乙醇贮罐区事故后果定量模拟分析

乙醇贮罐区事故后果定量模拟分析苗金明;刘倩倩;张宪金【摘要】Thispapersystematicallyanalyzesthemajorriskoftheethanoltankarea,andsummarizesthepossibleconsequencesoftheaccident:tankpoorfire,vaporcloudexplosion（VCE）,boilingliquidexpandingvaporexplosion（BLEVE）.Alsomathematicalmodelsofquan-titativesimulationanalysisandanappliedmethodologyforsimulatingtheconsequencesispresen-ted,whichisconductiveforoveralllayoutofalcoholtank,securitydesign,riskanalysis,andaccidentpreventionmeasures.%通过对乙醇罐区的危险特性进行分析,指出乙醇的事故后果主要为池火灾、蒸气云爆炸、沸腾液体扩展为蒸气爆炸;给出了乙醇事故后果的定量模拟分析的数学模型,同时进行了实例模拟，对指导乙醇贮罐区的总体布局、贮罐区安全设计、贮罐区危险性分析及事故预防措施均有一定参考价值。【期刊名称】《北京劳动保障职业学院学报》【年(卷)，期】2012(000)001【总页数】5页(P36-39,60)【关键词】乙醇罐区;事故后果;定量模拟分析;预防措施【作者】苗金明;刘倩倩;张宪金【作者单位】北京劳动保障职业学院，北京100029;北京劳动保障职业学院，北京100029;北京劳动保障职业学院，北京100029【正文语种】中文【中图分类】X915.3乙醇是无色、透明、有香味、易挥发的液体，具有易燃性、易爆性、高度流动扩散性、受热易膨胀、易积聚静电荷等危险特性。乙醇由于其闪点低，化学活性强，故属甲类危险性化学品，应储存在阴凉通风的仓库中，远离火种、热源、氧化剂及氧化性酸类。由于腐蚀、制造缺陷、法兰未紧固等原因，在贮罐区非作业状态下，乙醇会发生渗漏，遇明火燃烧。作业状态下，由于装卸乙醇的胶管破裂、密封垫破损、快速接头紧固栓松动等原因会造成乙醇泄漏。乙醇泄漏的主要事故后果是池火灾、蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸［1］。一、乙醇储罐区的泄漏后果贮罐区乙醇发生泄漏，在地势低洼处积聚，挥发的乙醇蒸气四处蔓延，遇明火源、静电、雷电、作业场所的机动车辆的电火花以及用电线路的老化会引起燃烧爆炸事故，造成严重的损失。乙醇在常温常压下泄漏，迅速扩散到周围区域形成液池，遇明火会引起池火灾，池火灾的破坏主要是热辐射。热辐射作用在容器和设备上，其内部压力会迅速升高，引起容器和设备的破裂。如果热辐射作用于可燃物，会引燃可燃物；如果热辐射作用于人员，会引起人员烧伤甚至死亡。蒸气云爆炸，是指可燃气体或蒸气与空气的云状混合物在开阔地上空遇到点火源引发的爆炸。乙醇泄漏后，其蒸气与周围的空气预混，在延迟点火、空间局限化的情况下，遇明火、高热能就会引起燃烧爆炸。蒸气云爆炸发生后其破坏作用主要包括爆炸冲击波、爆炸火球热辐射对周围人员、建筑物、储罐等设备的伤害、破坏。沸腾液体扩展蒸气爆炸是指液体急剧沸腾产生大量过热而引发的一种爆炸式沸腾现象。乙醇贮罐区的沸腾液体扩展蒸气爆炸，是指储罐在外部火焰的烘烤下突然破裂，压力平衡破坏，罐内乙醇急剧气化，并随即被火焰点燃而产生的爆炸。沸腾液体扩展蒸气爆炸发生后，主要危害是爆炸产生的火球热辐射。二、事故后果定量模拟分析计算公式（一） 泄漏由于设备损坏或操作失误引起泄漏从而大量释放易燃、易爆、有毒有害物质，将会导致火灾、爆炸、中毒等重大事故发生。因此，后果分析由泄漏开始［2］。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：式中：Q0为液体泄漏速度，kg/s;Cd为液体泄漏系数；A为裂口面积，m2;p为泄漏液体密度，kg/m3;P为容器内介质压力，Pa;P0为环境压力，Pa;g为重力加速度，9.8m/s2;h为裂口之上的液位高度，m。连续泄漏（泄漏持续10min以上）时：式中：r为液池半径，m;m为泄漏的液体量，kg;g为重力加速度，9.8m/s2;P为设备中液体压力，Pa;t为泄漏时间，s。（二） 池火灾危害后果的计算模型乙醇泄漏后流到地面形成液池，遇到火源燃烧而成池火。池火灾的破坏主要是热辐射热辐射作用在容器和设备上，其内部压力会迅速升高，引起容器和设备的破裂。如果热辐射作用于可燃物，会引燃可燃物；如果热辐射作用于人员，会引起人员烧伤甚至死亡。热辐射通量液池燃烧时放出的总热辐射通量为：式中：Q为总热辐射通量，W；n为效率因子，可取0.13~0.35;S为液池面积，m2,可按S=nr2计算；L为液池周长，m,可按L=2nr计算。目标入射热辐射强度假设全部辐射热量由液池中心点以小球面辐射出来，则在距离池中心某一距离（X）处的入射热辐射强度为：式中：I为入射热辐射强度，W/m2；n为热传导系数，可取值为1；X为目标点到液池中心距离，m。不同热辐射强度所造成的损失，见表1。表1热辐射的不同热辐射强度所造成的损失__入射热辐射强度（kW/m2）对设备的损害对人的损害 37.5操作设备全部破坏10s,1%死亡；1min,100%死亡25在无火焰、长时间的辐射下木材燃烧的最小能量10s，重大损伤；1min,100%死亡12.5有火焰时，木材燃烧，塑料融化的最小能量10s，烧伤；1min,1%烧伤4.020s以上感觉痛，未必起泡 1.6长期辐射无不适 （三）蒸气云爆炸（VEC）危害后果的计算模型蒸气云爆炸，是指可燃气体或蒸气与空气的云状混合物在开阔地上空遇到点火源引发的爆炸。乙醇泄漏后，其蒸气与周围的空气预混，在延迟点火、空间局限化的情况下，遇明火、高热能就会引起燃烧爆炸。蒸气云爆炸发生后其破坏作用主要包括爆炸冲击波、爆炸火球热辐射对周围人员、建筑物、储罐等设备的伤害、破坏。蒸气云爆炸计算采用TNT当量法［3］。TNT当量的计算假定一定百分比的蒸气云参与了爆炸，可以用TNT当量WTNT来表示蒸气云爆炸的威力，计算公式为：式中：A为蒸气云的TNT当量系数，取值范围0.02%~14.9%，可以取4%;WTNT为蒸气云的TNT当量，kg;Wf为蒸气云中燃料的总质量，kg;Qf为燃料的燃烧热，MJ/kg;a为地面爆炸系数，取1.8;QTNT为TNT的爆热，4.12~4.69MJ/kg。死亡区半径死亡区内径为零，夕卜径记为R0.5,表示外圆周处人员因冲击波作用导致肺出血而死亡的概率为0.5，它与爆炸量间的关系由下式确定：重伤区半径重伤区内径为死亡半径R0.5,外径记为Rd0.5,表示该处人员因冲击波作用耳膜破裂的概率为0.5，它要求的冲击波峰值超压为44000Pa。式中：为目标到爆源的水平距离，即重伤区半径，m;P0为环境压力，Pa。轻伤区半径该区内径为重伤区的外卜径Rd0.5,外径为Rd0.01,表示外边界处耳膜因冲击波作用破裂的概率为0.01，它要求的冲击波峰值超压为17000Pa。计算Rd0.01仍用公式（7）进行计算。（四）沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）危害后果的计算模型乙醇贮罐区的沸腾液体扩展蒸气爆炸，是指储罐在外部火焰的烘烤下突然破裂，压力平衡破坏，罐内乙醇急剧气化，并随即被火焰点燃而产生的爆炸。沸腾液体扩展蒸气爆炸发生后，主要危害是爆炸产生的火球热辐射［4,5］。火球的特征可用国际劳工组织（ILO）建议的沸腾液体扩展为蒸气爆炸模型来估计。火球半径的计算实验证明，火球半径R和可燃物质量W的立方根成正比，火球半径的计算公式为：式中，对单罐储存，W取罐容量的50%；对于双罐储存，W取罐容量的70%；对多罐储存，W取罐容量的90%。火球持续时间计算实验证明，火球的持续时间t也和可燃物质量W的立方根成正比。火球持续时间按下式计算目标接收到热辐射通量计算当r>R时，目标接收到的辐射通量按下式计算式中：q0为火球表面的辐射通量，W/m2。对柱形罐取270kW/m2;球形罐取200kW/m2;「为目标到火球中心的水平距离，m。热辐射对人员的影响彼得森（Pietersen）在1990年用如下模型来预测热辐射的影响。皮肤裸露时的死亡几率为：有衣服保护（20%皮肤裸露）时，二度烧伤几率为：有衣服保护（20%皮肤裸露）时，一度烧伤几率为：式中：q为人体接收到的热通量，W/m2;t为人体暴露于热辐射的时间，s;Pr为人员伤害几率。三、事故后果定量计算实例乙醇贮罐区事故后果计算模型[6,7]:贮罐区情况：乙醇储存为单罐储存，存储量为1000m3，其中操作温度为常温，操作压力为常压，储罐的直径D=5m，高H=13m,盛装乙醇V=1000m3。容器内介质的压力为3P0（即3倍环境压力）。（一） 液体的泄漏量的计算设此1000m3的乙醇储罐有几处不规则的泄漏口，可等效为一个r=30mm的圆形裂口。则泄漏口面积A=0.002826m2。裂口之上液位高度h=10mo由此可求液体的泄漏速度Q0=39.08kg/s。设液体泄漏未达到人工边界，且连续泄漏12min，则泄漏液体的质量：m=28137.6kg则在没有液体挥发的情况下其液池半径可用式（2）计算为：r=1068.55m。（二） 池火灾事故后果计算根据目标点周围的设施情况，取到液池中心的距离分别为4.5m,5.5m,8.0m,14.0m,22.0m。根据2.2中计算公式可得到表2。表2池火灾主要计算结果距液池中心距离（m）总热辐射通量（可）入射热辐射强度（kW/m-2）4.59.14x10635.945.59.14x10624.068.09.14x10611.3714.09.14x1063.7122.09.14x1061.5根据表2可得，在形成池火灾的情况下，总热辐射通量达到9.14x106可。目标至火源中心点间的水平距离不同，所产生的热辐射强度也不同。目标至火源中心间的水平距离4.5m时，其热辐射强度为35.94kW/m2，将造成操作设备全部损坏，10s内1%的人员全部死亡，1min内100%的人员死亡的后果；而距离液池大于22.0m的地方入射热辐射强度较小，引起人员伤害和财产损失的程度不大。（三） 蒸气云爆炸（VCE）事故后果计算乙醇贮罐区内的泄漏量由前面的计算可知，由于乙醇挥发，设有3%的乙醇蒸气混入空气中参与了蒸气云爆炸，根据2.3中的计算公式得表3:表3乙醇蒸气云爆炸（VCE）模型模拟结果TNT_当量（kg）死亡区半径（m）重伤区半径（m）轻伤区半径（m）财产损失半径（m）1.14x10433.587.2156__103.5本例中乙醇蒸气云爆炸的TNT当量为1.14x104kg。离气云中心半径为33.5m的圆形区域内的人员可能大部分死亡；离气云中心外径为87.2m，内径为33.5m的圆环区域内，人员大部分重伤；离气云中心外径为156m，内径为87.2m的圆环区域内，人员大部分轻伤。因而，发生蒸气云爆炸后，救灾人员离蒸气云中心的最小工作安全距离为156m。财产损失范围为半径103.5m的圆形区域。（四） 沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）的定量计算根据公式10~13得出不同伤害、破坏时的热通量及伤害半径，如表4。表4沸腾液体扩展蒸气爆炸模拟结果214.02__火球持续时间（s）项目模拟结果值说明火球半径（m）33.21目标接收到—热通量（kW/m2）65.88火球表面死亡热通量 （kW/m2）13.29死亡几率为5.0,暴露时间—热通量（kW/m2）11.29死亡几率为5.0，暴露时间21s二度烧伤—热通量（kW/m2）4.96死亡几率为5.0,暴时间21s—度烧伤21s财产烧毁—热通量（kW/m2）24.91__财产破坏半径（m）497.00财产全部被烧毁死亡区半径（m）712.40 重伤区半径（m）772.00轻伤区半径（m）1193.60 当乙醇贮罐区发生沸腾液体扩展蒸气云爆炸时，火球半径为214.02m,火球持续时间为33.21s，火球表面的最大热通量（65.88kW/m2），大于死亡区的热通量（13.29kW/m2），且大于财产烧毁热通量（24.92kW/m2）。由于死亡半径r1=712.4m，使得贮罐区内一旦发生扩展蒸气爆炸，不但厂区内人员难以幸免，而且会殃及四邻，造成严重的财产损失和人员伤亡。重伤半径及轻伤半径分别为772m、1193.6m，离气云中心外径为772m，内径为712.4m的圆环区域内人员大部分重伤；离气云中心内径为772m，夕卜径为1193.6m的圆环区域内，人员可能大部分轻伤。四、结论采用数学模型的方法对事故后果进行预测和分析，具有一定程度的可靠性，不但可以用于事后对事故过程的再现分析，而且可以对一些潜在的危险源，特别是附近存在人口相对比较集中区域的重大危险源，可考虑不同的事故形式来分别预测其可能造成的后果，以便在事故发生后，能够知道事故的影响范围和后果，从而做到科学指挥［8,9,10］。本文通过对乙醇贮罐区的泄漏、池火灾、蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸气爆炸四种危险特性进行了定量模拟分析和计算，将乙醇贮罐区主要事故的发生条件、特点及危害，分别给出了进行定量模拟分析这几种事故的严重程度及伤害范围的数学模型及计算方法，同时进行了实例模拟，并对计算结果进行分析，对贮罐区危险性分析、贮罐区的安全管理及事故预