燃气事故后果模拟分析

1、安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 火灾、爆炸、中毒是燃气企业主要的重大事故，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。 事故后果分析是一种对危险源预测和控制的有效方法， 它通过估计重大事故发生后会有哪些不良的影响，以及这些 不良影响所造成的伤亡、损害的严重性，来为人们提出防范 措施提供依据。 对危险源进行事故后果模拟分析，确定其影响范围，采 取有效的防范控制措施具有重大意义。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

2、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。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。 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 第第3页页 泄泄 漏漏 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。 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 1、泄漏的主要设备泄漏的主要设备 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，它包括管道、法兰和接头； 挠性连接器，它包括软管、波纹管和铰接器； 过滤器

3、 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，它包括露天或埋地放置的储存器、压 力容器或运输槽车等 火炬燃烧装置或放散管等。 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 2、造成泄漏的原因造成泄漏的原因 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)认为失误。 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 （1）设计失误）设计失误 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； 选材不当，如强度不够，耐腐蚀性差、规格不符等； 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； 选用计测仪器不合适； 储罐、贮槽未加液位计，反应器(炉)未加溢流管或放散 管等。 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 （2）设备原因）设备原因 加工不符合要求，或未经检验擅自采用代用材料； 加工质量差，特别是不具有操作证的焊工焊接质量差； 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； 选用的标准定型产品质量不合格； 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； 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； 计测仪表未定期校验，造成计量不准； 阀门损坏或开关泄漏，又未及时更

5、换； 设备附件质量差，或长期使用后材料变质、腐蚀或破裂等 。 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 （3）管理原因）管理原因 没有制定完善的安全操作规程； 对安全漠不关心，已发现的问题不及时解决； 没有严格执行监督检查制度； 指挥错误，甚至违章指挥； 让未经培训的工人上岗，知识不足，不能判断 错误； 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。 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 （4）人为失误）人为失误 误操作，违反操作规程； 判断错误，如记错阀门位置而开错阀门； 擅自脱岗； 思想不集中； 发现异常现象不知如何处理； 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院

6、 3、泄漏后果、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。泄漏物质的物性不同，其泄漏后果也不同。 （1）可燃气体泄漏； （2）有毒气体扩散； （3）液体泄漏。 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 （1）可燃气体泄漏）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。 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，产生喷射性火焰喷射性火焰或形成火球火球，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

7、出后与空气混合形成可燃蒸气云团蒸气云团，并 随风飘移，遇火源发生爆炸或爆轰爆炸或爆轰，能引起较大范围的破坏。 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。 （2）有毒气体泄漏）有毒气体泄漏 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 （3）液体泄漏）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

8、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。（液池+蒸汽云团） 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。（沸腾液体扩展蒸汽云） 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 第第13页页 事故模型事故模型 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 火灾模型火灾模型 池火：池火灾是一种从容器或其他设备泄漏出去的易（ 可）燃物，在地面上或水面上形成油池，油池遇火源或高 温而被引燃的火灾。 喷射火：加压的易燃性液体或气体从破裂的开口（如

9、法兰）或管路喷射出，在泄露口被引燃的火灾，即喷射火 灾。 闪火：泄漏的可燃液体、液体蒸发的蒸汽在空气中扩散 ，延迟遇到火源发生突然燃烧的现象。 火球：低温可燃液化气由于过热，容器内压力增大，使 容器爆炸，内容物释放并被点燃，发生剧烈的燃烧，产生 强大的火球，形成强烈的热辐射。 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 爆炸模型爆炸模型 蒸气云爆（VCE）：泄漏出来的介质与空气所形成 的混合气体中可燃物质的浓度在爆炸极限范围内，并遇到 延迟点火的情况下所导致蒸汽云爆炸。（与闪火同为延迟 点火类型） 沸腾液体扩散蒸气云爆炸（BLEVE）：当储 罐在外部火焰的烘烤下突然破裂，使储罐内物质的压力平

10、衡被破坏，造成介质急剧汽化，并随即被火焰点燃时发生 沸腾液体扩展蒸汽爆炸。 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 火灾损失火灾损失 火灾通过热辐射热辐射的方式影响周围环境，当火灾产生的热辐射强度热辐射强度 足够，可使周围物体燃烧或变形，强烈的热辐射可能燃毁设备和造成 人员伤亡等。 火灾损失估算建立在辐射通量与损失等级的相应关系基础上，表3为不 同入射热辐射通量造成伤害或损失对应情况。 表表3 热辐射的不同入射通量所造成的损失热辐射的不同入射通量所造成的损失 入射通量 （KW/m2） 对设备的损害对人的损害 37.5操作设备全部损坏 1%死亡/10秒 100%死亡/1分钟 25.0在无火焰

11、，长时间辐射下木材燃烧的最小能量 重大损伤/10秒 100%死亡/1分钟 12.5有火焰时，木材燃烧，塑料熔化的最低能量 1度烧伤/10秒 1%死亡/1分钟 4.020秒以上感觉疼痛 1.6长期辐射，无不舒服感 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 爆炸冲击波及其伤害、破坏作用爆炸冲击波及其伤害、破坏作用 超压准则认为：只要冲击波超压达到一定值，便会对目标 造成一定的伤害和破坏。 冲击波超压对人体的伤害： 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 冲击波超压对建筑物的破坏作用冲击波超压对建筑物的破坏作用 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 以液化石油气储罐为例以液化石油气储罐为

12、例 长期以来液化石油气都是我国城镇燃气的主要气源之一，液化石 油气是由多种烃类气体组成的混合物，主要成分是含有3个碳原子和4 个碳原子的碳氢化合物，根据石油化工企业设计防火规范的规定 ，属于甲A类易燃易爆物质。液化石油气在常温常压下呈气态，但在加 压和冷却时很容易变为液态，其体积仅为原来的1/2001/300，一但泄 漏将迅速降压气化，气态的液化石油气比空气重，比重约为空气的 1.52.5倍，泄漏出来的液化石油气会在低洼处聚集，与空气形成爆炸 性混合物。液化石油气爆炸极限范围为1.5%9.5%，爆炸极限范围广， 爆炸下限低，极易形成爆炸条件。所需爆炸能量小，最小点火能量约 为0.310.38毫

13、焦耳，极微小的火种，都足以引起液化石油气的燃烧或 爆炸。液化石油气的储运设备为压力容器，有很大的火灾爆炸危险性 ，如果在工业生产或存储中因为管理不当或设备故障可能造成火灾爆 炸事故，将对人民群众生命财产和社会公共安全安全构成极大的威胁 ，其安全可靠运行与否，已成为众所关注的问题，是燃气企业安全生 产的重点控制对象，也是燃气行业监管部门的主要监控对象。 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 喷射火灾 沸腾液体扩展蒸汽爆炸（BLEVE） 未封闭蒸汽云爆炸（VCE） 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 喷射火灾模型喷射火灾模型 从破裂的开口（如法兰）或管路喷射出易燃性液体或气体 而被引

14、燃的火灾，即喷射火灾。其燃烧时间取决于燃料的 多少及燃料的泄漏率。这里所用的喷射火辐射热计算方法 是一种包括气流在内的喷射扩散模型的扩展。把整个喷射 火看成是由沿喷射中心线上的全部点热源组成，每个点热 源的热辐射通量相等。 点热源模型的热辐射通量计算公式： q=Q0Hc （1） 式中 q点热源热辐射通量，W； 效率因子，可取0.35； Q0泄漏速度，kg/s； Hc燃烧热，J/kg。 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 从理论上讲，喷射火的火焰长度等于从泄漏口到可燃混合 气燃烧下限（LFL）的射流轴线长度。点热源数的划分可 以是随意的，对危险评价分析一般取n=5。 射流轴线上某点热源i

15、到距离该点x处一点的热辐射强度为 ： （2） 式中：Ii点热源I到目标点x处的入辐射强度，W/m2； q点热源的辐射通量，W； R辐射率，可取0.2； x点热源到目标点的距离，m。 某一目标点处的入射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计算时一般选取的点热源数为五 个。 2 4 x Rq I i 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 为了简化计算,可以假设所有的辐射是由一个点源释放的,点源位 于地面上,这样得出的结果偏保守。水平方向距离为x 的地方接 受到的总热辐射量为: (3) 液体泄漏速度可用下式计算： (4) 式中： 液体泄漏速度,kg/s； 泄漏系数,无单位，

16、其取值见表1； A泄漏口面积,m2； 液体密度,kg/m3； 液体储存压力,Pa； 外界环境压力,Pa； 重力加速度；9.8m/s2 h泄漏口上方液体的高度；m。 2 0 4 x RHQ I C 2 1 0 0 )2 )(2 (gh PP ACQ d 0 Q d C P 0 P g 雷诺数（Re） 泄漏口形状 圆形（多边型）三角形长方形 1000.650.600.55 1000.50.450.4 表1 液体泄漏系数 的取值 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 沸腾液体扩展蒸汽爆炸模型沸腾液体扩展蒸汽爆炸模型（ BLEVE ） 沸腾液体扩展蒸汽爆炸事故是当储罐在外部火焰的烘 烤下突然破裂

17、，使储罐内物质的压力平衡被破坏，造成介 质急剧汽化，并随即被火焰点燃时发生剧烈的燃烧，产生 巨大的火球，形成强烈的热辐射，造成人员伤亡和财产损 失，此种现象称为沸腾液体扩展蒸汽爆炸。 沸腾液体扩展蒸汽爆炸是可以产生三种危害后果：冲 击波超压、火球热辐射和抛射碎片，有时候也可能伴随延 迟发生的蒸汽云爆炸或闪火等事故灾害，其中，爆炸火球 的热辐射式最主要的伤害因素。本文采用国际劳工组织建 议的BLEVE模型。 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 蒸汽云爆炸模型蒸汽云爆炸模型（VCE） 未封闭蒸汽云爆炸是

18、指泄漏出来的介质与空气所形成 的混合气体中可燃物质的浓度在爆炸极限范围内，并遇到 延迟点火的情况下所导致蒸汽云爆炸。对蒸汽云爆炸进行 定量评价的方法主要有两种：TNT当量法和TNO模型法， 本文采用TNT当量法计算蒸汽云爆炸产生的危害程度。 （1）TNT当量计算 （5） TNT ff TNT Q QW W 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 （2）伤害半径的确定 蒸汽云爆炸主要因冲击波造成伤害，因而按超压准则确定人员 伤亡区域及财产损失区域。 死亡半径R1 （6） 重伤半径R2和轻伤半径R3 重伤半径指人员因在冲击波作用下耳膜破裂的概率为0.5的半径 ，它要求的冲击波峰值超压为4400

19、0Pa；轻伤半径指人员在冲击 波作用下耳膜破裂的概率为0.01的半径，它要求的冲击波峰值 超压为17000Pa。应用超压准则，冲击波超压 可按以下公式计 算： 37. 0 1 )1000/(6 .13 TNT WR TNTTNT S QWE PPp EPRZ ZZZp 0 3/1 0 123 / )/( 019. 0269. 0119. 0137. 0 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 第第30页页 工程实例工程实例 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 工程简介工程简介 某液化石油气储配站有一个LPG储罐组，罐 组内布置有四个100

20、0m3地上式球罐，液化 石油气储罐工作压力1.6MPa，按储存系数 80%计算，最大储存容积为3200 m3，液化 石油气（液态）比重为0.5，单个储罐最大 液化石油气存量为400t，储罐组实际最大液 化石油气储存量可达1600t。储罐内液面安 全高度约为8600mm，液化石油气燃烧热为 4.65104KJ/kg。 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 1、喷射火灾事故后果计算喷射火灾事故后果计算 初始条件 根据同类液化石油气储罐发生过的类似事故，假设储罐底 部与出液管道相连接处焊缝开裂，发生液化石油气泄漏， 遇到火源发生喷射火灾事故，泄漏口长100mm，宽10mm, 面积10cm2。

21、泄露速度的计算，将初始数据代入公式(4) 计算得液体 泄漏速度： 2 1 0 0 )2 )(2 (gh PP ACQ d skg /59.21 )6 . 88 . 92 500 10)101. 06 . 1 (2 (00510100.55 2 1 6 4 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 伤害半径的计算，根据表2，将火灾造成各种危害的入射通量 以及泄露速度代入（3）式，即可划定相应的伤害半径值。 死亡半径取当入射热通量I=25.0kw/m2时, 重伤半径取当入射热通量I=4.0kw/m2 时, 轻伤半径取当入射热通量I=1.6kw/m2 时, 财产损失半径取取当入射热通量I=12.5

22、kw/m2 时, m I RHQ x C 96.14 0 .2514. 34 2 . 04650059.2135. 0 4 0 m I RHQ x C 40.37 0 . 414. 34 2 . 04650059.2135. 0 4 0 m I RHQ x C 14.59 6 . 114. 34 2 . 04650059.2135. 0 4 0 m I RHQ x C 16.21 5 .1214. 34 2 . 04650059.2135. 0 4 0 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 伤亡和财产损失分析 根据上述计算结果可知：液化石油气储罐区内一个液化石油气 储罐底部与出液管道相连

23、接处发生喷射火灾（开口面积10cm2） 所造成的伤亡和财产损失分析如下。以裂口处为中心，半径 r14.96m范围内为死亡区；14.96mr37.40m范围内为重大伤 亡区；37.40mr59.14m 范围内为轻伤区；r59.14m为安全 区半径；r21.16 m为财产损失区，伤亡和财产损失范围一览表 结果列于表3。 表3喷射火灾伤亡和财产损失范围一览表 灾害类型 泄漏面积 cm2 死亡半径 （m） 重伤半径 （m） 轻伤半径 （m） 财产损失 半径（m） 喷射火1014.9637.40 59.14 21.16 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 2、沸腾液体扩展蒸汽爆炸事故后果计算沸腾

24、液体扩展蒸汽爆炸事故后果计算 罐组内布置有4个1000m3地上式球罐，属于多罐储存，所以，火球中消 耗的可燃物质量取罐容量的90%。即： W=1600100090%=1.44106（kg） 火球半径，由（9）式计算得火球半径： 火球持续时间，由（10）式计算得火球持续时间： 对人员及周围建筑物产生不同影响的热辐射的计算 死亡、一度、二度烧伤以及烧毁财物，都以伤害百分数D=50% 定义，取Pr=5计算。分别代入（12）、（13）、（14）、（15） 式得：死亡时热辐射通量 ；二度烧伤热辐射通量 ；一度烧伤热辐射通量 ；财产损失 热辐射通量 。 )(48.327)1044. 1 (9 . 29 .

25、 2 3/163/1 mWR )(82.50)1044. 1 (45. 045. 0 3/163/1 sWt 2 1 m12404.90W/q 2 2 W/m52.1958q 2 3 W/m73.3612q 2 4 W/m53.25690q 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 伤害半径的计算 将中求得的 、 、 、 分别代入（11）式，即可利用计算 机算出沸腾液体扩展蒸汽爆炸死亡半径 936.58m；二度烧伤半径 1174.80m；一度烧伤半径 1787.75m；财产损失半径 594.20m。 伤亡和财产损失分析 根据上述计算结果可知：液化石油气储罐区内四个液化石油气储 罐发生蒸汽云爆

26、炸事故所造成的伤亡和财产损失分析如下。距爆 炸中心点半径r936.58m范围内为死亡区；936.58 mr1174.80m 范围内为重大伤亡区；1174.80mr1787.75m 范围内为轻伤区；r 1787.75m为安全区半径；r594.20m为财产损失区，伤亡和财产 损失范围一览表结果列于表7。 表7沸腾液体扩展蒸汽爆炸伤亡和财产损失范围一览表 灾害类型死亡半径（m）重伤半径（m）轻伤半径（m） 财产损失半径 （m） 沸腾液体扩展 蒸汽爆炸 936.581174.801787.75594.20 1 q 2 q 3 q 4 q 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 3、蒸汽云爆炸事故后果计算蒸汽云爆炸事故后果计算 罐区内储罐同时发生蒸汽云爆炸事故的概率很小，单个储 罐发生事故可能性最大，因此，选择单个储罐作为研究对 象，假设储罐内400t液化石油气全部泄漏，即泄漏量以 400t计。 （1）TNT当量计算 )(10646. 1 4520 465001040004. 0 5 3 kg Q QW W TNT ff TNT 安全技术与环境工程系 福建交通职业技术学院 （2）伤害半径的确定 死亡半径R1 将TNT当量代入（6）式计算得死亡半径： 重伤半径R2 根据（7）式，有： 以上方程式由计算机解得：Z=1.08905601501465， 重伤半径 R2=21