火灾事故后果分析技术.ppt

火灾事故后果分析 概述 历史上著名的火灾 火灾事故后果分析研究目的 火灾事故是工业重大危险事故里的主要类型 对人的生命 财产和环境有巨大的危害 火灾事故后果分析作为安全评价的一种类型 对事故后果进行分析及预测 为预测火灾 爆炸和中毒事故造成的后果提供准确有效的数据 大大缩短了灾害后果评估时间 提高灾害后果评估精度 对预防 减少人员伤亡和财产损失有积极影响 因此对火灾事故进行事故后果分析是十分有必要的 火灾的分类 火灾时或失去控制蔓延的一种灾害性燃烧现象 是各种灾害中发生最频繁且最具毁灭性的一种 火灾的种类很多 通常包括森林 建筑 油类以及可燃气体和粉尘爆炸所引起的火灾 这里主要针对易燃易爆的气体或液体泄漏后遇到引火源被点燃而着火燃烧而引起火灾和固体类物质起火成灾进行火灾事故后果分析 由此 我们将火灾分为池火灾 喷射火 火球 突发火和固体火灾五类 第一章池火灾 由于油罐破裂或运输意外 造成泄漏事故 当遇到点火源 极可能发生池火灾 灾害一旦发生 人员暴露在火灾的热辐射下 将会受到严重的伤害 池火灾通过热辐射方式影响周围环境 当热辐射强度足够大时 可使周围物体燃烧或变形 强烈的热辐射可能烧毁设备 并造成人员伤亡 池火灾实例 1999年 山西省某化工厂5000m3直径为28 5米的汽油储罐发生火灾 顶部塌陷后发展为池火灾 池液半径为12 25m 顿时周围一定范围内笼罩在强烈的热辐射中 此事故造成16人死亡 百余人受伤 直接经济损失5千万元 是一个典型的池火灾事故 池火灾事故后果分析方法 目前 对池火灾事故后果分析的方法大体有两类 一类是经验公式计算法这种计算方法方便实用 简单易行 可以规律性地获取相关数据 便于掌握和预测油罐燃烧情况的总体情况 一类是FDS软件模拟法FDS FireDynamicsSimulator 是美国国家技术标准局 NIST 建筑火灾实验室开发的基于场模拟的火灾模拟软件 该软件采用先进的大涡模拟技术 得到众多实例验证 在火灾安全工程领域应用广泛 经验公式计算法步骤 1 1 1燃烧速度的计算 由于燃烧速度极不稳定且不断变化 因此取燃烧中期平均燃烧速度为准 不同直径油罐液体表面上单位面积的燃烧速度为 式中 Vb 直线燃烧速度 mm s D 油罐直径 m 直线燃烧速度与质量燃烧速度的转换利用公式 式中 V 质量燃烧速度 kg m2 s 液体体积质量 kg m3 计算结果为 单位面积燃烧速度为0 0254kg m2 s 1 1 2火焰高度计算 当液池为一个半径r的圆形池时 火焰高度按下述公式计算 式中 h 火焰高度 m r 液池半径 m 半径为12 25m 0 周围空气的体积质量 取值1 16kg m3 g 重力加速度 取值9 8m s2 计算结果为 火焰高度可达22 41m 在大型火灾实验中 火焰形状并不清晰 因为在火焰周围存在大量的烟 所以上述火焰高度计算仅是理想情况下的估算值 1 1 3液池燃烧时的总辐射量 液池燃烧时的总辐射量按下述公式计算 式中 Q 总辐射量 W 效率因子 介于0 13至0 35之间 根据试验数据 对于大型油盘火灾 由于烟的屏蔽作用 使得辐射分数随着油盘直径的增加而下降 该计算中取平均值0 24 Hc 最大发热量 J mol 取43728 8J mol 计算结果为 由该式计算得总热辐射量Q 61 9 103kW 1 1 4目标入射热辐射强度的计算 假设全部辐射热量都由液池中心释放出来 在距离液池中心点X m 的某一点的入射热辐射强度 目标入射热辐射强度 为 式中 I 入射热辐射强度 W m3 tc 热传导系数 在无相对理想数据时 可取值1 X 目标点到火源 罐壁 的距离 m 上述目标入射热辐射强度公式 反映了热辐射能量与受害目标到火源距离之间的关系 当入射热辐射通量是一个定值时 可以计算出受害目标与火源之间的伤害距离 参照辐射危害程度 表1 计算得到 当I1 37 5kW m2时 X1 11 4m I2 25 0kW m2时 X2 14 1m I3 12 5kW m2时 X3 19 9m I4 4 0kW m2时 X4 35 1m I5 1 6kW m2时 X5 55 5m 1 1 5对比热辐射危害程度表 热辐射计算所得热辐射曲线 FDS采用NIST的FDS火灾模拟器通过大涡模拟来进行地面油罐火灾发展过程的可视化仿真 选取油罐为中心的100m3空间进行模拟 持续燃烧20s 取以油罐中心横截面来观察热辐射以及数据导出 经Smokeview截图可看出火焰不停变动但总体趋势稳定 故取中心截面火焰1 2高度处5 15s的平均值为导出数据 选取相同距离热辐射最大值 Smokeview模拟视图见图1 3 图1 2是FDS模拟油罐燃烧热辐射的三维图 图2是包含烟气情况下的辐射图 图3为热辐射截面图 1 2FDS模拟热辐射计算 图1模拟油罐燃烧热辐射的三维图 图2包含烟气情况下的模拟油罐燃烧热辐射的三维图 图3热辐射截面图模拟 热辐射计算所得热辐射曲线 经验公式计算法与FDS软件模拟计算法之比较 两组数据对比可看出 计算数据更具有规律性 模拟数据具有多变性和不对称性 但二者对于最大热辐射强度的数值点的走向上是趋于一致的 通过对几个重要数值点据在大部分时线完全拟合 结论 a 传统计算方法方便实用 可以规律性地获取相关数据 便于掌握和预测油罐燃烧情况的总体情况 b FDS模拟对于火焰的动态变化情况更具实际意义 同时在数值上对经验公式起到补充和完善作用 c 通过两种方法的结合 可以更全面准确地掌握油罐燃烧的热辐射强度数据 更准确地预测油罐火灾的燃烧特性 对实战具有重要的指导意义 表1辐射危害程度一览 案例分析 本例中危险单元为输油管道 且无防护堤 假定泄漏的液体无蒸发 已充分蔓延且地面无渗透 泄漏量为1000kg 环境温度为30 原油的性质为 比重0 85 0 89 相对密度0 780 0 970 液 闪点是6 67 32 22 自燃点350 爆炸极限1 1 6 4 V 沸点300 325 火焰温度1100 热值41870kJ kg 第二章喷射火 喷射火事故后果分析中存在大量的不确定性 分析困难较大 本文是运用喷射火焰对目标的入射热辐射强度计算模型 确定喷射火事故灾害损失面积 再根据城市街区平均人口密度和平均财产密度确定事故中人员伤亡数量和财产损失数量 在目前技术和管理水平下这种方法是一种较好的方法 并能为其他相关事故后果分析提供思路 城市燃气管道喷射火事故实例 2003年 山东省潍坊市某输送天然气的中压A级管道发生破裂 遇明火被点燃后发展为喷射火灾事故 造成了一定量的人员伤亡和财产损失 经测定 管道内燃气压力为0 4MPa 外界大气压为1 01 105Pa 温度为常温 裂口为圆形 且面积约为0 4cm2 喷射火事故后果分析步骤 2 1事故分析前假设 为了便于计算 首先我们把把整个喷射火看成是由沿喷射中心线上的所有点热源组成 每个点热源的热辐射通量相等 一般将喷射火焰看成由沿喷射中心线上的5个点热源组成 2 2燃气泄漏速度的计算 当满足时气体流动属于声速流动 其泄漏速度为 当满足时 气体呈亚声速流动 其泄漏速度为 备注 以上两式中p0为环境压力 Pa p为管道内燃气压力 Pa k为气体绝热指数 即定压比热CP与定容比热CV之比 Q0为泄漏速度 kg s Cd为气体泄漏系数 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 M为气体摩尔质量 kg Kmol T为气体温度 K A为裂口面积 m2 R为气体常数 J mol K 根据上述计算公式 则气体流动属于声速流动 在常温下其泄漏速度为Q0 0 868Kg s 2 3热辐射强度的计算 在将喷射火焰看成由沿喷射中心线上的5个点热源组成的前提下 某点热源i到距离该点x处某一目标点的热辐射强度为 式中 为点热源i至目标点z处的热辐射强度 W m2 为辐射率 一般取0 2 x为点热源到目标点的距离 m 备注 由于将喷射火假设有5个点热源 所以某点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 同时又由于喷射火焰长度 形状受到喷射速度 喷射口形状和大小 风速等多种因素影响 喷射火焰对目标的热辐射强度计算存在大量的不确定性 为简化计算 假设喷射火沿喷射中心线的全部点火源集中在某一点处 如下图所示 经计算 热辐射通量为48275 80J 所以单个热源的热辐射强度与距离的关系式为 喷射火简化模型 所以 距离假设点热源x处的目标的入射热辐射强度即为 总辐射强度与距离的关系是为 2 4伤害面积的计算 火灾通过热辐射的方式影响周围环境 当火灾产生的热辐射强度足够大时 可使周围的物体燃烧或变形 强烈的热辐射可能烧毁设备甚至造成人员伤亡 表1中给出了不同热辐射通量造成不同的损失 根据表1中不同损失入射通量的阙值 结合下述公式可以确定喷射火造成不同灾害的半径和面积 表1辐射危害程度一览 伤害半径 伤害面积 式中 I为热辐射强度 W m2 q为点热源热辐射通量 W 为辐射率 一般取0 2 O代表喷射火源 区域SR代表 操作设备全部损坏 人员1 死亡 l0s 100 死亡 1min 区域So代表 在无火焰 长时间辐射下 木材燃烧 人员重大损伤 l0s 100 死亡 1min 区域SY代表 有火焰时 木材燃烧 塑料熔化 人员1度烧伤 10s l 死亡 1min 喷射火火灾危险区域的划分 喷射火事故后果分析结果为 以喷射火源为中心 以10 12米为半径内的SR 321 84m2的区域内操作设备全部损坏 人员1 死亡 l0s 100 死亡 1min 在以喷射火源为中心 以10 12米到12 4米为半径SO 160 92m2的环形范围内人员重大损伤 l0s 100 死亡 1min 在一喷射火源为中心 以12 4米到17 54米为半径的SY 482 76m2的环形区域内人员1度烧伤 10s l 死亡 1min 2 5损失估算 城市燃气输送不同于长输燃气输送 城市燃气管道遍布城市每个街区 其人口密度和财产密度很大 事故一旦发生 极有可能造成重特大人员伤亡和财产损失 因此对城市燃气管道喷射火灾害进行损失估计具有重要的实际意义 由于城市人口流动很大 交通状况随时间和街区的不同而不同 例如商业文化街 火车站 汽车站等区域人员密度很大 时间上 在上下班高峰期街道人员密度很大 而夜晚人员密度则很小 所以城市街区人员密度不易确定 但可以针对街区不同的实际情况通过成立调查小组进行实地调查确定 调查街区人员密度可分三个时间段进行 上下班时间 7 00 9 00 11 00 13 00 17 00 19 00 白天其他时间 5 00 7 00 9 00 11 00 13 00 17 00 19 00 21 00 夜晚时间 21 00 5 00 最后可以将调查结果统计处理 得到各个时间段街区的人员密度 而街区管道周边的财产密度也可以调查得到 不同的是财产密度趋于稳定 受不确定性因素影响较小 值得注意的是财产密度应包括路边停放和路上行驶的车辆 假设某市某街区经调查三个时间段的平均人员密度分别为 1 1 1 人 m2 财产密度为 2 元 m2 根据下列公式可以计算喷射火事故财产损失程度和人员伤亡数量 具体公式如下 N11 N11 N11 分别表示三个时间段 人员1 死亡 10s 100 死亡 1min N12 N12 N12 分别表示三个时间段 人员重大损伤 10s 100 死亡 1min N13 N13 N13 分别表示三个时间段 人员1度烧伤 10s 1 死亡 1min 但在一般情况下人员可以及时远离喷射火焰 不会造成死亡 L1 L2分别表示全部财产 部分财产损失 经对此事故发生后的调查 此事故发生在上午10点 不属于上班高峰期 再加上事故发生地点远离闹市区 没有造成人员的重大伤亡 仅有部分人员轻度烧伤 事故发生地的财产密度为10万元 m 所以最终得出全部损失的财产为3218 4万元 部分损失的财产为1609 2万元 喷射火事故后果分析总结 喷射火事故后果分析受到大量不确定性因素的影响 例如管道裂口面积 喷射火焰长度和形状 平均人员密度 平均财产密度 气候条件等 尽管这些不确定因素对后果分析造成偏差 但在目前技术和管理水平下本文所提出的后果分析计算方法不失是一种较好的方法 可以为城市燃气管道风险评估提供重要依据 案例计算 利用该模型计算甲烷泄漏所造成的喷射火灾害后果 估计泄漏口的孔径为0 02m 管道内绝对压力为15个大气压 折合1 52 106Pa 环境温度为300K 相对湿度50 火焰温度为2000K 甲烷分子量为16 04 空气分子量为29 甲烷在空气中含量约为9 8 火球 装有过热可燃液体的储存罐或工艺容器突然失效 将导致液体泄露 由于储罐或容器中的压力远远大于大气压 内部的液体将快速喷到空中 并有一部分气体几乎在瞬间变为气体 并且迅速膨胀 形成一个由可燃液体蒸气 没有气化的液体的液滴以及空气组成的蒸气云 此蒸气云被点燃即会形成火球 火球迅速增大到最大 由于火球释放的热量使其内部的液体蒸发而导致火球变轻并离开地面 直到将其内部燃料烧完 在短短的燃烧过程中 火球可以释放出大量的辐射能 而且会在比它本身大好几倍的范围内引起人员伤亡和财产损失 因此 在对工艺容器或过热可燃液体的储存罐进行风险分析的时候 建立一个精确的火球热辐射后果模型 以对其进行精确的定性定量分析具有重要的现实意义 火球事故后果分析方法 目前 对火球的分析方法包括两类 一类是静态模型分析法此方法将火球简单地看为一件静态事件 一个有固定的大小 在一个固定位置的火球以一个固定的速率释放能量 而忽略了火球产生过程中的变化 从而使其分析结果产生偏差 一类是动态模型分析法此方法考虑到了火球本身所具有的产生 燃烧扩大 抬升以及最后消失的动态过程 从而能够更加准确的对火球事故进行分析 火球事故实例 某液化石油气码头包括3000T级液化石油气专用码头和12台容积为100m3的卧式液化石油气贮罐 液化石油气是由丙烷 丁烷等碳氢化合物加压液化的一种高热值 45144 45980kJ kg 的燃料 经测定本港区的液化石油气密度为0 16kg L 主要工艺设计参数 设计压力11765MPa 设计温度50oC 充满系数85 安全泄压阀定值116MPa 由于某次操作失误 储罐区的1个100m3储罐发生泄漏 泄漏百分比为10 并引发火球 对周围人员及财产造成了重大的伤害 火球静态模型分析法 3 1 1火球半径的计算公式为 式中 R 火球半径 m W 火球中消耗的可燃物质能量 对于单罐储存 W取罐容量的50 对于双罐储存 W取罐容量的70 对于多罐储存 W取罐容量的90 3 1 2火球持续时间的计算公式 式中 t 火球持续时间 W 火球中消耗的可燃物质的量 3 1 3目标接受到的热辐射通量的计算公式 根据上式 就可以计算出火球周围地区不同距离处的热辐射通量值 从而确定热辐射通量的分布 式中 q r 对目标的热辐射通量 kW m2 E 火球表面辐射通量 kW m2 对于柱状 卧式和立式储罐 E取270kW m2 对于球罐 E取200kW m2 R 火球半径 r 目标与评价对象之间的地面水平距离 3 1 4目标接受到的热量的计算公式为 式中 Q r 目标接受到的热量 J m2 q r 目标接受到的热辐射通量 由上式可以看出 目标接受到的热量与其接收到的热辐射通量和暴露时间均成正比 暴露时间越长 则其接收到的热量越多 受到的损伤也越大 火球动态模型分析法步骤 Martinsen和Marx对TNO的经验公式稍做修正之后 提出火球持续时间td为式中M为火球内燃料质量 kg 带入数据可以计算出火球的持续时间为7 61s 3 2 1火球持续时间的计算 火球直径的计算 火球直径在增大阶段持续变大 大概在t td 3时直径达到最大值 然后开始离地升空 一直到消散直径都保持最大值不变 计算公式为 在火球扩大阶段 火球直径与实践的关系为 在火球的稳定阶段 火球的直径为 99 84m 3 2 2火球中心到地面的高度 火球在放大阶段保持在地面上 而一旦火球直径达到最大时火球就开始上升 即在稳定燃烧阶段内 火球中心以固定的速率从处上升到离地面处 火球中心到地面的高度的计算公式为 火球在增大阶段火球中心离地面的高度为 火球在稳定燃烧阶段火球中心离地面的高度为 3 2 3目标接受到的热通量的计算 目标接受到的热通量是火球表面热辐射能E t 火球和目标之间的几何视角系数F x t 和大气传输率S x t 的函数 即为 火球表面辐射能 火球表面的热辐射随时间变化趋势是在火球的增长阶段保持最大值不变 而且是在内以固定的速率由最大值减小到0 即 式中 HC为燃烧热 kJ kg Emax为表面辐射能最大值 kW m2 f为燃烧热辐射系数 其计算公式为 代入数据可以得出燃烧热辐射系数f为0 32 火球表面最大热辐射能Emax为398 6kW m2 在火球的增大阶段 火球的表面热辐射能为 几何视角系数 目标可能在火球周围的各个方向 即目标不可能接受到来自于辐射表面上每个点的辐射能 而只能接受到其中一部分 因此 要引入几何视角系数这个参数 几何视角系数就是每单位面积上目标接受的和火球释放的辐射能之比 换一种说法就是目标能看到的火球的范围 它不仅与火球的大小 火球与目标的距离有关 还与火球与目标的相对方位有关 火球在增大阶段的几何视角为 火球在稳定燃烧阶段的几何视角为 大气传输率 大气传输率 S 为空气中水蒸气和CO2对热辐射的吸收率 其计算公式为 式中R为相对湿度 PV为一定温度下水的饱和蒸汽压 Pa 火球在增大阶段的大气传输率为 火球在稳定燃烧阶段的大气传输率为 图2100m3的液化石油气储罐10 泄漏所导致火球的D t H t E t 火球在增大阶段和稳定燃烧阶段的热通量之和为 表2CCPS静态模型与动态模型对于100m3液化石油气贮罐泄漏产生火球的热剂量随距离变化关系 表3热辐射剂量反应关系 CCPS静态模型与动态模型之比较 我们这里对CCPS静态模型和动态模型所得到的热辐射后果进行了比较 这里计算了当x 100m 200m 500m 1000m时 动态模型和CCPC静态模型所得到的热通量的值 从表2 表3中可以看出 在相同的位置 CCPS静态模型得到的热剂量明显大于动态模型 比如 在100m处 静态模型引起的是三度烧伤 而动态模型引起的是二度烧伤 在200m处 静态模型引起的是一度烧伤 而动态模型引起的是皮肤灼痛 案例计算 某运输甲烷的管道发生泄漏并着火燃烧 泄漏甲烷的体积为20立方米 已知甲烷的密度为716 8kg m3 相对湿度为50 突发火 闪火 液体 气体泄漏后在泄漏源附近扩散 在泄源上方形成气团 气团将在大气中进一步扩散 当遇到火源时发生突然燃烧而没有爆炸 此种火灾为突发火 在此种情况下 处于气体燃烧范围内的室外人员将会全部烧死 建筑物内的将有部分人员烧死 突发火的主要危害来自热辐射和火焰直接接触 可燃物云团的大小决定了可能造成直接火焰接触危害的面积 而云团的大小则部分取决于扩散和泄漏条件 突发火事故后果分析步骤 4 1突发火火焰高度的计算 在突发火模型中 假定突发火是一个火焰以恒定速度传播的过程 火焰可视高度可用近似的半经验公式计算 式中 H为火焰可是高度 m d为云团厚度 m s为燃烧速度 m 为空气密度 kg m3 为燃气混合物的密度 kg m3 r为理想配比下空气与燃料的质量比 4 2火焰高度的计算 火焰宽度W随时间变化关系为 式中 R为云层半径 m S为燃烧速度 m s t为时间 s 4 3几何视角系数的计算 假设辐射面和接受面是两个互相平行的平面 则F可用Fmax表示 计算关系如下 式中 H为火焰可是高度 m X为到目标物的距离 m W为火焰宽度 m 4 4大气传导率的计算 在保守计算场合 若是干燥晴朗的天气一般可取 1 已知湿度时可用下式计算 式中 RH为相对湿度 X为到目标物的距离 m 4 5目标所受热辐射能的计算 平面物体单位面积上接收的辐射能由下式计算 式中 E为辐射能 KW m2 F为几何视角系数 为大气传导率 突发火事故后果分析总结 突发火由于其发生的突然性和隐蔽性等特点容易被人们所忽略 并且此类火灾一旦发生可能造成的损失普遍偏大 并且易燃气体泄露点与火灾发生地点可能距离比较远 从而为事故的预防和控制造成很大困难 经过上述计算 在我们可以得出平面物体单位面积上接收的辐射能然后再对照表1中的物体和人员破坏和损伤阈值就可以分析出突发火的危害半径 从对提高灾害后果评估精度 预防 减少人员伤亡和财产损失有一定帮助 表1辐射危害程度一览 案例分析 在一个空旷的地面短时间泄漏了大量的丙烷 在传播扩散中形成一个扁平的圆形的云团 云团约有1 2m厚 直径为80m 云团内燃料的体积百分比为15 从云团边缘点火燃烧 当时风速1m s 相对湿度为40 已知丙烷分子量为44kg kmol 空气29kg kmol 理想配比时燃料占的体积比 st 0 04 恒定压力下理想配比时燃烧的膨胀比 8 碳氢化合物一般取 8 要求计算距离云团中心90m处一个垂直接收面上所受的热辐射通量随时间的变化情况 固体火灾 固体火灾多指易燃或可燃的固体被引燃并且其燃烧反应超出了人们可接受的范围的火灾事故 固体火灾的主要危害方式是热辐射和有毒烟气 当固体火灾的热辐射强度足够大时 可进一步使周围物体燃烧起火并造成人员伤亡 同时 固体火灾产生的有毒有害烟气也可导致现场人员的窒息 中毒乃至死亡 固体火灾实例 2003年 山东省枣庄市某装修建材市场仓库由于电气设备老化导致周围装修建材被引燃而引发火灾 最终整个仓库的建材均被点燃 此次火灾持续半个小时方才被扑灭 造成了2人死亡 多人受伤及大量的财产损失 经事故后调查 仓库内50吨建材全部烧毁 建材的平均燃烧热为25000kj kg 固体火灾热辐射危害分析方法 固体火灾的热辐射参数按点源模型估计 此模型人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 式中 qr为目标接收到的辐射强度 W m2 f为辐射系数 可取f 0 25 Mc为燃烧速率 kg s Hc为燃烧热 J kg x为目标至火源中心间的水平距离 m 事故后果分析 经分析 装修建材的燃烧速度为28kg s 所以此次火灾的热辐射强度与木标离火源距离x的关系式为 对照表3可知 引起一度烧伤 二度烧伤 三度烧伤和人员全部死亡的危害半径分别为11 8m 9 6m 7 4m 3 4m 然后我们就可以划定危险区域 表3热辐射剂量反应关系 固体火灾事故危险区域的划分 火灾烟气毒性评价 1 火灾烟气是由三类物质组成的具有较高温度的云状混合物 即 1 燃烧产生的气相产物 如水蒸汽 CO2等 2 流动过程中卷吸的空气 3 多种微小的固