爆炸及火灾事故后果模拟分析方法Word下载.docx
《爆炸及火灾事故后果模拟分析方法Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《爆炸及火灾事故后果模拟分析方法Word下载.docx（35页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
⑥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。
①加工不符合要求，或未经检验擅自采用代用材料；
②加工质量差，特别是不具有操作证的焊工焊接质量差；
③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；
④选用的标准定型产品质量不合格；
⑤对安装的设备没有按<
机械设备安装工程及验收规范）进行验收；
⑥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；
⑦计测仪表未定期校验，造成计量不准；
⑧阀门损坏或开关泄漏，又未及时更换；
⑨设备附件质量差，或长期使用后材料变质、腐蚀或破裂等。
（3）管理原因。
①没有制定完善的安全操作规程；
②对安全漠不关心，已发现的问题不及时解决；
③没有严格执行监督检查制度；
④指挥错误，甚至违章指挥；
⑤让未经培训的工人上岗，知识不足，不能判断错误；
⑥检修制度不严，没有及时检修已出现故障的设备，使设备带病运转。
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：
·
常压液体；
加压液化气体；
低温液化气体；
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。
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。
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；
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。
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）
cp——液体的比定压热容，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。
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）
k——气体的绝热指数，即比定压热容cp与比定容热容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；
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·
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）两相流动泄漏量
在过热液体发生泄漏时，有时会出现气、液两相流动。
均匀两相流动的泄漏速度可按下式计算：
（8）
Q0——两相流泄漏速度，kg／s；
Cd——两相流泄漏系数，可取0．8；
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，
（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，
（10）
cp——两相混合物的比定压热容，J／（kg·
T——两相混合物的温度，K；
Tc——临界温度，K；
H——体的气化热，J／kg。
当F>
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。
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）
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。
（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Qt可由下式计算：
（13）
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Qt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——努塞尔（Nusselt）数。
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）
α——分子扩散系数，m2／s；
Sh——舍伍德（Sherwood）数；
A——液池面积，m2；
L——液池长度，m；
ρ1——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；
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。
如果气体泄漏能瞬时间达到周围环境的温度、压力状况，即ρ0=ρ，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+48．2ρ—9．95ρ2，b2=23+41ρ。
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：
（18）
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，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：
（19）
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；
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；
——喷射轴线上距裂口x处一点的速度，m／s；
——喷射初速，等于气体泄漏时流出裂口时的速度，m／s，
（20）
Q0——气体泄漏速度，kg／s；
Cd——气体泄漏系数；
D0——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。
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。
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：
E=cV（T1—T2）—0．98p0（V2—V1）
（21）
E——气体扩散能，J；
cV——比定容热容，J／（kg·
T1——气团初始温度，K；
T2——气团压力降至大气压力时的温度，K；
V1——气团初始体积，m3；
V2——气团压力降至大气压力时的体积，m3。
②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=[H1—H2—Tb（S1一S2）]W—0．98（p1—p0）V1
（22）
E——闪蒸液体扩散能，J；
H1——泄漏液体初始焓；
J／kg；
H2——泄漏液体最终焓；
Tb
—液体的沸点，K；
S1——液体蒸发前的熵，J／（kg·
S2——液体蒸发后的熵，J／（kg·
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。
①内层半径与浓度。
气团内层半径R，和浓度C是时间函数，表达如下：
（23）
（24）
式中
t——扩散时间，s；
V0——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：
（25）
如上所述，当中心扩散速度（dR／dt）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1m／s，则在扩散结束时内层半径R1和浓度C可按下式计算：
（26）
（27）
②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=1．456R1
（28）
R2，R1——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。
3．1
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dm／dt为：
（29）
dm／dt——单位表面积燃烧速度，kg／（m2·
s）；
Hc——液体燃烧热；
cp——液体的比定压热容；
J／（kg·
Tb——液体的沸点，K；
T0——环境温度，K；
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dm／dt为：
（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：
（31）
式中h——火焰高度；
m；
r——液池半径；
ρ0——周围空气密度，kg／m3；
dm／dt——燃烧速度，kg／（m2·
s）。
3）热辐射通量
当液池燃烧时放出的总热辐射通量为：
（32）
Q——总热辐射通量，W；
η——效率因子，可取0．13～0．35；
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：
（33）
I——热辐射强度，w／m2；
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。
3．2
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：
（34）
q——点热源热辐射通量，W；
η——效率因子，可取0．35；
Q0——泄漏速度，kg/s；
Hc——燃烧热，J／kg。
从理论上讲，喷射火的火焰长度等于从泄漏口到可燃混合气燃烧下限（LFL）的射流轴线长度。
对表面火焰热通量，则集中在LFL／1．5处。
对危险评价分析而言，点热源数n一般取5就可以了。
射流轴线上某点热源i到距离该点x处一点的热辐射强度为：
（35）
Ii——点热源i至目标点x处的热辐射强度，w／m2；
q——点热源的辐射通量，W；
x——点热源到目标点的距离，m。
某一目标点处的入射热辐射强度等于喷射火的全部点热源对目标的热辐射强度的总和：
（36）
n——计算时选取的点热源数，一般取n=5。
3．3
火球和爆燃
低温可燃液化气由于过热，容器内压增大，使容器爆炸，内容物释放并被点燃，发生剧烈的燃烧，产生强大的火球，形成强烈的热辐射。
1）火球半径
（37）
R——火球半径，m；
M——急剧蒸发的可燃物质的质量，kg。
2）火球持续时间
（38）
t——火球持续时间，s。
3）火球燃烧时释放出的辐射热通量
（39）
Q——火球燃烧时辐射热通量，W；
Hc——燃烧热，J／kg；
η——效率因子，取决于容器内可燃物质的饱和蒸气压p，η=0．27
；
其他符号同前。
4）目标接受到的入射热辐射强度
（40）
Tc——传导系数，保守取值为1；
x——目标距火球中心的水平距离，m；
3．4
固体火灾
固体火灾的热辐射参数按点源模型估计。
此模型认为火焰射出的能量为燃烧的一部分，并且辐射强度与目标至火源中心距离的平方成反比，即：
（41）
qr——目标接受到的辐射强度，W／m2；
f——辐射系数，可取f=0．25；
Mc——燃烧速率，kg/s；
x——目标至火源中心间的水平距离，m。
3．5
突发火
泄漏的可燃气体、液体蒸发的蒸气在空中扩散，遇到火源发生突然燃烧而没有爆炸。
此种情况下，处于气体燃烧范围内的室外人员将会全部烧死；
建筑物内将有部分人被烧死。
突发火后果分析，主要是确定可燃混合气体的燃烧上、下极限的边界线及其下限随气
升级会员 