乙醇貯罐區(qū)事故后果定量模擬分析

乙醇貯罐區(qū)事故后果定量模擬分析苗金明;劉倩倩;張憲金【摘要】Thispapersystematicallyanalyzesthemajorriskoftheethanoltankarea,andsummarizesthepossibleconsequencesoftheaccident:tankpoorfire,vaporcloudexplosion（VCE）,boilingliquidexpandingvaporexplosion（BLEVE）.Alsomathematicalmodelsofquan-titativesimulationanalysisandanappliedmethodologyforsimulatingtheconsequencesispresen-ted,whichisconductiveforoveralllayoutofalcoholtank,securitydesign,riskanalysis,andaccidentpreventionmeasures.%通過對乙醇罐區(qū)的危險特性進(jìn)行分析,指出乙醇的事故后果主要為池火災(zāi)、蒸氣云爆炸、沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣爆炸;給出了乙醇事故后果的定量模擬分析的數(shù)學(xué)模型,同時進(jìn)行了實例模擬，對指導(dǎo)乙醇貯罐區(qū)的總體布局、貯罐區(qū)安全設(shè)計、貯罐區(qū)危險性分析及事故預(yù)防措施均有一定參考價值?！酒诳Q】《北京勞動保障職業(yè)學(xué)院學(xué)報》【年(卷)，期】2012(000)001【總頁數(shù)】5頁(P36-39,60)【關(guān)鍵詞】乙醇罐區(qū);事故后果;定量模擬分析;預(yù)防措施【作者】苗金明;劉倩倩;張憲金【作者單位】北京勞動保障職業(yè)學(xué)院，北京100029;北京勞動保障職業(yè)學(xué)院，北京100029;北京勞動保障職業(yè)學(xué)院，北京100029【正文語種】中文【中圖分類】X915.3乙醇是無色、透明、有香味、易揮發(fā)的液體，具有易燃性、易爆性、高度流動擴(kuò)散性、受熱易膨脹、易積聚靜電荷等危險特性。乙醇由于其閃點低，化學(xué)活性強(qiáng)，故屬甲類危險性化學(xué)品，應(yīng)儲存在陰涼通風(fēng)的倉庫中，遠(yuǎn)離火種、熱源、氧化劑及氧化性酸類。由于腐蝕、制造缺陷、法蘭未緊固等原因，在貯罐區(qū)非作業(yè)狀態(tài)下，乙醇會發(fā)生滲漏，遇明火燃燒。作業(yè)狀態(tài)下，由于裝卸乙醇的膠管破裂、密封墊破損、快速接頭緊固栓松動等原因會造成乙醇泄漏。乙醇泄漏的主要事故后果是池火災(zāi)、蒸氣云爆炸、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸［1］。一、乙醇儲罐區(qū)的泄漏后果貯罐區(qū)乙醇發(fā)生泄漏，在地勢低洼處積聚，揮發(fā)的乙醇蒸氣四處蔓延，遇明火源、靜電、雷電、作業(yè)場所的機(jī)動車輛的電火花以及用電線路的老化會引起燃燒爆炸事故，造成嚴(yán)重的損失。乙醇在常溫常壓下泄漏，迅速擴(kuò)散到周圍區(qū)域形成液池，遇明火會引起池火災(zāi)，池火災(zāi)的破壞主要是熱輻射。熱輻射作用在容器和設(shè)備上，其內(nèi)部壓力會迅速升高，引起容器和設(shè)備的破裂。如果熱輻射作用于可燃物，會引燃可燃物；如果熱輻射作用于人員，會引起人員燒傷甚至死亡。蒸氣云爆炸，是指可燃?xì)怏w或蒸氣與空氣的云狀混合物在開闊地上空遇到點火源引發(fā)的爆炸。乙醇泄漏后，其蒸氣與周圍的空氣預(yù)混，在延遲點火、空間局限化的情況下，遇明火、高熱能就會引起燃燒爆炸。蒸氣云爆炸發(fā)生后其破壞作用主要包括爆炸沖擊波、爆炸火球熱輻射對周圍人員、建筑物、儲罐等設(shè)備的傷害、破壞。沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸是指液體急劇沸騰產(chǎn)生大量過熱而引發(fā)的一種爆炸式沸騰現(xiàn)象。乙醇貯罐區(qū)的沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸，是指儲罐在外部火焰的烘烤下突然破裂，壓力平衡破壞，罐內(nèi)乙醇急劇氣化，并隨即被火焰點燃而產(chǎn)生的爆炸。沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸發(fā)生后，主要危害是爆炸產(chǎn)生的火球熱輻射。二、事故后果定量模擬分析計算公式（一） 泄漏由于設(shè)備損壞或操作失誤引起泄漏從而大量釋放易燃、易爆、有毒有害物質(zhì)，將會導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、中毒等重大事故發(fā)生。因此，后果分析由泄漏開始［2］。液體泄漏速度可用流體力學(xué)的柏努利方程計算，其泄漏速度為：式中：Q0為液體泄漏速度，kg/s;Cd為液體泄漏系數(shù)；A為裂口面積，m2;p為泄漏液體密度，kg/m3;P為容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa;P0為環(huán)境壓力，Pa;g為重力加速度，9.8m/s2;h為裂口之上的液位高度，m。連續(xù)泄漏（泄漏持續(xù)10min以上）時：式中：r為液池半徑，m;m為泄漏的液體量，kg;g為重力加速度，9.8m/s2;P為設(shè)備中液體壓力，Pa;t為泄漏時間，s。（二） 池火災(zāi)危害后果的計算模型乙醇泄漏后流到地面形成液池，遇到火源燃燒而成池火。池火災(zāi)的破壞主要是熱輻射熱輻射作用在容器和設(shè)備上，其內(nèi)部壓力會迅速升高，引起容器和設(shè)備的破裂。如果熱輻射作用于可燃物，會引燃可燃物；如果熱輻射作用于人員，會引起人員燒傷甚至死亡。熱輻射通量液池燃燒時放出的總熱輻射通量為：式中：Q為總熱輻射通量，W；n為效率因子，可取0.13~0.35;S為液池面積，m2,可按S=nr2計算；L為液池周長，m,可按L=2nr計算。目標(biāo)入射熱輻射強(qiáng)度假設(shè)全部輻射熱量由液池中心點以小球面輻射出來，則在距離池中心某一距離（X）處的入射熱輻射強(qiáng)度為：式中：I為入射熱輻射強(qiáng)度，W/m2；n為熱傳導(dǎo)系數(shù)，可取值為1；X為目標(biāo)點到液池中心距離，m。不同熱輻射強(qiáng)度所造成的損失，見表1。表1熱輻射的不同熱輻射強(qiáng)度所造成的損失__入射熱輻射強(qiáng)度（kW/m2）對設(shè)備的損害對人的損害 37.5操作設(shè)備全部破壞10s,1%死亡；1min,100%死亡25在無火焰、長時間的輻射下木材燃燒的最小能量10s，重大損傷；1min,100%死亡12.5有火焰時，木材燃燒，塑料融化的最小能量10s，燒傷；1min,1%燒傷4.020s以上感覺痛，未必起泡 1.6長期輻射無不適 （三）蒸氣云爆炸（VEC）危害后果的計算模型蒸氣云爆炸，是指可燃?xì)怏w或蒸氣與空氣的云狀混合物在開闊地上空遇到點火源引發(fā)的爆炸。乙醇泄漏后，其蒸氣與周圍的空氣預(yù)混，在延遲點火、空間局限化的情況下，遇明火、高熱能就會引起燃燒爆炸。蒸氣云爆炸發(fā)生后其破壞作用主要包括爆炸沖擊波、爆炸火球熱輻射對周圍人員、建筑物、儲罐等設(shè)備的傷害、破壞。蒸氣云爆炸計算采用TNT當(dāng)量法［3］。TNT當(dāng)量的計算假定一定百分比的蒸氣云參與了爆炸，可以用TNT當(dāng)量WTNT來表示蒸氣云爆炸的威力，計算公式為：式中：A為蒸氣云的TNT當(dāng)量系數(shù)，取值范圍0.02%~14.9%，可以取4%;WTNT為蒸氣云的TNT當(dāng)量，kg;Wf為蒸氣云中燃料的總質(zhì)量，kg;Qf為燃料的燃燒熱，MJ/kg;a為地面爆炸系數(shù)，取1.8;QTNT為TNT的爆熱，4.12~4.69MJ/kg。死亡區(qū)半徑死亡區(qū)內(nèi)徑為零，夕卜徑記為R0.5,表示外圓周處人員因沖擊波作用導(dǎo)致肺出血而死亡的概率為0.5，它與爆炸量間的關(guān)系由下式確定：重傷區(qū)半徑重傷區(qū)內(nèi)徑為死亡半徑R0.5,外徑記為Rd0.5,表示該處人員因沖擊波作用耳膜破裂的概率為0.5，它要求的沖擊波峰值超壓為44000Pa。式中：為目標(biāo)到爆源的水平距離，即重傷區(qū)半徑，m;P0為環(huán)境壓力，Pa。輕傷區(qū)半徑該區(qū)內(nèi)徑為重傷區(qū)的外卜徑Rd0.5,外徑為Rd0.01,表示外邊界處耳膜因沖擊波作用破裂的概率為0.01，它要求的沖擊波峰值超壓為17000Pa。計算Rd0.01仍用公式（7）進(jìn)行計算。（四）沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸（BLEVE）危害后果的計算模型乙醇貯罐區(qū)的沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸，是指儲罐在外部火焰的烘烤下突然破裂，壓力平衡破壞，罐內(nèi)乙醇急劇氣化，并隨即被火焰點燃而產(chǎn)生的爆炸。沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸發(fā)生后，主要危害是爆炸產(chǎn)生的火球熱輻射［4,5］?；鹎虻奶卣骺捎脟H勞工組織（ILO）建議的沸騰液體擴(kuò)展為蒸氣爆炸模型來估計?；鹎虬霃降挠嬎銓嶒炞C明，火球半徑R和可燃物質(zhì)量W的立方根成正比，火球半徑的計算公式為：式中，對單罐儲存，W取罐容量的50%；對于雙罐儲存，W取罐容量的70%；對多罐儲存，W取罐容量的90%?；鹎虺掷m(xù)時間計算實驗證明，火球的持續(xù)時間t也和可燃物質(zhì)量W的立方根成正比。火球持續(xù)時間按下式計算目標(biāo)接收到熱輻射通量計算當(dāng)r>R時，目標(biāo)接收到的輻射通量按下式計算式中：q0為火球表面的輻射通量，W/m2。對柱形罐取270kW/m2;球形罐取200kW/m2;「為目標(biāo)到火球中心的水平距離，m。熱輻射對人員的影響彼得森（Pietersen）在1990年用如下模型來預(yù)測熱輻射的影響。皮膚裸露時的死亡幾率為：有衣服保護(hù)（20%皮膚裸露）時，二度燒傷幾率為：有衣服保護(hù)（20%皮膚裸露）時，一度燒傷幾率為：式中：q為人體接收到的熱通量，W/m2;t為人體暴露于熱輻射的時間，s;Pr為人員傷害幾率。三、事故后果定量計算實例乙醇貯罐區(qū)事故后果計算模型[6,7]:貯罐區(qū)情況：乙醇儲存為單罐儲存，存儲量為1000m3，其中操作溫度為常溫，操作壓力為常壓，儲罐的直徑D=5m，高H=13m,盛裝乙醇V=1000m3。容器內(nèi)介質(zhì)的壓力為3P0（即3倍環(huán)境壓力）。（一） 液體的泄漏量的計算設(shè)此1000m3的乙醇儲罐有幾處不規(guī)則的泄漏口，可等效為一個r=30mm的圓形裂口。則泄漏口面積A=0.002826m2。裂口之上液位高度h=10mo由此可求液體的泄漏速度Q0=39.08kg/s。設(shè)液體泄漏未達(dá)到人工邊界，且連續(xù)泄漏12min，則泄漏液體的質(zhì)量：m=28137.6kg則在沒有液體揮發(fā)的情況下其液池半徑可用式（2）計算為：r=1068.55m。（二） 池火災(zāi)事故后果計算根據(jù)目標(biāo)點周圍的設(shè)施情況，取到液池中心的距離分別為4.5m,5.5m,8.0m,14.0m,22.0m。根據(jù)2.2中計算公式可得到表2。表2池火災(zāi)主要計算結(jié)果距液池中心距離（m）總熱輻射通量（可）入射熱輻射強(qiáng)度（kW/m-2）4.59.14x10635.945.59.14x10624.068.09.14x10611.3714.09.14x1063.7122.09.14x1061.5根據(jù)表2可得，在形成池火災(zāi)的情況下，總熱輻射通量達(dá)到9.14x106可。目標(biāo)至火源中心點間的水平距離不同，所產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度也不同。目標(biāo)至火源中心間的水平距離4.5m時，其熱輻射強(qiáng)度為35.94kW/m2，將造成操作設(shè)備全部損壞，10s內(nèi)1%的人員全部死亡，1min內(nèi)100%的人員死亡的后果；而距離液池大于22.0m的地方入射熱輻射強(qiáng)度較小，引起人員傷害和財產(chǎn)損失的程度不大。（三） 蒸氣云爆炸（VCE）事故后果計算乙醇貯罐區(qū)內(nèi)的泄漏量由前面的計算可知，由于乙醇揮發(fā)，設(shè)有3%的乙醇蒸氣混入空氣中參與了蒸氣云爆炸，根據(jù)2.3中的計算公式得表3:表3乙醇蒸氣云爆炸（VCE）模型模擬結(jié)果TNT_當(dāng)量（kg）死亡區(qū)半徑（m）重傷區(qū)半徑（m）輕傷區(qū)半徑（m）財產(chǎn)損失半徑（m）1.14x10433.587.2156__103.5本例中乙醇蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量為1.14x104kg。離氣云中心半徑為33.5m的圓形區(qū)域內(nèi)的人員可能大部分死亡；離氣云中心外徑為87.2m，內(nèi)徑為33.5m的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)，人員大部分重傷；離氣云中心外徑為156m，內(nèi)徑為87.2m的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)，人員大部分輕傷。因而，發(fā)生蒸氣云爆炸后，救災(zāi)人員離蒸氣云中心的最小工作安全距離為156m。財產(chǎn)損失范圍為半徑103.5m的圓形區(qū)域。（四） 沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸（BLEVE）的定量計算根據(jù)公式10~13得出不同傷害、破壞時的熱通量及傷害半徑，如表4。表4沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸模擬結(jié)果214.02__火球持續(xù)時間（s）項目模擬結(jié)果值說明火球半徑（m）33.21目標(biāo)接收到—熱通量（kW/m2）65.88火球表面死亡熱通量 （kW/m2）13.29死亡幾率為5.0,暴露時間—熱通量（kW/m2）11.29死亡幾率為5.0，暴露時間21s二度燒傷—熱通量（kW/m2）4.96死亡幾率為5.0,暴時間21s—度燒傷21s財產(chǎn)燒毀—熱通量（kW/m2）24.91__財產(chǎn)破壞半徑（m）497.00財產(chǎn)全部被燒毀死亡區(qū)半徑（m）712.40 重傷區(qū)半徑（m）772.00輕傷區(qū)半徑（m）1193.60 當(dāng)乙醇貯罐區(qū)發(fā)生沸騰液體擴(kuò)展蒸氣云爆炸時，火球半徑為214.02m,火球持續(xù)時間為33.21s，火球表面的最大熱通量（65.88kW/m2），大于死亡區(qū)的熱通量（13.29kW/m2），且大于財產(chǎn)燒毀熱通量（24.92kW/m2）。由于死亡半徑r1=712.4m，使得貯罐區(qū)內(nèi)一旦發(fā)生擴(kuò)展蒸氣爆炸，不但廠區(qū)內(nèi)人員難以幸免，而且會殃及四鄰，造成嚴(yán)重的財產(chǎn)損失和人員傷亡。重傷半徑及輕傷半徑分別為772m、1193.6m，離氣云中心外徑為772m，內(nèi)徑為712.4m的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)人員大部分重傷；離氣云中心內(nèi)徑為772m，夕卜徑為1193.6m的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)，人員可能大部分輕傷。四、結(jié)論采用數(shù)學(xué)模型的方法對事故后果進(jìn)行預(yù)測和分析，具有一定程度的可靠性，不但可以用于事后對事故過程的再現(xiàn)分析，而且可以對一些潛在的危險源，特別是附近存在人口相對比較集中區(qū)域的重大危險源，可考慮不同的事故形式來分別預(yù)測其可能造成的后果，以便在事故發(fā)生后，能夠知道事故的影響范圍和后果，從而做到科學(xué)指揮［8,9,10］。本文通過對乙醇貯罐區(qū)的泄漏、池火災(zāi)、蒸氣云爆炸和沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸四種危險特性進(jìn)行了定量模擬分析和計算，將乙醇貯罐區(qū)主要事故的發(fā)生條件、特點及危害，分別給出了進(jìn)行定量模擬分析這幾種事故的嚴(yán)重程度及傷害范圍的數(shù)學(xué)模型及計算方法，同時進(jìn)行了實例模擬，并對計算結(jié)果進(jìn)行分析，對貯罐區(qū)危險性分析、貯罐區(qū)的安全管理及事故預(yù)