化工过程灾害模拟评价系统的设计与实现

化工过程灾害模拟评价系统的设计与实现

火灾、爆炸和中毒是指化工过程中的一种毁灭性事故，具有突发性、破坏力和复发的特点。在工业领域,尤其在石油化工企业的安全分析中,模拟评价技术日益受到重视,特别是对易燃易爆有毒有害危险物质火灾、爆炸、泄漏中毒事故的后果分析的研究更是热点问题。随着计算机技术的发展,从20世纪80年代开始,世界很多国家便开展了基于事故后果分析的安全评价、防灾救灾和决策支持的计算机软件研究,并加以推广应用。其中比较成功的例子有SAFE,SAVEⅡ,WHAZAN,EFFECTS,PHAST,RISKCURUES等。我国在20世纪90年代初期才开展重大事故后果模拟分析的研究,化工部劳动所在“八五”期间开发了毒物泄漏危害分析的仿真软件,劳动部、东北大学等单位也相继开展了这方面的研究。本文研究并开发了一个化工过程灾害模拟评价软件,工程应用表明,将该软件系统用于化工过程灾害模拟评价是可行的。1建立数学模型化工过程灾害模拟评价模型是该项研究的核心和基础,是通过对国内外大量事故案例的统计分析和归纳总结形成事故模型,在此基础上建立模拟评价的数学模型。1.1事故形态与事故后果化工过程灾害性事故的主要形态是泄漏、火灾和爆炸3大类。事故模型能对事故形态、发展趋势和可能后果进行描述。事故形态决定了导致事故发生可能的原因和可能导致的事故后果。文献论述了VCE和BLEVE事故的机理、破坏形式以及后果模拟分析。该软件系统中泄漏事故的基本形态考虑了气体泄漏、液体泄漏和气液两相流泄漏,火灾事故包括喷射火灾和池火灾,爆炸事故主要有VCE,BLEVE,凝聚相爆炸和压力容器爆炸4种工业爆炸事故模式。1.2国内外试验模型的简介化工过程灾害模拟评价数学模型是根据事故模型和事故假设建立起来的。这些模型包括:池火灾模型、喷射火灾模型、蒸气云爆炸模型、沸腾液体扩展蒸气爆炸模型、凝聚相爆炸模型、泄漏速度模型和重气扩散模型等。这些模型参考了国内外有关标准规范,并通过大量模拟试验数据所验证。例如:液体通过管道上孔洞泄漏、气体的扩散和蒸气云爆炸是石油化工装置常见的事故类型,其对应的数学模型是模拟评价分析的基础。1.2.1泄漏系数的确定液体通过管道上孔洞泄漏,泄漏速率可采用公式(1)进行计算:Qm=AC0√2pgρ(1)Qm=AC02pgρ−−−−√(1)式中,Qm为质量泄漏速率,kg/s;C0为泄漏系数;A为泄漏孔洞的面积,m2;pg为过程表压,Pa;ρ为液体质量浓度,kg/m3;泄漏系数C0是从孔洞中泄漏的流体的雷诺数和孔洞直径的复杂函数。雷诺数采用公式(2)进行计算:Re=DUρ/μ(2)Re=DUρ/μ(2)式中,Re为过程单元中流动液体的雷诺数;D为管道的内径,m;U为过程单元中液体的流速,m/s;μ为泄漏液体的粘度,Pa·s。1.2.2[2y土壤质量浓度计算在泄漏发生的初始一段时间内,其质量浓度分布是不稳定的,是空间和时间的函数,此时采用高斯烟团迭加模型(高斯烟羽模型与高斯烟团模型的结合)进行描述,其数学表达式如下:C(x,y,z)=∫∞0C′dt(3)C′=Qm′(2π)3/2σxσyσzexp[-(x-ut)22σ2x]exp(-y22σ2y){exp[-(z-Ηr)22σ2z]+exp[-(z+Ηr)22σ2z]}(4)式中,C为泄漏物质在地面的质量浓度,kg/m3;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,m;σx,σy,σz分别是x,y,z方向上的扩散系数,m。在经过一段时间以后,质量浓度分布已处于稳定分布状态,即质量浓度只是空间的函数,与时间没有关系。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:C(x,y,z)=Qm2πσyσzuexp[-y22σ2y]⋅{exp[-(z-Ηr)22σ2z]+exp[-(z+Ηr)22σ2z]}(5)式中,Qm为源的泄放速率,m3/s,σy、σz符号意义同公式(4),在高斯烟羽模型中,σy、σz是由排放源到计算点的下风向距离和大气稳定度的函数,也与烟羽的排放高度及地面粗糙度有关。1.2.3具有最大危险性的部位c当泄漏的气体与空气混合形成可燃性预混系,遇延迟点火,就会发生蒸气云爆炸。模拟评价中死亡半径是指冲击波作用导致肺出血而死亡概率为50%的半径;重伤半径是指50%耳鼓膜破裂半径;轻伤半径是指1%耳鼓膜破裂半径;财产损失半径是指爆炸波作用下砖石房屋Cb级破坏半径。为预测爆炸所造成的人员伤亡情况,将爆炸源由里向外依次划分为4个区域:(1)死亡区该区内人员若缺少防护,则将受到严重伤害或死亡,其内径为零,外径记为R1,表示外圆周处人员冲击波作用导致肺出血而死亡概率为50%,由下式确定:R1=13.6(WΤΝΤ/1000)0.37(6)式中,WTNT为爆炸源的TNT当量,kg,按(7)式计算:WΤΝΤ=E/QΤΝΤ(7)式中,E为爆炸源总能量,J;QTNT为TNT爆炸放热,为4520J/g。(2)重伤区该区内的人员如缺少防护,则绝大多数人员将遭受严重伤害,极少数人员可能死亡或受轻伤。其内半径就是死亡半径R1,外半径R2为重伤区半径,表示该区人员因冲击波作用而耳膜破裂的概率为50%,要求冲击波峰值超压约为44000Pa。冲击波超压Δps:Δps=0.137Ζ-3+0.119Ζ-2+0.269Ζ-1-0.019(8)Ζ=R2/(E/p0)1/3(9)式中,Z为爆炸比例长度,无量纲距离;p0=101325Pa。(3)轻伤区该区内的人员如缺少防护,则绝大多数人员将遭受轻微伤害,少数人将受重伤或平安无事,死亡的可能性极小。该区内径为R2,外径为轻伤区半径R3,表示该区人员耳膜因冲击波作用而破裂的概率为1%,仍由(6)～(9)式计算R3,但式中冲击波峰值超压为17000Pa。(4)安全区该区内人员即使无防护,绝大多数人员也不会受伤害,死亡的概率几乎为零。该区内径为R3,外径为无穷大。爆炸不同程度地破坏周围建筑物和设备,造成直接经济损失。财产损失区域的外径记为R4,参照英国的分类标准,财产损失半径可由(10)式计算:Ri=ΚiWΤΝΤ1/3/[1+(3175/WΤΝΤ)2]1/6(10)式中,Ri为i区半径,m;Ki为i级破坏系数;WTNT为爆炸源的TNT当量,kg。1.3险物质物性参数模拟事故模拟是在事故模型分析的基础上选择数学模型,并根据事故现场的情况(包括气象条件、装置设备的尺寸大小、储存条件等)和有关危险物质的物性参数,利用计算机模拟并输出模拟结果的过程。事故状态下危险介质的状态(泄漏扩散速率、浓度随时间在空间的分布、液池液体蒸发速率、扩散影响区域等)、各种伤害半径(轻伤半径、重伤半径、死亡半径和财产损失半径)、人员伤亡(轻伤、重伤、死亡人数)、财产损失(直接财产损失、间接财产损失、总财产损失)、热辐射通量空间分布、爆炸超压空间分布等目标值构成了灾害模拟评价指标体系。2整个软件的结构和功能设计2.1客户机/服务器模式考虑到软件系统的实际使用情况,本系统的构架模式采用客户机/服务器两层模式(C/S模式,见图1),即化工过程灾害模拟评价功能由客户端的前台程序完成,而数据库的存储、查询等维护功能由数据库的服务器来完成。2.2化工过程模拟评价系统根据软件系统功能的要求,并结合工程应用实际研究开发了化工过程模拟评价系统,并采用C/S结构设计,系统由人机交互界面、数据库系统、模拟评价系统和在线帮助系统组成。(1)菜单驱动模式人机交互界面是用户与系统的人机接口。在系统设计时采用了目前比较流行的Windows界面风格,使用菜单驱动模式,包括固定式菜单、下拉式菜单、弹出式菜单等。所有用户人机界面均采用标准Windows图形窗口界面、菜单和按钮,所有操作可通过键盘和鼠标来完成,且每一步操作均有动态用户提示,用户使用操作方便、快速。(2)数据库的容易移植性数据库系统是灾害性事故模拟评价的依据和基础,该系统的后台物性数据库采用大型关系数据库SQLServer构建,保证了系统数据库部分的数据量和安全性不断发展的需要,以及数据库管理维护的方便性和数据库易于移植性的需要,使系统数据库能轻易的和其它数据库系统(如Oracle、Sybase、VisualFoxPro、Access)进行数据共享,并利用人工神经网络技术计算非标准状况下危险介质的物性参数,供模拟评价模块调用。危险品物性数据库用于存放灾害模拟评价所需的物性参数,主要包括危险介质的密度、闪点、爆炸极限、蒸气压、沸点、燃烧热等。(3)数值模拟评价模拟评价系统是软件系统的核心部分。该系统能够对化工过程灾害性事故进行模拟计算,并对灾害性事故后果严重度进行分析,给出模拟评价结果。主要功能如下:(1)危险介质泄漏扩散、火灾、爆炸灾害过程的动态模拟;(2)根据灾害类型和危险介质的特性分析模拟计算结果,划定灾害事故影响区域;(3)根据灾害模拟评价模型精确计算各种参数,如危险介质泄漏扩散后随时间在空间的浓度分布、热辐射通量及爆炸冲击波在空间的分布等;(4)模拟评价结果给事故应急救援和救灾决策提供依据。(4)使用方法以及使用过程中可能出现的问题的解决方法在线帮助系统主要包括用户管理、软件使用方法以及使用过程中可能遇到问题的解决方法。为方便用户使用,在线帮助系统还包括用户使用手册和软件技术手册。3系统数据库设计软件系统的编程环境是C++Builder5.0,硬件配置是PC586以上机型,32M以上内存,320M以上硬盘。在系统的开发过程中,采用面向对象程序设计方法,使用鼠标及菜单驱动技术进行设计。数据库系统采用SQLServer2000进行开发。数据库与软件功能模块采用ADO或ODBC数据源进行连接。在软件的功能模块设计中,考虑到程序的可移植性、可扩展性和可维护性,采用可视化组件设计方法,各功能模块既有独立性,又相互联系。模拟评价主窗口包括参数输入区(包括评价模型的选择、装置设备的特性参数、环境参数等)、模拟评价功能区(包括模型演示、模拟评价、打印输出以及在线帮助)及评价结果输出区(主要有文本形式、图形格式和报表格式3种输出方式)。4泄漏扩散、池火灾和体积分数针对某化工公司建设工程项目应用该软件系统进行了模拟评价分析,确定了管道输送单元、反应单元和罐区储存单元3个单元进行评价。3个单元均涉及到丙烯腈,丙烯腈是易燃易爆有毒有害且易挥发的液体,泄漏后形成液池,在点火源作用下发生池火灾;挥发的丙烯腈蒸气在空气中极易与空气混合形成蒸气云,遇引燃源发生蒸气云爆炸。选择了管道孔洞和储罐孔洞两种泄漏形式,管道孔洞和储罐孔洞的泄漏当量直径分别为0.02m和0.05m,储罐孔洞离液面15m,并假设泄漏发生5min后就已经被发现并堵上,且泄漏处周围不存在任何防液堤,进行了泄漏扩散、池火灾和蒸气云爆炸模拟分析。丙烯腈储罐泄漏后丙烯腈蒸气在环境中的体积分数分布如图2所示(阴影区域表示体积分数高于空气中允许最大体积分数)。从图2中可以看出:丙烯腈泄漏后挥发的蒸气可以到达下风向8000m和横风向500m。丙稀腈储罐发生泄漏后下风向50m处体积分数变化如图3所示(图中a表示预测点的体积分数,LOC线表示空气中允许最大体积分数,b表示如果预测点处存在封闭的建筑物时其房间内部的体积分数)。从图3中可以看出:丙烯腈泄漏后下风向50m处在较长一段时间内体积分数处于8.0×10-4附近,远大于其在空气中允许最大体积分数。5网络模拟评价软件b/s模式化工过程灾害模拟评价系统能够模拟分析灾害事故后果严重度,给化工企业防救灾、安全设计和企业劳动安全卫生预评价提供重要参考。但系统还存在着模型复杂性和参数不确定性等问题。系统的进一步完善可考虑采用各种合理的方法确定参数,如用统计分析方法、构造模糊集进行确定等。此外