事故后果模拟分析方法.docx
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事故后果模拟分析方法.docx
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事故后果模拟分析方法
事故后果模拟分析方法
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。
(1)管道。
它包括管道、法兰和接头,其典型泄漏情况和裂口尺寸分别取管径的20%~100%、20%和20%~100%。
(2)挠性连接器。
它包括软管、波纹管和铰接器,其典型泄漏情况和裂口尺寸为:
①连接器本体破裂泄漏,裂口尺寸取管径的20%~100%;
②接头处的泄漏,裂口尺寸取管径的20%;
③连接装置损坏泄漏,裂口尺寸取管径的100%。
(3)过滤器。
它由过滤器本体、管道、滤网等组成,其典型泄漏情况和裂口尺寸分别取管径的20%~100%和20%。
(4)阀。
其典型泄漏情况和裂口尺寸为:
①阀壳体泄漏,裂口尺寸取管径的20%~100%;
②阀盖泄漏,裂口尺寸取管径的20%;
③阀杆损坏泄漏,裂口尺寸取管径的20%。
(10)火炬燃烧器或放散管。
它们包括燃烧装置、放散管、多通接头、气体洗涤器和分离罐等,泄漏主要发生在简体和多通接头部位。
裂口尺寸取管径的20%~100%。
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。
①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;
②选材不当,如强度不够,耐腐蚀性差、规格不符等;
③布置不合理,如压缩机和输出管没有弹性连接,因振动而使管道破裂;
④选用机械不合适,如转速过高、耐温、耐压性能差等;
⑤选用计测仪器不合适;
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)
式中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)
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·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。
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)
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,
(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·K);
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)
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。
(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)
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
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