第五章重大事故后果分析.ppt
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1、第六章 重大事故后果分析 重大事故:是指重大危险源在运行中突然发生重大泄 漏、火灾或爆炸,其中涉及一种或多种有害物质,并 给现场人员、公众或环境造成即刻的或延迟的严重危 害的事件 重大事故后果分析:是重大危险源评价和管理的一个 重要方面,目的是定量描述一个可能发生的事故将造 成的人员伤亡、财产损失和环境污染情况。根据分析 结果决策者可以采取适当措施,如设置报警系统、压 力释放系统、防火系统以及编制应急响应程序等,以 减少事故发生的可能性或降低事故的危害程度 数学模型是事故后果定量分析的基础。这些模型通常 是对假想的事故场景在一系列理想假设的前提下,依据 一定的物理化学原理建立的灰箱模型,模型的
2、参数通常 是由实验得到的。还有一些是纯经验的黑箱模型。依据 不同的假设和原理,相同的事故场景可以建立不同的模 型描述;同时,由于依据不同的实验数据,有些相同的 模型其参数却有所不同甚至相差远。显然,采用不同的 模型对同一事故的后果分析结果会有所不同 当然,每一模型还有其适用范围,因此在进行后果分 析时,考虑模型的适用范围以选择合适的模型是非常重 要的。另外,在没有可靠依据选择参数值时,采用保守 的估计或考虑最坏后果也是可以接受的 一、后果分析一般程序 1后果分析程序 重大事故后果分析主要包括以下步骤 (1)划分独立功能单元 (2)计算单元中有害物质存量 根据工艺流程和设备参数计算单元中有害物质
3、的存量 ,并记录物质的种类、相态、温度、压力、体积或质量 (3)找出设备的典型故障 (4)计算泄漏量 (5)计算后果 分析泄漏后可能造成的火灾、爆炸等后果,选择合 适的模型计算事故对生产现场内或现场外的影响 将计算结果整理成表格,并在单元平面图上划出 影响范围 (6)整理结果 2后果分析需要的参数 (1)有害物质的参数 有害物质的相态、最大质量或体积、温度、压 力、密度,热力学性质如沸点、蒸发热、燃烧热、 比热容等,有害与毒性参数等 (2)设备的参数 工艺流程、设备类型、设备的可能故障与泄漏位 置、泄漏口形状尺寸等 (3)现场情况与气象情况 设备布置、人员分布、资金密度、设备地理位置 、堤坝高
4、度面积、常年主导风向、平均风速、大气稳定 情况、日照情况、地形情况、地面粗糙度、建筑、树木 高度等 3后果分析模式选择 重大事故后果分析关心的是易燃、易爆或有毒的 气体和液体,这些物质的泄漏不仅有害而且难以控制 。一种泄漏可能带来不同的后果,进行后果分析就需 要对每一种可能后果进行计算。采用系统分析的方法 可以避免对可能的后果造成遗漏 例如:易燃气体泄漏着火时才有危险性,如果泄 漏时立即被点燃,则不形成大的蒸汽云团。根据泄漏 性质可形成喷射火或火球,它能迅速危及事故现场, 但很少能影响到厂区以外。如果泄漏后延迟点燃,则 气体形成云团飘向下风向,点燃后可能造成闪火或爆 炸,能引起大面积损害 计算
5、燃烧和爆炸的热量或压力,不仅仅用于评价人 员和设备的损失情况。燃烧和爆炸还会波及相邻的危险 源,产生多米诺效应,因此也要对相邻危险源进行泄漏 后果分析 气体泄漏分析的一个重要方面是计算蒸汽云的密 度,密度高于空气或低于空气,对其扩散有较大的影 响,应该采用不同的扩散模式 毒性气体的泄漏扩散分析较简单,因为不需要考虑起火 。主要的问题是根据蒸汽云密度选择适当的扩散模式 气 体 和 两 相 泄 漏 事 故 框 图 液体泄漏着火一般影响的面积较小,但挥发性液 体的蒸汽应按照气体事故进一步分析 常压液体泄漏后在地面形成液池,池内液体由于表 面风的作用而缓慢蒸发。如果点燃则形成池火,火焰的 热辐射会危及
6、现场人员和设备。加压液化气体泄漏时将 发生闪蒸,剩下的液体形成液池。闪蒸的气体应按气体 事故进一步分析 冷冻液体泄漏也形成液池,液体吸收周围热量蒸发,蒸 发速度虽然比闪蒸慢,但一般比常压液体快 沸腾液体扩展蒸汽爆炸是一种比较特殊但后果极其 严重的事故。通常是装液化气体的容器受到外界火焰加 热,一方面使容器内压力升高,同时使容器强度下降。 一旦容器突然破裂,大量沸腾液体立即被点燃,形成巨 大火球,影响非常严重 液 体 泄 漏 事 故 框 图 二、泄漏 1.常见泄漏源 泄漏可能是设备损坏、失灵造成的,也可能是错误操 作引起有害物质排放,甚至安全阀的正常或不正常动作。 分析时首先找出引起泄漏的设备及
7、可能的泄漏规模,然后 按适当模型计算泄漏量 根据泄漏面积的大小和泄漏持续时间的长短,将泄 漏源分为两类:(1)小孔泄漏,通常为物料经较小的孔洞 长时间持续泄漏,如反应器、储罐、管道上出现小孔, 或者是阀门、法兰、机泵、转动设备等处密封失效 (2)大面积泄漏,是指经较大孔洞在很短时间内泄漏出 大量物料,如大管径管线断裂、爆破片爆裂、反应器因 超压爆炸等瞬间泄漏出大量物料 2.泄漏量计算 2.1液体经小孔泄漏的源模式 系统与外界无热交换,流体流动的不同能量形式遵 守如下的机械能守恒方程 式中,p压力,Pa,习惯上将压强也称为压力 流体密度,kgm-3 动能校正因子,无因次,从工程计算角度出发,值
8、近似取为1 U流体平均速度,ms-1,简称流速 (1) g重力加速度加ms-2 z高度,m,以基准面为起始 F阻力损失,Jkg-1 ws轴功,J;稳定流动过程中开口系统所作的功 m质量,kg 对于不可压缩流体,密度恒为常数,有 泄漏过程暂不考虑轴功,Ws0,则(1)式化简为 (2) (3) 工艺单元中的液体在稳定的压力作用下,经薄壁小 孔泄漏,容器内的压力为p1、孔直径为d,面积为A,容 器外为大气压力。容器内液体流速可以忽略,不考虑摩 擦损失和液位变化,利用(3),可得 (4) (5) (6) 液体在稳定压力 下经薄壁小孔泄 漏 考虑到因惯性引起的截面收缩以及摩擦引起的速 度减低,引入孔流系
9、数C0 为实际流量与理想流量的比 值,则经小孔泄漏的实际质量流量为 (7) 2.2储罐中液体经小孔泄漏的源模式 液体储罐,距液位高度Z0处有一小孔壁,在静 压能和势能的作用下,储罐中的液体经小孔向外泄 漏。泄漏过程可由机械能守恒方程描述,储罐内的 液体流速可以忽略。储罐内的液体压力为Pg,外部 为大气压力(表压P0) (8) 将(8)代入(3)求出泄漏速度 (9) 若小孔截面积为A,则质量流量Q为 (10) 由(9)(10)看出,随着泄漏过程的延续,储罐内 液位高度不断下降,泄漏速度和质量流量也均随之降 低。如果储罐通过呼吸阀或弯管与大气连通,则内外 压力差p为0。(10)简化为 (11) 若
10、储罐的横截面积为A0,则可经小孔泄漏的最大液体总量为 (12) 取一微元时间内液体的泄漏量 (13) 储罐内液体质量的变化速率即为泄漏质量流量 (14) 将式(11)、式(13)代入式(14),得到 (15) 由边界条件t0,zz0;t=t,z=z,对上式进行分 离变量积分,有 (16) 当液体泄漏至泄漏点液位后,泄漏停止点z=0,根据 上式可得到总的泄漏时间 (17) 将式(16)代入到式(11),可以得到随时间变化的质量流量 (18) 如果储罐内盛装的是易燃液体,为防止可燃蒸气 大量泄漏至空气中,或空气大量进入储罐内的气相空 间形成爆炸性混合物,通常情况下会采取通氮气保护 的措施。液体表压
11、为Pg,内外压差即为Pg根据式(10) 、式(12)、式(13)、式(14)可同理得到 (19) (20) 将式(20)代人式(10)得到任意时刻的质量流量Q (21) 例:某盛装丙酮液体的储罐,上部装设有呼吸阀与 大气连通。在其下部有一泄漏孔,直径为4cm。已知 丙酮的密度为800kgm3。 求:(1)最大泄漏量 (2)泄漏质量流量随时间变化的表达式 (3)最大泄漏时间 (4)泄漏量随时间变化的表达式。 解:(1)最大泄漏量即为泄漏点 液位以上的所有液体量 (2)泄漏质量流量随时间变化的 表达式,Co取值为1,则 (3)令泄漏质量流量时间表达式的左侧为0,即得最大泄漏时间 (4)任一时间内总
12、的泄漏量为泄漏质量流量对时间的积分 若给定任意泄漏时间,即可得到已经泄漏的液体总量 2.3气体或蒸气经小孔泄漏的源模式 在工程上,通常将气体或蒸气近似为理想气体, 其压力、密度、温度等参数遵循理想气体状态方程 (2.3.1) 气体或蒸气在小孔内绝热流动,压力密度关系可用 绝热方程描述 (2.3.2) 式中绝热指数,是等压热容与等容热容的比 值,=Cp/Cv 气体或蒸气经小孔泄漏的过程。轴功为0,忽略 势能变化则 机械能守恒方程(1)简化为 (2.3.3) 根据(8)式定义孔流系数 (2.3.4) 将式(2.3.4代人式(2.3.3),忽略气体或蒸气的初 始动能,得到 (2.3.5) (2.3.
13、6) 由(2.3.2)得到 将(2.3.6)代入(2.3.5)并积分可得到 (2.3.7) 由式(2.3.6)、式(2.3.7)得到泄漏质量流量 (2.3.8) 根据理想气体状态方程,有(2.3.9) (2.3.10) 将(2.3.9)代入(2.3.8)可得 从安全工作的角度考虑,我们关心的是经小孔泄漏 的气体或蒸气的最大流量。式(2.3.10)表明泄漏质量流 量由前后压力的比值所决定。若以压力比P/P0为横坐标 ,以流量Q为纵坐标,根据式(2.3.10)可得到如图中的 0bc曲线,当Pp01时,小孔前后的压力相等,Q=0; 当P/P00时,气体或蒸气流向绝对真空,P0,故Q0 流量曲线存在最
14、大值,令dQd(P/P0)0,可求得极值 条件 (2.3.11) pc称为临界压力 将此极值条件代入式(2.3.7)、式(2.3.10)可得到最 大流速和最大流量 (2.3.12) (2.3.13) 由曲线可以看到,当PPC时,气体或蒸气流速低 于音速,如图中bc段曲线所示。当P=PC时,气体或蒸气 的泄漏速度刚好可能达到的最大流速如式(2.3.12)所示 ,实际上就是气体或蒸气中的音速。当PPC时,气体 或蒸气似乎可以充分降压、膨胀、加速,但是根据气体 流动力学的原理,泄漏速度不可能超过音速,这时其泄 漏速度和质量流量与PPC时相同,因此在图中以ab线 表示。在化工生产中发生的气体或蒸气泄漏
15、,很多属于 最后一种情况 例:在某生产厂有一空气柜,因外力撞击,在空气柜 一侧出现一小孔。小孔面积为19.6cm2,空气柜中的空 气经此小孔泄漏入大气。已知空气柜中的压力为 2.5x105Pa温度To为330K,大气压力为105Pa绝热指 数1.40。求空气泄漏的最大质量流量 解:先根据式(2.3.11)判断空气泄漏的临界压力 大气压力为105Pa,小于临界压力,则空气泄漏 的最大质量流量可按式(2.3.13)计算 C01,则 1.09kg/s1 若C0值取为0.61,则空气泄漏的最大质量流量为 2.4 两相泄漏 如果容器中的过热液体泄漏前通过较长的管道就 会产生两相泄漏,假设系统中出口和上游
16、临界压力 比为0.55,则PC=0.55P 泄漏两相中蒸发液体分数FV为: (2.4.1) CP 为液体恒压比热容,TC为临界压力下的沸点,HV 常压沸点下的汽化热 两相流中气相和液相混合物的平均密度为(设气 相密度为g,液相密度为l) (1) 两相流排放泄漏流量为: (2) C0为两相流泄漏系数,一般取0.8 三、泄漏后的扩散 泄漏出的介质立即表现出不同的行为,这与其 储存的状态和泄漏情况有关。沸点以下的液体泄漏, 如果挥发性较低,则蒸汽对现场人员有伤害,但一般 不会影响到厂外。如果挥发性高,则蒸汽会在大气中 扩散 对于过热液体泄漏,介质喷出后存在一个绝热膨 胀过程。液体的泄漏还可以产生池火
17、,气体泄漏则存 在喷射扩散。如果泄漏初期没有被点燃,最终都将发 展成扩散的蒸汽云。可以用大气中的蒸汽扩散描述, 进一步还可以分析火灾、爆炸以及毒害后果 1.液体的扩散与蒸发 (1)液体扩散 分析液体扩散的关键是找到液体扩散形成液池的面积, 因为随后的蒸发过程和燃烧过程的计算都直接依赖液池面 积。如果储罐区建有防火堤,则泄漏液体只能达到防火堤 ,液池面积就是防火堤所围面积。没有防火堤则液体流向 低洼处,液池面积也可以估计。对于土地较平整的情况, 液体将扩散至达到最小液体厚度为止 液池面积的确定是事故后果分析中最困难也是 最容易引起误差的地方。可以简单假定扩散在平整 、光滑的平面进行,而且没有渗漏
18、损失,扩散期间 也不考虑挥发 对于瞬时泄漏: 其中 对于连续泄漏: r为液池半径 对于瞬时泄漏,如果泄漏的液体已经充分扩展 ,假定液体无挥发,地面无渗漏,若已知液层的最 小厚度,可求液池面积 V泄漏液体体积,S液池面积,Hmin液层最小厚度 池火计算一般以圆池为模型,其他形状液池化为等 面积圆,直径为 (2)液体蒸发 低温液体或闪蒸后剩余的液体,主要吸收地面 热量进行蒸发,蒸发速率 m蒸发速率,kg/(m2.s), s表面热导率, w/(m.K), as热扩散系数,m2/s, Ta环境温度,Tb 液体沸点, HV蒸发热,J/kg, t蒸发时间 (1) 根据扩散通量正比于液池表面饱和蒸气浓度与
19、其在大气中的本底浓度之差,结合理想气体状态方 程,可得液体蒸发速度公式 (2) 式中 k扩散传质系数; ps液体饱和蒸汽 压,Pa;M摩尔质量,kgmol 传质系数可以按下式计算 式中 ul0m高处风速,m/h;scSchmidt数, /D; 空气黏度,kg(mh); 空气密度, kgm3; D蒸发液体的扩散系数,m2/h 传质系数也可简单按下式确定 2.喷射扩散 气体在压力从裂口喷出,一般温度会低于环境 温度,如果气体流动是阻塞的,压力会高于环境压力 。首先需要把喷射流出转化为具有环境条件的等效流 动 等效裂口直径与实际裂口直径的关系为: Deq等效裂口直径;D计算泄漏流量用裂口直径; 0气
20、体刚流出时与环境条件下空气相对密度;气 体在环境条件下与同条件下空气的相对密度 喷射轴线上距喷射孔x处的浓度 b1,b2为分布系数 b1=50.5+48.2-9.952 b2=23.0+41.0 垂直于喷射轴的水平面上的浓度分布为 Cx,y 喷射水平面上(x,y)处的浓度 沿轴的喷射速度分布 Ux喷射轴上距喷射孔x处的喷射速度;u0实 际泄漏气流速度,由泄漏流量和裂口面积计算 首先计算出喷射速度等于风速的相应位置x,再 计算与x相应的泄漏气体浓度 3.绝热扩散 闪蒸的液体或压缩气体瞬时释放后有一个快速膨胀 过程,由于该过程非常快,以至于气团和环境之间没有 时间讲行热交换,此膨胀过程可以按绝热过
21、程处理 该模型假定气云是呈包含两个区间的半球状,内层 “核”具有均匀的浓度,包含50的泄漏质量,外层浓 度呈高斯分布,具有另外50的泄漏量 这种双层云团扩散假定分两步:(1)气体或气溶 胶膨胀到压力降至大气压,在膨胀过程中气团获得动 能,称为膨胀能(2)在膨胀能作用下气团进一步扩 张,推动空气紊流混合进入气团。假设第二阶段持续 到核的扩张速度降到某给定值时结束 第一步膨胀到大气压,膨胀期间气体反抗大气压做 功,部分内能用于增加物质的动能。如果假定增加的 动能由(P1一Pa)dv给出,则初始的膨胀到大气压的过 程可以按可逆绝热过程处理。膨胀能是始态能量和末 态能量的差,减去对大气所做的功。按照这
22、种理想化 的方法,第一步是等熵的 对于气体释放,能量由可逆绝热膨胀决定,即由P1 、T1(具有内能U1、体积v1)膨胀到P2、T2(具有内能U2、 体积v2)、 (1) 扩散能为 内能的变化为 (2) 对于液体释放,闪蒸分数按等熵过程计算 (3) (4) 膨胀能是始、终态内能的变化减去对大气所做的功 (5) 式中 E膨胀能, U内能, T温度, Tb沸点, CV气体的比热容,J/(kgK), Pa一一大气压, S熵,J(kgK), Hv蒸发热 ,Jkg, H焓,Jkg 内能、温度、熵和焓的下标1和2分别表示状态1和 状态2,L和v分别表示液态和气态 第二步空气紊流混合,膨胀的推动产生大范围的紊
23、 流,这种紊流是气团与空气进一步混合的决定因素 紊流扩散系数 (6) 内核半径随时间的变化 内核浓度随时间的变化 (7) (8) 当内核扩张速度(drcdt)降至给定值时第二阶段 结束。临界速度的选择是任意的,但通常的推荐值 是lms。选定此速度再结合扩散能以及内核半径 、内核浓度与时间的关系,可以得到第二阶段结束 时的内核半径和浓度 (9) (10) 扩散第二阶段结束时,半球形气团的半径按下式计算 气团密度是绝热膨胀后采用其他模型进一步分 析的重要参数,对于气体释放, 气团的体积为 : (11 ) (12) 对于液体释放,如果膨胀后仍有液体存在,则计 算就比较复杂。确定气团中是否有液体,需要
24、首先计 算气团的浓度Cce,如果大干1则液体存在 含有液体的气团计算混合空气的旦时,需要使用3 个方程反复计算 描述最终温度为T3、最终气体分数为Fv3的各组分的 热平衡 体积平衡 (13 ) (14) 第三个方程表明温度和气体分数必须与所要求 的分压等于T3时的饱和蒸汽压一致 (15) 空气的质量必须调整至满足以上3个方程 4.重气扩散 研究重气云扩散的意义(1)重气由于受重力作用 ,一般是沿地面扩散的,对人的影响更大;(2)常见 的工业气体,很多密度都大于空气,如液化石油气、 氯气、二氧化硫、硫化氢等。(3)一些液化气体虽 然分子量不一定大于空气的表观分子量,但是泄漏后 一般温度较低,还可
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