重大危险源事故后果模型.docx

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重大危险源事故后果模型

重大危险源事故后果模型

（ISO45001-2017）

1储罐区重大事故后果分析

1.1储罐区的主要事故后果类型

1.1.1池火灾

易燃液体如汽油、苯、甲醇、乙酸乙酯等，一旦从储罐及管路中泄漏到地面后，将向四周流淌、扩展，形成一定厚度的液池，若受到防火堤、隔堤的阻挡，液体将在限定区域（相当于围堰）内得以积聚，形成一定范围的液池。

这时，若遇到火源，液池可能被点燃，发生地面池火灾。

1.1.2蒸气云爆炸

易燃易爆气体如H2、天然气等，泄漏后随着风向扩散，与周围空气混合成易燃易爆混合物，在扩散扩过程中如遇到点火源，延迟点火，由于存在某些特殊原因和条件，火焰加速传播，产生爆炸冲击波超压，发生蒸气云爆炸。

易燃易爆的液化气体如液化石油气、液化丙烷、液化丁烷等，其沸点远小于环境温度，泄漏后将会由于自身的热量、地面传热、太阳辐射、气流运动等迅速蒸发，在液池上面形成蒸气云，与周围空气混合成易燃易爆混合物，并且随着风向扩散，扩散扩过程中如遇到点火源，也会发生蒸气云爆炸。

1.1.3喷射火

对于易燃易爆气体如H2、天然气，以及易燃易爆的液化气体来说，泄漏后可能因摩擦产生的静电立即点火，产生喷射火。

1.1.4沸腾液体扩展蒸气云爆炸

易燃易爆的液化气体容器在外部火焰的烘烤下可能发生突然破裂，压力平衡被破坏，液体急剧气化，并随即被火焰点燃而发生爆炸，产生巨大的火球。

这种事故被称为沸腾液体扩展为蒸气云爆炸。

1.1.5中毒事故

毒性的液化气体如液氯、液氨等，由于沸点小于环境温度，泄漏后会因自身热量、地面传热、太阳辐射、气流运动等迅速蒸发，生成有毒蒸气云，密集在泄漏源周围，随后由于环境温度、地形、风力和湍流等因素影响产生漂移、扩散，范围变大，浓度减小。

1.2储罐区主要事故后果模型

1.2.1池火灾事故后果模型

池火灾火焰的几何尺寸及辐射参数按如下步骤计算。

①计算池直径

根据泄漏的液体量和地面性质，按下式可计算最大可能的池面积。

（1）

式中，S为液池面积（m2），W为泄漏液体的质量（kg），

为液体的密度（kg/m3）Hmin为最小油层厚度（m）。

最小物料层厚度与地面性质对应关系见表1。

表1不同性质地面物料层厚度表

地面性质

最小物料层厚度（m）

草地

0.020

粗糙地面

0.025

平整地面

0.010

混凝土地面

0.005

平静的水面

0.0018

②确定火焰高度

计算池火焰高度的经验公式如下：

（2）

式中：

L为火焰高度（m），D为池直径（m），mf为燃烧速率（kg/m2s），

ρ0为空气密度（kg/m3），g为引力常数。

③计算火焰表面热通量

假定能量由圆柱形火焰侧面和顶部向周围均匀辐射，用下式计算火焰表面的热通量：

（3）

式中，q0为火焰表面的热通量（kw/m2），ΔHC为燃烧热（kJ/kg），π为圆周率，f为热辐射系数（可取为0.15），mf为燃烧速率（kg/m2s），其它符号同前。

④目标接收到的热通量的计算

目标接收到的热通量q（r）的计算公式为：

（4）

式中，q（r）为目标接收到的热通量（kw/m2），q0为由式（3）计算的火焰表面的热通量（kw/m2），r为目标到油区中心的水平距离（m），V为视角系数。

⑤视角系数的计算

角系数V与目标到火焰垂直轴的距离与火焰半径之比s，火焰高度与直径之比h有关。

（5）

（6）

（7）

（8）

（9）

（10）

（11）

（12）

（13）

其中A、B、J、K、VH、VV是为了描述方便而引入的中间变量，π为圆周率。

1.2.2蒸气云爆炸事故后果模型

蒸气云爆炸产生的冲击波超压是其主要危害。

冲击波超压可通过传统的TNT当量系数法进行计算，将事故爆炸产生的爆炸能量等同于一定当量的TNT，也可根据爆炸能量直接计算。

（1）TNT当量法

①确定闪蒸系数

在热力学数据资料的基础上，用下式估算燃料的闪蒸部分。

（14）

式中，F为蒸发系数，Cp为燃料的平均比热（kJ/kgK），ΔT为环境压力下容器内温度与沸点的温差（K），L为汽化热（kJ/kg）。

②计算云团中燃料的质量：

（15）

式中，Wf为云团中燃料的质量（kg），W为泄漏的燃料的质量（kg），F为闪蒸系数。

③计算TNT当量：

（16）

图1Δ∽曲线

式中，WTNT为燃料的TNT当量（kg），Wf为云团中燃料的质量（kg），Hf为燃料的燃烧热（MJ/kg），HTNT为TNT的爆热（MJ/kg），αe为TNT当量系数，推荐αe=0.03。

④将实际距离转化为无因次距离：

（17）

式中，R为离爆炸点的实际距离（m），

为无因次距离（m）。

在离爆炸点距离为R处，根据相应的

值，查图1得到超压，进而预测人员受伤害和建筑受破坏的情况。

（2）直接计算法

在得到云团中燃料的质量的情况下，可按下式直接计算爆炸冲击波超压Δp。

（18）

（0.3≤Z≤12）

（19）

（20）

式中，Δps为冲击波正相最大超压（Pa），Z为无量纲距离，Pa为环境压力，R为目标到爆源的水平距离（m），E为爆源总能量（J），α为蒸气云当量系数，一般取0.04，W为蒸气云中对爆炸冲击波有实际贡献的燃料质量（Kg），QC为燃料的燃烧热（J/Kg）。

1.2.3喷射火事故后果模型

加压的可燃物泄漏时形成射流，如果在泄漏裂口处被点燃，则形成喷射火。

假定火焰为圆锥形，并用从泄漏处到火焰长度4/5处的点源模型来表示。

①火焰长度计算

喷射火的火焰长度可用如下方程得到：

（21）

式中，L为火焰长度（m），HC为燃烧热（J/kg），m为质量流速（kg/s）。

②热辐射的通量计算

距离火焰点源为X（m）处接收到的热辐射通量可用下式表示：

（22）

式中，q为距离X处接收的热辐射的通量（KW/m2），f为热辐射率，τ为大气传输率。

大气传输率τ按下式计算：

（23）

1.2.4沸腾液体扩展为蒸气云爆炸事故后果模型

计算主要包括如下步骤。

①火球直径

（24）

式中，D为火球直径（m），W为火球中消耗的可燃物质量（Kg）。

对单罐储存，W取罐容量的50%；对双罐储存，W取罐容量的70%；对多罐储存，W取罐容量的90%。

②火球持续时间

（25）

式中，t为火球持续时间（s），W同式（24）。

③火球抬升高度

火球在燃烧时，将抬升到一定高度。

火球中心距离地面的高度H由下式估计：

（26）

④火球表面热辐射能量

假设火球表面热辐射能量是均匀扩散的。

火球表面热辐射能量SEP由下式计算：

（27）

式中，Fs为火球表面辐射的能量比，Ha为火球的有效燃烧热（J/Kg）。

Fs与储罐破裂瞬间储存物料的饱和蒸气压力P（MPa）有关：

（28）

对于因外部火灾引起的BLEVE事故，上式中的P值可取储罐安全阀启动压力Pv（MPa）的1.21倍，即：

（29）

Ha由下式求得：

（30）

式中，Hc为燃烧热（J/kg），Hv为常沸点下的蒸发热（J/kg），Cp为恒压比热（J/（kg.K）），T为火球表面火焰温度与环境温度之差（K），一般来说T=1700K。

⑤视角系数

视角系数F的计算公式如下：

（31）

式中，r为目标到火球中心的距离（m）。

令目标与储罐的水平距离为X（m），则：

（32）

⑥大气热传递系数

火球表面辐射的热能在大气中传输时，由于空气的吸收及散射作用，一部分能量损失掉了。

假定能量损失比为α，则大气热传递系数

。

α和大气中的CO2和H2O的含量、热传输距离及辐射光谱的特性等因素有关。

可由以下的经验公式来求取：

（33）

式中，pw为环境温度下空气中的水蒸气压（N/m2），r为目标到火球表面的距离（m）。

（34）

式中，

为环境温度下的饱和水蒸气压（N/m2），RH为相对湿度。

（35）

⑦火球热辐射强度分布函数

在不考虑障碍物对火球热辐射产生阻挡作用的条件下，距离储罐X处的热辐射强度q（W/m2）可由下式计算：

（36）

1.2.5中毒事故后果模型

（1）泄漏模型

①液体泄漏速率模型

液体泄漏可根据流体力学中的柏努力方程计算泄漏量。

当裂口不规则时，可采取等效尺寸代替；当泄漏过程中压力变化时，则往往采用经验公式。

柏努力方程如下：

（37）

式中，Q为液体泄漏速率（kg/s），Cd为无量纲泄漏系数，是液体密度（kg/m3），A是泄漏孔面积（m2），P为罐压（Pa），P0为大气压力（Pa），g为引力常数（9.8m/s2），h为液压高度（m）。

液体出口速度可按下式计算：

（38）

式中，u为液体出口速度（m/s），其他符号如前。

持续时间按下式计算：

（39）

式中，u0为初始流速（m/s），AT为罐内液面积（m2）。

泄漏系数Cd的取值通常可从标准化学工程手册中查到。

对于管道破裂，Cd的典型取值为0.8。

表2为常用的液体泄漏系数数据。

表2液体泄漏系数Cd

雷诺数Re

裂口形状

圆形（多边形）

三角形

长方形

>100

0.65

0.60

0.55

≤100

0.50

0.45

0.40

这个方法没有考虑泄漏速率对时间的依赖关系（压力随时间而降低以及液压高度下降）。

因此，计算出的泄漏速率是保守的最大可能泄漏速率。

②气体泄漏模型

压力气体泄漏通常以射流的方式发生，泄漏的速度与其流动的状态有关，其特征可用临界流（最大出口速度等于声速）或亚临界流来描述。

Perry等人用如下的关系式作为临界流的判断准则：

当式（40）成立时，气体流动属音速流动；当式（41）成立时，气体流动属亚音速流动。

（40）

（41）

式中，P0为环境大气压力（Pa），P为容器压力（Pa），k为气体的绝热指数，即定压比热CP和定容比热Cv之比。

对于很多气体，临界比值（P/Po）cr近似为2，也就是说储压近似等于大气压力的两倍，此时流体泄漏的出口速度近似等于声速。

临界流的质量泄漏速率可按下式计算：

（42）

气体呈亚音速流动时，其泄漏量为：

（43）

式中，Q是气体泄漏速率（kg／s），Cd为气体泄漏稀疏，A为裂口面积（m2），M是气体相对分子质量，R是普适气体常数（8.31436Jmol-1K-1），T是气体的储存温度（K），Y为气体膨胀因子，按式（44）计算。

（44）

上述考虑的为理想气体的不可逆绝热扩散过程。

此外，没有考虑气体泄漏速率随时间的变化，因此使用初始储存条件必然导致保守的结果。

③两相流泄漏模型

Cude在1975年建议了两相流泄漏关系式。

假设源容器和泄漏点之间的管道长度和管道直径之比L／D>12，泄漏点压力与泄漏点上流压力之比Pc/P=0.55。

具体计算方法如下：

第一步，按下式计算两相流的质量分数：

（45）

式中，MV为蒸发的液体占液体总量的比例，Tc是对应于泄漏点压力Pc的平衡温度（K），T是对应于泄漏点上流压力P的平衡温度（K），CP是液体的定压比热[J／（kg·K）〕，Hv是液体的蒸发热（J/kg）。

第二步，按下式计算两相流的平均密度：

（46）

式中，

、

和

分别是两相流、蒸气和液体的密度（kg／m3）。

第三步，按下式计算两相流的质量泄漏速率Q（kg／S）：

（47）

式中，Cd为泄漏系数，多数情况下，取Cd＝0.8，A为裂口面积（m2），P为两相混合物的压力（Pa），PC为临界压力（Pa）。

如果L／D<12，先按前面介绍的方法计算纯液体泄漏速率和两相流泄漏速率，再用内插法加以修正。

两相流实际泄漏速率的计算公式为：

（48）

式中，

、

和

分别为两相流实际泄漏速率、按式（43）计算出的两相流泄漏速率和纯液体泄漏速率（kg／S）。

如果L/D≤2，一般认为泄漏为纯液体泄漏。

（3）非重气云扩散模型

①瞬间泄漏扩散模型

（49）

②连续泄漏扩散模型

（50）

式中，C为气云中危险物质浓度（kg／m3）,He为泄漏源有效高度（m），Q为源瞬间泄漏量（kg），Q’为源连续泄漏速率（kg／s），V为风速（m／s），t为泄漏后的时间（s），

、

和

分别为x、y和ｚ方向的扩散系数（ｍ）。

对于连续泄漏，平均时间取10min。

其中σx，σy，σz与地面的有效粗糙度有关。

地面有效粗糙度长度如下表所示。

表3地面有效粗糙度长度表

地面类型Z0/m

地面类型Z0/m

草原、平坦开阔地≤0.1

农作物地区0.1~0.3

村落、分散的树林0.3~1

分散的高矮建筑物（城市）1~4

密集的高矮建筑物（大城市）4

有效粗糙度Z0≤0.1m地区的扩散参数按下表选取。

表4Z0≤0.1m地区的扩散参数

大气稳定度

σy/m

σz/m

A

B

C

D

E

F

0.22x（1+0.0001x）-1/2

0.16x（1+0.0001x）-1/2

0.11x（1+0.0001x）-1/2

0.08x（1+0.0001x）-1/2

0.06x（1+0.0001x）-1/2

0.04x（1+0.0001x）-1/2

0.20x

0.12x

0.08x（1+0.0002x）-1/2

0.06x（1+0.0015x）-1/2

0.03x（1+0.0003x）-1/2

0.016x（1+0.0003x）-1/2

有效粗糙度Z0≥0.1m的粗糙地形扩散系数为：

式中，σy0、σz0按表4中的数值取值。

其他系数按表5取值。

表5不同大气稳定度下的系数值

稳定度

A

B

C

D

E

F

a0

b0

c0

d0

e0

f0

g0

0.042

1.10

0.0364

0.4364

0.05

0.273

0.024

0.115

1.5

0.045

0.853

0.0128

0.156

0.0136

0.15

1.49

0.0182

0.87

0.01046

0.089

0.0071

0.38

2.53

0.13

0.55

0.042

0.35

0.03

0.3

2.4

0.11

0.86

0.01682

0.27

0.022

0.57

2.913

0.0944

0.753

0.0228

0.29

0.023

式（49）和式（50）中泄漏源有效高度是指泄漏气体形成的气云基本上变成水平状时气云中心的离地高度。

在大多数问题中，泄漏源有效高度难以与泄漏源实际高度相一致。

事实上，它等于泄漏源实际高度加泄漏源抬升高度。

泄漏源抬升高度可以用下面的公式近似计算：

（51）

或

（52）

式中：

ΔH是泄漏源抬升高度（m），Vs是气云出口速度（m／s），d是出口直径（m），V是环境风速（m/s），pa是环境大气压力（Pa），Ts是气云出口温度（K），Ta是环境大气温度（K）。

计算出泄漏源抬升高度以后，将泄漏源抬升高度与泄漏源实际高度相加就得到了泄漏源有效高度。

（3）重气云扩散模型

常用模型有盒子模型和平板模型两类。

盒子模型用来描述瞬间泄漏形成的重气云团的运动，平板模型用来描述连续泄漏形成的重气云羽的运动。

这两类模型的核心是因空气进入而引起的气云质量增加速率方程。

①盒子模型

盒子模型使用如下假设：

I、重气云团为正立的坍塌圆柱体，圆柱体初始高度等于初始半径的一半。

II、在重气云团内部，温度、密度和危险气体浓度等参数均匀分布。

III、重气云团中心的移动速度等于风速。

重气扩散的盒子模型示意图如下图所示。

图2重气云团盒子模型

坍塌圆柱体的径向蔓延速度由下式确定：

（53）

式中，

为圆柱体的径向蔓延速度（m/s），r为圆柱体半径（m），h为圆柱体高度（m），t为泄漏后时间（s）。

等式两边同时乘以2r，上式变成下面的形式：

（54）

由于假设重气云团和环境之间没有热量交换，重气云团的浮力将守恒，即：

（55）

将上式代入式（53），积分后得到：

（56）

式中，ro为重气云团的初始半径（m），V0为重气云团的初始体积（m3），

为重气云团的初始密度（kg/m3）。

由于假设重气云团是圆柱体，初始高度等于初始半径的一半，因此重气云团初始半径的计算公式为：

（57）

随着空气的不断进入，云团的高度和体积也将不断变化。

云团体积随时间的变化速率由下式确定：

（58）

式中，重气云团体积

，VT和VP分别为空气从顶部和边缘进入重气云团的速率（m/s）。

由于重气云团内部危险气体质量守恒，因此，在重气云团扩散过程中，下式存立：

（59）

式中，CO和C分别为初始时刻和t时刻重气云团内部危险物质浓度（kg/m3）。

任意时刻重气云团的半径按式（56）计算。

如果知道任意时刻重气云团高度的计算公式，利用上式就可计算任意时刻重气云团内部危险物质浓度。

但这里不准备采用先推导重气云团高度的计算公式，然后计算重气云团体积和危险物质浓度的方法。

而是先采用量纲分析法求重气云团的体积和浓度，然后利用上式反推重气云团的高度。

无量纲量

与

之间存在如下函数关系：

（60）

式中，x为下风向距离（m）。

它与时间、风速之间的关系为：

（61）

将上式代入式（52），得到：

（62）

将圆柱形重气云团的体积

代入式（60），可推导出

（63）

随着空气的不断进入，重气云团的密度将不断减小，重气坍塌引起的扩散将逐步让位于环境湍流引起的扩散。

目前，判断重气坍塌过程终止的准则主要有：

I、ε准则

定义

。

ε准则认为，如果ε小于或等于某个临界值（在0.001～0.01之间），重气坍塌引起的扩散将让位于环境湍流引起的扩散。

下面推导转变发生的位置，令：

（64）

将式（60）代入式（64），得到：

（65）

从上式求出x，得到：

（66）

由于不考虑云团与环境之间的热交换，云团浮力守恒，故E=E0。

代入上式得到转变点对应的下风向距离为：

（67）

II、Ri准则

对于瞬间泄漏，定义Richardson数

。

Ri准则认为，如果Ri小于或等于某个临界值（在1～10之间），重气坍塌引起的扩散将让位于环境湍流引起的扩散。

由于云团内部浮力守恒，因此

（68）

对上式进行恒等变换，得到：

（69）

将式（69）代入Richardson数的定义式，得到：

（70）

从上式求出转变点下风向距离x，得到：

（71）

III、Vf准则

定义重气云团径向蔓延速度Vf＝dr/dt。

Vf准则认为，如果Vf小于或等于某个临界值，重气坍塌引起的扩散将让位于环境湍流引起的扩散。

不同研究人员提出的重气云扩散阶段终止时的临界Vf值相差很大。

例如，vanUlden认为，重气云扩散阶段终止的条件是Vf＝2V*，Germeles和Drake认为，重气云扩散阶段终止的条件是Vf＝V,Cox和Carpenter认为，重气云扩散阶段终止的条件是Vf＝dσy/dt，σy为横风向扩散系数（m），Eidsvik（1980）认为，重气云扩散阶段终止的条件是Vf＝0.39V*。

这些准则覆盖范围很宽，从Vf＝0.02V到Vf＝V（假设摩擦速度V*＝V／15）。

Germeles和Drake提出的准则太严，按照他们提出的准则，即使存在重气云扩散阶段，这个阶段持续的时间也很短。

不过，多数研究人员认为，Vf的临界值具有与V*相同的数量别。

②平板模型

平板模型使用了如下假设：

I、重气云羽横截面为矩形，横风向半宽为b（m），垂直方向高度为h（m）。

在泄漏源点，云羽半宽为高度的两倍，即：

bo＝2hO。

II、重气云羽横截面内，浓度、温度、密度等参数均匀分布。

III、重气云羽的轴向蔓延速度等于风速。

在重气云羽的扩散过程中，横截面半宽的变化由下式确定：

（72）

由于假设重气云羽与环境之间无热量交换，重气云羽的浮力通量在扩散过程中守恒，即：

（73）

将式（73）代入式（72），积分后得到：

（74）

由于重气云羽初始半宽等于初始高度的两倍，重气云羽的初始体积通量为：

（75）

从上式可以求出重气云羽的初始半宽：

（76）

随着空气的进入，不仅重气云羽的横风向水平尺寸要增大，重气云羽的高度也要增加。

重气云羽高度的变化与下风向距离间的关系由下式确定：

（77）

式中，We为空气卷吸系数，且假设空气卷吸系数由下式确定：

（78）

式中，Ri为当地Richardson数。

上式表明，随着Richardson数的增加，空气卷吸系数减小。

Richardson数的定义为：

（79）

式中，

是垂直方向的特征湍流速度（m/s），由下式确定：

（80）

式中，

是摩擦速度。

由于

，因此，

，结合式（74），得到：

（81）

求解由式（78）～式（81）组成的联立方程组，可以求得任意下风向距离重气云羽的高度。

由于重气云羽横截面上危险物质通量守恒，因此

（82）

上式两边同时除以2bhV，得到重气云羽中危险物质浓度的计算公式：

（83）

式中，C表示重气云羽内危险物质浓度（kg/m3），下标0指初始条件。

无论是重气云团扩散，还是重气云羽扩散，一旦满足前面讨论过的转变条件，重力驱动扩散将转变为环境湍流驱动扩散。

为了将转变前后两个不同的扩散过程有机衔接起来，需要进行虚源计算。

所谓虚源，是指位于转变点上游某处的虚拟泄漏源。

虚源计算的目的是确定虚源与转变点之间的距离。

进行虚源计算时应遵循下面的原则：

在相同的泄漏和扩散条件（相同源强、相同地形、相同气象条件等）下，利用重气云扩散模型对实源泄漏进行扩散分析得到的转变点所在位置危险物质浓度等于利用高斯模型对虚源泄漏进行扩散分析得到的转变点所在位置危险物质浓度。

虚源计算时假设转变点的下风向扩散系数

、横风向扩散系数

和垂直方向扩散系数

分别由下面三个公式计算：

（瞬间泄漏才需要）（84）

（85）

（86）

因此，如果知道扩散系数与下风向距离的关系，就可以计算出虚源与转变点之间的距离。

例如，如果

，那么，虚源与转变点之间的距离

。

2库区重大事故后果分析

2.1库区的主要事故类型

根据储存场所的不同以及储存危险品特性的不同，库区主要的事故后果类型如下：

（1）仓库中存储TNT等爆炸性物品时，容易发生凝聚相含能材料爆炸，产生非常严重的后果。

由于爆炸性物品不得露天堆放，只能存储在仓库中，因此通常发生的是受限空间的爆炸。

（2）易燃、易爆的气体（包括液化气体）如液化石油气钢瓶等在仓库中存储时，发生泄漏并在扩散过程中遇到点火源，则很容易发生蒸气云爆炸事故。

（3）有毒气体（包括液化气体）如液氯、液氨钢瓶在仓库中存储时，发生泄漏并扩散很容易引起中毒事故。

（4）易燃液体如苯、甲醇等瓶装、桶装的化工原料在仓库中存储时，泄漏后很容易引发室内池火灾。

（5）易燃固体、自燃物品、遇湿易燃物品等瓶