第五章 化工事故后果模拟分析

第五章

化工事故后果模拟分析本章提纲泄漏模拟分析扩散模拟分析火灾模拟分析爆炸模拟分析5.1泄漏模拟分析在过程工业中，易燃易爆及有毒有害物质在生产、储存和运输过程中经常发生泄漏事故。

事故的发生不仅会导致巨大的经济损失，还可能导致灾难性的后果，不仅厂区内部，而且邻近地区人员的生命与财产都将遭受巨大损失和危害，尤其是对生态环境的不可逆性损害将无法挽回。

例如，1984年印度博帕尔市郊的联合碳化物公司农药厂45吨剧毒液体——异氰酸甲脂储罐泄漏事故。

1987年10月30日，位于美国得克萨斯州得克萨斯市的马拉松石油公司炼油厂发生大量氢氟酸泄漏事故。液体泄漏气体泄漏两相泄漏1

泄漏模拟分析由于设备原因或操作失误等可能会引起气体、液体或液化气体泄漏，导致灾害性的火灾爆炸或中毒事故。泄漏模型本节提纲概念原理1.2. 事故模型3.案例分析基本概念：由于设备损坏或操作原因引起易燃、易爆、有毒有害物质的释放，可能会导致火灾、爆炸、中毒等灾害性事故发生。1.

概念原理主要泄漏设备

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分类，通常归纳为：

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，火炬燃烧装置或放散管等十类。

泄漏一旦出现，其后果不但与物质的数量、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。2.

事故模型2.1 液体泄漏液体泄漏速度可用流体力学的伯努利方程计算，其泄漏速度为：（5-1）2

p

p0

2gh

Q0

Cd

A

式中，Q0

-液体泄漏速度，kg

/s；Cd

-液体泄漏系数，按表5-1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，9.8

m/s2；h

-裂口之上液位高度，m。液体泄漏系数容器内介质压力环境压力裂口面积泄漏液体密度裂口之上液位高度表5-1 液体泄漏系数Cd2.

事故模型雷诺数（Re）裂 口 形 状圆形（多边形）三角形长方形>1000.650.600.55≤1000.500.450.402

p

p0

2gh

Q0

Cd

A

圆形裂口的液体泄漏速度大于其它形状雷诺数越大，泄漏系数越大液体泄漏分类：

管道孔洞泄漏

主要用于过程单元（例如管道）壁面上出现孔洞后，过程单元中液体通过孔洞的泄漏速率。孔洞出现的原因有应力裂纹、疲劳裂纹、腐蚀穿孔、外来物体的打击等。

储罐孔洞泄露

主要用于储罐罐壁上出现孔洞后，储罐中液体泄漏速率的计算。泄漏速率不是恒定不变的，随着泄漏的进行，储罐内液面下降，压差减小，泄漏速率随之减小，但如果储罐横截面面积远大于泄漏孔洞的面积时，泄漏速率随时间的变化很小。2.

事故模型2.1.1 管道孔洞泄漏从孔洞泄漏的液体的泄漏速度方程为：（5-2）Q0

CdA

2

p

p0

式中：

Q0

为泄漏液体的质量流速，kg/s；Cd为泄漏系数；A

为泄漏孔洞的面积，m2；

p

为过程单元压强，Pa；

p0

为大气压强，Pa；

为液体密度，kg/m3。2.

事故模型泄漏孔洞的面积液体密度泄漏系数过程单元压强大气压强2.

事故模型2.1.2 储罐孔洞泄漏经储罐孔洞泄漏的质量泄漏方程为：（5-3）d

p0

gQ0

C

A 2g

p

h

式中，Q 为泄漏速率，kg/s；Cd为泄漏系数；

为液相密度，kg/m3；A为泄漏面积，m2；

p

为存储压强，Pa；

P0为环境大气压，Pa；

h

为液面与孔洞间距离，m。2.

事故模型储罐中液体流空到泄漏处所在的平面所需时间为：（5-4）2ghA 2

p

p

t

t

0

CgA

式中：

t

为泄漏所需时间，s；At

为储罐的横截面积，m2与泄漏时间和裂口的大小成反比。与At

储罐的横截面积成正比任何时刻t储罐中液体的质量变化速率为：t（5-5）t

gC

2A2

A2gh

2

p

p

Q0

CA

式中：Q0

为t时刻液体的瞬时质量泄漏流速，kg/s；h储罐内液面与泄漏处之间的初始距离，m；

t为泄漏过程中的任一时刻，s。随着时间增加，储罐的泄漏速度减小。2.

事故模型2.2 气体泄漏（音速流动和亚音速流动）音速流动定义：（5-6）2

k

1kp02

k

k

1p

k

1

p

k

1

亚音速流动定义：p0式中， k-气体的绝热指数，即定压比热

Cp之比。（5-7）与定容比热

Cv2.

事故模型当大气压与气体储存压力的比值大于某临界值时，为亚音素流动，反之为音速流动。气体呈音速流动时，其泄漏量为：（5-8）气体呈亚音速流动时，其泄漏量为：（5-9）

k

1

k

1

RT k

1Mk

2Q0

Cd

Ap

p

p

k

1

k

0

0

Q0

Cd

Apk

1RT

p

2k M

p

2

k式中，Cd

-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

-相对分子量，kg/mol；T

-气体温度，K。2.

事故模型无论是音速流动或亚音速流动，气体泄漏速度，与泄漏系数、泄漏面积、装置压力、绝热指数、气体种类、气体温度有关。2.

事故模型2.3 两相泄漏在过热液体发生泄漏时，有时会出现气、液两相流动。均匀两相流动的泄漏速度可按下式计算：（5-10）Q0

Cd

A 2

p

pc

式中，Q0 -两相流动混合物泄漏速度，kg/s；Cd

-两相流动混合物泄漏系数，可取0.8；A

-裂口面积，m2；

p

-两相混合物的压力，Pa；pc

-饱和蒸汽压，Pa；

-两相混合物的平均密度，kg/m3。

1

-液体蒸发的蒸汽密度，kg/m3；

2

-液体密度，kg/m3；Fv

-闪蒸比，液体蒸发后的气体占气液混合物总量的比例。2.

事故模型1Fv

1

Fv

1

2

两相混合物的平均密度由下式计算：（5-11）闪蒸比由下式计算：（5-12）Hv2p 1C

T

T

F

Cp-两相混合物的定压比热，J/kg·K；T1-泄漏点上流压力p1的平衡温度，K；T2-泄漏点压力p2的平衡温度，K；2.

事故模型

H-液体的汽化热，J/kg。闪蒸比是两相泄漏模型的重要参数，当

Fv

>1时，表明液体将全部蒸发成气体，这是应按气体泄漏公式计算；如果很小，则可近似按液体泄漏公式计算。定压比热液体的汽化热泄漏点上流压力p1的平衡温度泄漏点压力p2的平衡温度4. 案例分析通过南京工业大学自行研究开发的安全评价与风险分析软件对某储罐进行泄漏模拟分析。LPG圆柱形储罐基本参数为：

储存量为20t

，

液体密度为543kg/m3，汽化热为

426kJ/

kg，饱和蒸汽压力为0.23MPa。环境压力为0.1MPa，存储压力为0.4MPa。假设圆形孔洞液相泄漏，泄漏面积为0.0314m2，截面积10.17m2，泄漏孔低于液面2m。计算初始时刻泄漏量、漏完共需时间和600s的的泄漏速度。4. 案例分析4. 案例分析5.2

扩散模拟分析气体或液化气体泄漏后在空气中会发生扩散，形成易燃易爆或有毒有害区域，可能会导致火灾爆炸或中毒事故。扩散模型轻气云团模型中性云团模型重气云团模型5.2

扩散模拟分析本节以中性云团为例介绍扩散后果模拟分析。本节提纲概念原理1.2. 事故模型伤害准则与计算原理3.案例分析4.基本概念：根据云团物理性质的不同，可分为轻气云团、中性云团和重气云团。轻气云团模型：密度明显小于空气密度的气云，这类气云将受到正浮力作用，重力作用相对较小。中性云团模型：指密度与空气密度相当的气云，这类气云受浮力和重力作用相当重气云团模型：指密度明显大于空气密度的气云，这类气云受到重力作用，浮力作用相对较小。1.

概念原理常用的高斯模型属于中性云团模型，包括高斯烟羽模型和高斯烟团模型。其中，高斯烟羽模型适用于连续源的气体扩散，高斯烟团模型适用于瞬时源的气体扩散。图5-1 高斯扩散模式2.

事故模型坐标原点为泄漏点x轴正向为下风向y轴正向为横风向z轴垂直于xy水平面为垂直风向2.

事故模型

02

exp

exp

2

exp

exp

dt

H

z

2

z

Hy

2

x

ut

2

Q

'瞬时泄漏扩散（高斯烟团模型）在泄漏发生的初始一段时间内，其浓度分布是不稳定的，此时采用高斯烟团迭加模型进行描述，其数学表达式如下：C

x

,y

,z

r2r2yx

x y zm3

22

z2

z2

2

2

（5-13）表示泄漏云团中任意一点扩散浓度的计算公式式中C为泄漏介质在大气中的摩尔百分比浓度；Qm为质量泄漏速率，kg/s；u为环境平均风速，m/s；t为泄漏时间，s；Hr为有效源高，m；x、y、z为预测点坐标；

x

,

y

,

为z

扩散系数，m。

2

式中，Qm为源的泄放速率，m3/s。2.

事故模型在泄漏经过一段时间以后，浓度分布已处于稳定分布状态。此时，应采用高斯烟羽模型进行描述，高斯烟羽模型的数学表达式如下：

2zzy

z

Hr

2

z

Hr

2y2eeeQC

x,

y,

z

2

22

22

m 2

y

zu2.2 连续泄漏扩散（高斯烟羽模型）（5-14）此时扩散浓度与时间无关，属于稳态扩散过程2.

事故模型2Cy

2

x

2nx计算扩散系数可以用示踪试验方法现场测定，也可用大气流特征确定。目前应用较多的有Sutton模型、Pasquill模型、Reuter模型等。（1）Sutton模型

式中，Cy是普通化扩散系数，n取大于大气稳定度的参数。同样也可计算出

y

,

z

。横风向扩散系数与普通化扩散系数和大气稳定度有关。（5-15）2.

事故模型（2）Pasquill模型

y

a1

ln

x

a2

xx

z23b ln

0.465exp

b

b ln

x1 2（5-16）（5-17）式中，a1，a2，b1，b2，b3是大气稳定度的函数。下风向和垂直风向的扩散系数，这些扩散系数是大气稳定度的函数有关2.

事故模型式中，参数a,

b,

c,

d是大气稳定度和地面粗糙度的函数。（3）

Reuter模型

y

axb

z

cxd（5-18）（5-19）下风向和垂直风向的扩散系数，这些扩散系数是大气稳定度和地面粗糙度的函数有关3.

伤害准则与计算原理易燃易爆物质：采用橘红色和红色表示其地面浓度的分布橘红色表示地面浓度范围处于燃烧爆炸极限范围内，如遇引燃源则发生燃烧、爆炸事故；红色表示地面浓度高于燃烧爆炸上限，属于准危险区，因为该区域的浓度随时都有可能减小，从而处于燃烧爆炸极限范围内。有毒有害物质：橘红色表示地面浓度高于地面最大允许浓度，但低于半致死浓度，对人体健康以及机体功能会产生一定的危害作用；红色表示地面浓度高于半致死浓度，可能会导致人员中毒死亡。4. 案例分析通过南京工业大学自行研究开发的安全评价与风险分析软件对某储罐进行扩散模拟分析。LPG储罐位于郊区某工厂厂区的中央，厂区长度和宽度分别为

630m

和

460m

。

LPG

储罐储存量为

20t

，

液体密度为543kg/m3

，

气

体

密

度

为

2.02kg/m3

，

爆

炸

极

限

范

围

为1.5%~9.5%，防护堤面积S=500m2。假设白天瞬时泄漏，泄漏源高度为2m，风速1m/s，风向为西北风，环境温度为20℃。计算该LPG储罐泄漏500kg后爆炸浓度的变化过程。4. 案例分析4. 案例分析4. 案例分析4. 案例分析4. 案例分析4. 案例分析4. 案例分析5.3

火灾模拟分析易燃易爆的气体、液体或液化气体泄漏后遇点火源发生着火，引发火灾。火灾模型池火喷射火火球10.3

火灾模拟分析本节以池火为例介绍火灾后果模拟分析。液体火灾，汽油罐的燃烧带压气体或液化气体喷射后着火引起的火灾液化气体在装置出现裂口时，过热液体泄漏过程中遇火燃烧形成的蘑菇云本节提纲概念原理1.2. 事故模型伤害准则与计算原理3.案例分析4.基本概念：可燃液体（如汽油等）泄漏后流到地面或水面形成液池，遇到火源燃烧而形成池火。1.

概念原理图5-2可燃液体燃烧过程mfHc——单位表面积燃烧速度，kg/m2·s ；——液体燃烧热，J/kg；Cp

——液体的定压比热，J/kg·K

；Tb——液体的沸点

；T0——环境温度。H ——液体的气化热，J/kg；p bfC

T

T

Hm

00.001Hc（5-20）2.

事故模型燃烧速度当液池中的可燃液体的沸点高于环境温度时，液体表面单位面积的燃烧速度为：当液体的沸点低于环境温度时，如加压液化气或冷冻液化气，其单位面积的燃烧速度为：Hmf

0.001Hc（5-21）池火灾模拟分析燃烧速度也可从手册中直接得到。表5-2列出了一些可燃液体的燃烧速度。液体的燃烧速度与其挥发性密切相关，可燃液体挥发性越强，燃烧速度越快。（汽油燃烧速度大约是煤油和柴油的两倍）

表5-2一些可燃液体的燃烧速度液体燃烧热液体气化热（2）池火焰半径池火灾采用圆柱形火焰和池面积恒定假使，火焰半径由下式确定：S

fR

（5-22）2.

事故模型（3）池火焰高度0)

0.61

ff(2gRmL

84Rf

（5-23）2.

事故模型

0——空气密度，kg/m3。染料燃烧速度池火焰半径（4）火灾持续时间m

ft

W（5-24）式中，W—燃料质量，kg。2.

事故模型染料质量燃烧速度（5）火焰表面热辐射通量

m

Qf

f 1

f

2222

R

f

Rf

L

2

R（5-25）—为燃烧效率；

1

2—热辐射系数。2.

事故模型燃烧效率燃烧速度热辐射系数池火焰半径高度（6）目标接受的热辐射通量qr

Qf

V

1

0.058ln

d

（5-26）V—目标处视角系数；—目标离火焰表面的距离，m

。d2.

事故模型火焰表面热辐射通量目标处视角系数目标离火焰表面的距离视角系数越大，离火球表面的距离越远，目标处的热辐射通量越低伤害准则是计算池火灾后果的依据表5-3 池火灾作用下的热辐射伤害准则3.

伤害准则与计算原理死亡、重伤、轻伤及财产损失半径分别指热辐射作用下的死亡、二度烧伤、一度烧伤和引燃木材半径。基于稳态火灾作用下的热辐射伤害准则，根据计算出来的

目标接受的热通量来确定各种人员伤害及财产损失半径。若知道池火灾发生现场的人员密度和财产密度，也可确定人员伤亡数量和财产损失大小。3.

伤害准则与计算原理4. 案例分析通过南京工业大学自行研究开发的安全评价与风险分析软件演示池火灾计算过程。4. 案例分析通过南京工业大学自行研究开发的安全评价与风险分析软件对某储罐池火灾进行模拟分析。LPG储罐基本参数为：

储存量为20t，

LPG燃烧热为46.5MJ/kg，液体密度为543kg/m3，环境温度为293K，防护堤面积S=500m2，汽化热为426kJ/

kg，定压比热为2768J/kg·K

，沸点为232K。计算池火灾时LPG的燃烧速率、火焰半径、火焰高度、火灾持续时间和火焰表面热辐射通量，以及死亡、重伤、轻伤及财产损失半径。4. 案例分析4. 案例分析4. 案例分析通过计算，LPG的燃烧速率mf=0.178kg/m2.s。火焰半径Rf=13m，火焰高度L=74m，火灾持续时间t=224s，火焰表面热辐射通量Qf=99kW/m2。求得的死亡、重伤、轻伤及财产损失半径分别为124、184、394和25m。4. 案例分析4. 案例分析5.4爆炸事故模拟分析

爆炸分类（1）

按爆炸性质分类①物理爆炸：物理爆炸是由物理原因所引起的爆炸，例如：蒸汽锅炉因水快速汽化，压力超过设备所能承受的强度而产生的锅炉爆炸；装有压缩气体的钢瓶受热爆炸等。②化学爆炸：化学爆炸是物质发生化学反应而引起的爆炸。化学爆炸可以是可燃气体和助燃气体的混合物遇明火或火源而引起的(如煤矿的瓦斯爆炸)；也可以是可燃粉末与空气的的混合物遇明火或火源而引起（粉尘爆炸）；但更多的是炸药及爆炸性物品所引起的爆炸。③核爆炸是由核反应引起的爆炸。例如：原子弹或氢弹的爆炸。（2）按爆炸形式分类①凝聚相含能材料的爆炸：火药、炸药爆炸等②蒸气云爆炸（VCE，VaporCloudExplosion），包括粉尘爆炸③沸腾液体扩展蒸气爆炸（3）根据爆源特点分类可将爆炸源分为两类：理想爆源和非理想爆源。爆炸特征气体爆炸过程具有以下三个主要特征：放热性、反应的快速性、气体产物的形成易燃易爆的气体或液化气体与空气混合，达到爆炸极限浓度后遇点火源发生爆炸。爆炸模型凝聚相含能材料的爆炸蒸气云爆炸沸腾液体扩展蒸气爆炸5.4

爆炸事故模拟分析本节以蒸气云爆炸为例介绍爆炸事故后果模拟分析。物理超压爆炸本节提纲概念原理1.2. 事故模型伤害准则与计算原理3.案例分析4.基本概念：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。1.

概念原理事故模型：TNT当量模型

丙烷当量模型TNT爆炸过程形成的冲击波强度大，但衰减速度快，而蒸气云爆炸多属爆燃过程，正压作用时间较短，负压作用时间较长。因而TNT当量法只适用于很强的蒸气云爆炸，且用以模拟爆炸远场时偏差较小，模拟爆炸近场时会高估蒸气云爆炸产生的超压。TNT当量法的当量系数难以确定，可变性较大。可采用丙烷当量模型来修正。2.

事故模型——TNT当量模型可燃气体的TNT当量WTNT：TNTTNTQW

WQ——可燃气体的TNT当量，kg；——可燃气体蒸气云当量系数（统计平均值为0.04）；——蒸气云中可燃气体质量，kg；——可燃气体的燃烧热，J/kg；——为TNT的爆热，J/kg。WTNT

WQQTNT（10-27）2.

事故模型——TNT当量模型爆炸总能量

E:E

1.8

WQE ——可燃气体的爆炸总能量，J；1.8 ——地面爆炸系数。爆炸伤害半径

R:R

C

NE

1/

3C ——爆炸实验常数，取值0.03-0.4；N ——有限空间内爆炸发生系数，取10%。（5-28）（5-29）可燃气体质量燃烧热爆炸总能量爆炸发生系数2.

事故模型——TNT当量模型财产损失半径

RC：财产损失半径指在冲击波作用下建筑物三级破坏半径，由下式确定：K—为建筑物破坏系数。K

按破坏程度的A、B、Cb、Ca和D级分别取值为3.8、5.6、9.6、28和56。计算财产损失半径时K应取三级破坏系数9.6。1

/

31

/

62

3175

TNT

C

1

W

K

W

T

N

TR

（5-30）2.

事故模型——TNT当量模型爆炸冲击波正相最大超压

P

:' 2 ' 3 'ln

0.9216

1.5058ln(R

)

0.167

ln (R)

0.0320ln (R

)P

0

P

0

R’ ——无量纲距离；

P

E

1/

3DR'

D ——目标到蒸气云中心距离，m；E——

爆炸能量P0 ——大气压力，Pa。（5-31）（5-32）

P——爆炸冲击波的最大超压，Pa2.

事故模型——丙烷当量模型可燃气体的丙烷当量

W

P

：

PPQW

W

Q——可燃气体的丙烷当量，kg；——可燃气体蒸气云当量系数（统计平均值为0.04）；——蒸气云中可燃气体质量，kg；——可燃气体的燃烧热，J/kg；——丙烷的爆热，J/kg。WP

WQQP（5-33）2.

事故模型——丙烷当量模型死亡半径

R1：死亡半径指人在冲击波作用下头部撞击致死半径，由下式确定：0.447pR1

1.98W重伤半径R2：重伤半径指人在冲击波作用下耳鼓膜50%破裂半径，由下式确定：1

/

3pR2