其蒸发速度Q为: ()式中a分子扩散系数,/;-舍伍德(serwoo)数;性质:就是反映包含有待定传质系数得无因次数群,类似于传热中得努塞特数,以符号Sh或s表示。它就是由三个物理量组成,即ShkAB。式中:k为传质系数,m/s;L为特性尺寸,m;AB为溶质A在溶剂中中得特性系数,m2/s。 时而-液池面积,m2;L 液池长度,;1液体得密度,/。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。等价喷射得孔口直径下式计算: (16)式中 D-等价喷射孔径,m;

22、0-孔口孔径,;0泄漏气体得密度,/3;-周围环境条件下气体得密度,3、如果气体泄漏能瞬时间达到周围环境得温度、压力状况,即=,则DD0。(1)喷射得浓度分布 在喷射轴线上距孔口x处得气体浓度(x)为: (17)式中 b1、b2-分布函数,其表达式如下:b1=50.548、29、95b=231其余符号意义同前。如果把式(1)改写成x就是C(x)得函数形式,则给定某浓度值C(x),就可算出具有该浓度得点至孔口得距离x、在过喷射轴线上点x且垂直于喷射轴线得平面内任一点处得气体浓度为: (8)式中C(x,y)距裂口距离x且垂直于喷口轴线得平面内点得气体浓度,/m3;(x)-喷射轴线上距裂口x处得气体

23、浓度,/m;b-分布参数,同前;y目标点到喷射轴线得距离,m、(2)喷射轴线上得速度分布喷射速度随着轴线距离增大而减少,直到轴线上得某一点喷射速度等于风速为止,该点称为临界点。临界点以后得气体运动不再符合喷射规律、沿喷射轴线上得速度分布由下式得出: (19)式中0泄漏气体得密度,/m3;-周围环境条件下气体得密度,/m3;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得距离,m;V()喷射轴线上距裂口处一点得速度,m/s;V0-喷射初速度,等于气体泄漏时流出裂口时得速度,m/s,按下式计算: (20)Q0气体泄漏速度,s;C-气体泄漏系数;D0裂口直径,m;当临界点处得浓度

24、小于允许浓度(如可燃气体得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得情况。(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与周围环境之间来不及热交换,则称此扩散为绝热扩散。根据NO(997年)提出得绝热扩散模式,泄漏气体(或液体闪蒸形成得蒸汽)得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%得泄漏量;外层浓度呈高斯分布,具有另外0得泄漏量。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“

25、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得第一阶段,扩散得气体(或蒸气)得内能一部分用来增加动能,对周围大气做功。假设该阶段得过程为可逆绝热过程,并且就是等熵得。1气体泄漏扩散能。根据内能变化得出扩散能计算公式如下:ECV(T1T2)0.9P0(2V1) (1)式中 E-气体扩散能,J;Cv定容比热,JK;1-气团初始温度,K;T2气团压力降至大气压力时得温度,K;P0环境压力,P;V-气团初始体积,3;2-气团压力降至大气压力时得体积,m3。2闪蒸液体泄漏扩散能蒸发得蒸气

26、团扩散能可以按下式计算:=H1HT(S1S2)W-0.9(P1P0)V1 (2)式中 E闪蒸液体扩散能,J;H1-泄漏液体初始焓,J;2泄漏液体最终焓,/;T液体得沸点,K;S1液体蒸发前得熵,J;S2液体蒸发后得熵,JK;液体蒸发量,;1初始压力,Pa;P周围环境压力,P;V1初始体积,、（1）气团半径与浓度在扩散能得推动下气团向外扩散,并与周围空气发生紊流混合。1内层半径与浓度气团内层半径1与浓度C就是时间函数,表达式如下: (23) (4)式中 t扩散时间,;V在标准温度、压力下得气体体积,m3;d紊流扩散系数,按下式计算: (25)如上所述,当中心扩散速度(dt)降到一定值时,第二阶段才结束、临界速度得选择就是随机得而且不稳定得。设扩散结束时扩散速度为1ms,则扩散结束时内层半径R与浓度C可按下式计算:1、0880、V01/3 (26)C=12、95E-0。9 (27)2外层半径与浓度。第二阶段末气团外层得大小可根据试验观察得出,即扩散终结时外层气团半径2由下式求得:R2=1.4R1 (2)式中 R、分别为气团内层、外层半径,m。外层气团浓度自内层向