泄漏事故后果模拟分析方法

1、泄漏事故后果模拟分析方法,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。 各设备泄漏情况裂口尺寸见资料。,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。 (2)设备原因。 (3)管理原因 。 (4)人为失误。 具体详见资

2、料。,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。 (经验公式？),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： (1)常压液体； (2)加压液化气体； (3)低温液化气体； (4)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

3、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。 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。 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。 常温常压下液体泄漏。这种液体

4、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。 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。 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。,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 Q

5、0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； 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。,继续,雷诺数介绍,测量管内流体流量时往往必须了解其流动状态、流速分布等。雷诺数就是表征流体流动特性的一个重要参数。 流体流动时的惯性力Fg和粘性力(内摩擦力)Fm之比称为雷诺数。用符号Re表示。Re是一个无因次量。,式中，式中的动力粘度用运动粘度来代替，因，则,式中：流体的平均速度； l 流束的定型尺寸； 、在工作状态；流体的运动粘度和动力粘度被测流体密度；由上式可知，雷诺数Re的大

6、小取决于三个参数，即流体的速度、流束的定型尺寸以及工作状态下的粘度（流体工作状态下的粘度怎么求得，仪器测量？）。,用圆管传输流体，计算雷诺数时，定型尺寸一般取管道直径(D)，则 用方形管传输流体，管道定型尺寸取当量直径(Dd)。当量直径等于水力半径的四倍。对于任意截面形状的管道，其水力半径等于管道戳面积与周长之比所以长和宽分别为A和B的矩形管道，其当量直径 对于任意截面形状管道的当量直径，都可按截面积的四倍和截面周长之比计算，因此，雷诺数的计算公式为,返回,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

7、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液体的定压热容，J/(kgK)； 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01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F02时，一般不会形成液

8、池；当F02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=01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，即定压热容cp与定容热容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

9、圆形时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90； A裂口面积，m2 p容器内介质压力，Pa； Y气体膨胀因子，它由下式计算： (7) M分子量； 气体密度，kg/m3； R气体常数，J(molK)；(通用气体常数R 8314.3 J(molK) 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

10、取08； 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； 两相混合物的平均密度，kg/m3，它由下式计算： (9) 1液体蒸发的蒸气密度，kg/m3； 2液体密度，kg/m3； Fv蒸发的液体占液体总量的比例，它由下式计算： (10) cp两相混合物的定压比热，J/(kgK)； T两相混合物的温度，K； Tc临界温度，K； H液体的气化热，J/kg。 当Fv1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

11、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

12、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，98ms2； 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。 闪蒸：过热液体泄漏后，由于液体的自身热量而

13、直接蒸发称为闪蒸。发生闪蒸时液体蒸发速度Q1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。 热量蒸发：当Fv1或Qtm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Q1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，Jkg； L液池长度，m； 热扩散系数，m2s，见表2； K导热系数，J(mK)，见表2； t蒸发时间，s； Nu努舍尔特(Nusselt)数（努塞尔数 ）。（是传热膜系数与特征长度L的乘积除以流体热导率所得的

14、数群。 具体取值多少？）,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) 式中 分子扩散系数，m2/s；（取值多少？ ） Sh舍伍德(Sherwood)数（是反映包含有待定传质系数的无因次数群，类似于传热中的努塞特数，以符号Sh或Nsh表示。它是由三个物理量组成，即Sh=kL/DAB。式中：k为传质系数，m/s；L为特性尺寸，m；DAB为溶质A在溶剂中B中的特性系数，m2/s。 ）； A液池面积，m2； L液池长度，m； 1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

15、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； 0泄漏气体的密度，kg/m3； 周围环境条件下气体的密度，kg/m3。 如果气体泄漏能瞬间达到周围环境的温度、压力状况，即0=，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+48.29.952，b2=23+41 。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

16、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) 式中 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) 式中 0泄漏气体的密度，kg/m3； 周围环境条件下气体的密度，kg/m3； D等价喷射孔

17、径，m； b1分布参数，同前； x喷射轴线上距裂口某点的距离，m； V（x）喷射轴线上距裂口x处一点的速度，m/s； V0 喷射初速，等于气体泄漏时流出裂口时的速度，m/s，按下式计算 (20) Q0气体泄漏速度，kgs； 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

18、)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。 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(T1T2)0.98P0(V2V1) (21) 式中 E气体扩散能，J； CV定容比热，J/(kgK)； T1气团初始温度，K； T2气