加氫反應器的事故后果定量風險評估評價

加氫反應器的事故后果定量風險評估評價加氫反應器的事故后果定量風險評估評價IIA通過表2.1可知，氫氣、硫化氫、氨氣等物質的爆炸下限比較低，而且氫氣、硫化氫、煤焦油、汽油等都屬于甲類火災危險物質，一旦泄露在空氣中很容易發(fā)生火災、爆炸危險。2.2.2中毒危險物質加氫反應器內(nèi)的一些危險化學品具有一定的毒性，依據(jù)《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》(GBZ230-2010)及《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值第1部分：化學有害因素》(GBZ2.1-2007)，各有毒物質的毒性指標見表2.2。表2.2危險化學品毒性指標序號物質名稱危害程度1硫化氫高度危害10--2氨氣輕度危害-20303煤焦油輕度危害-3004504汽油輕度危害5柴油輕度危害MAC是指最高容許濃度(Maximum

Allowable

Concentration)，指工作地點、在一個工作日內(nèi)、任何時間均不應超過的有毒化學物質的濃度。PC-TWA是指時間加權平均容許濃度(Permissible

Concentration-TimeWeightedAverage)，指以時間為權數(shù)規(guī)定的8小時工作日的平均容許接觸水平。PC-STEL是指短時間接觸容許濃度(PermissibleConcentration-ShortTermExposureLimit)，指一個工作日內(nèi)，任何一次接觸不得超過的15分鐘時間加權平均的容許接觸水平。加氫反應器內(nèi)存在高度危害物質硫化氫。硫化氫是具有刺激性，無色氣體，具有“臭雞蛋味”，但當濃度極高時會引起嗅覺疲勞而聞不到其臭味。低濃度接觸對呼吸道或眼睛有局部刺激作用，高濃度接觸時對全身都會產(chǎn)生刺激性作用，主要表現(xiàn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)損害和窒息。氨氣具有強烈刺激性氣味，為無色氣體。氨氣主要經(jīng)呼吸道吸入中毒，氨濃度越高，接觸時間越長，對人體的毒性就越大。吸入高濃度氨可造成人體組織蛋白質變性、脂肪組織失去溶解性，引起呼吸道或皮膚燒傷、肺出血甚至反射性呼吸停止。液氨或高濃度氨還可致眼灼傷或皮膚灼傷。常見油品有汽油、柴油、煤焦油、潤滑油、石蠟油等。汽油是一種神經(jīng)系統(tǒng)麻痹性毒物。急性輕度中毒時，是類似酒醉樣癥狀，如頭暈、頭痛、惡心、無力、嘔吐、步態(tài)不穩(wěn)、視力模糊、精神恍惚，并可能引發(fā)癔病發(fā)作。重度中毒時，會立刻出現(xiàn)昏迷、抽搐等嚴重的心、腦血系統(tǒng)病癥。如不慎將汽油吸入肺部，則會引發(fā)吸入性肺炎。柴油為高沸點成份，故使用時由于蒸汽所致的毒性機會較小。柴油的霧滴吸入后可致吸入性肺炎。皮膚接觸柴油可致接觸性皮炎。多見于兩手、腕部與前臂。煤焦油為化學致癌物，如果作用于皮膚，可能引起皮膚炎癥，還可能腐蝕皮膚。吸入熱的煤焦油蒸氣會引起中毒或鼻中隔損傷。2.3工藝過程危險與有害因素分析2.3.1火災爆炸危險性加氫反應器內(nèi)以油品為原料，在加氫專用催化劑的作用下，經(jīng)高溫、中壓、加氫反應，在反應器內(nèi)進行大分子裂化、烯烴及芳烴飽和、脫硫、脫氮、脫重金屬等一系列反應，提高油品性質以生產(chǎn)出高質量的汽、柴油替代產(chǎn)品或燃料油[4]。上述物料在生產(chǎn)過程中溫度和壓力比較高，一旦發(fā)生超溫、超壓或泄漏情況，極易引發(fā)火災爆炸事故。點火源產(chǎn)生原因明火：人員攜帶火種進入危險區(qū)域或在在危險區(qū)域內(nèi)抽煙，車輛沒有防火罩而進入爆炸危險區(qū)域等都可能產(chǎn)生明火。違章操作：沒有辦理相應手續(xù)在爆炸危險區(qū)域焊接，也沒有防護措施。過熱物質：反應器內(nèi)的大多數(shù)反應是在高溫下進行，溫度超過了反應物的可燃點，一旦反應物質發(fā)生泄漏，極易造成火災爆炸事故。如在制氫過程中，轉化爐的溫度可達到850℃，而氫氣引燃溫度為400℃，中間產(chǎn)物一氧化碳的引燃溫度為610℃。因此，一旦設備泄漏極易引燃可燃氣體而發(fā)生爆炸事故。電氣火花：在爆炸危險區(qū)域未使用相應級別的防爆電氣，或防爆電氣防爆性能失效，電氣線路老化引燃絕緣層，過載、接觸不良產(chǎn)生高溫等均會引起爆炸事故。切割、打磨產(chǎn)生火花及高溫：在爆炸危險區(qū)域違章作業(yè)，切割、打磨產(chǎn)生火花及高溫，遇到可燃性氣體達到爆炸極限從而引發(fā)爆炸事故。靜電火花：未按要求穿戴防靜電工作服，流體的高速流動，設備、管線無防靜電接地措施或防靜電接地失效，都有可能產(chǎn)生靜電火花。雷電：由于設備的防雷設施失效、不按要求安裝防雷設施、防雷設施已損壞或未設置防雷設施等原因均可能造成雷電火源。電磁輻射：在爆炸危險區(qū)域內(nèi)使用非防爆通信設備，也有可能引燃易燃物質，發(fā)生爆炸事故。另外，容器、塔器在檢修過程中，沒有按要求進行吹掃、清洗、取樣分析，檢修人員違章進入受限空間動火作業(yè)，也有可能發(fā)生爆炸事故。發(fā)生泄漏原因加氫反應器設備腐蝕有可能導致泄漏，主要原因有高溫氫腐蝕、氫脆、高溫腐蝕以及濕腐蝕[5]。①高溫氫腐蝕是由于材料中的碳在高溫條件下與氫氣發(fā)生反應生成甲烷，從而降低了材料的塑性和機械強度，甲烷氣體在材料的晶體間不斷積聚，使材料內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應力從而導致材料表面鼓泡或裂紋。為了避免發(fā)生高溫氫腐蝕，加氫反應器內(nèi)的設備、管線多采用不銹鋼或合金鋼。②氫脆是由于氫原子溶于鋼材后，聚合為分子導致鋼材晶體的結合力降低，造成應力集中現(xiàn)象，從而使材料的韌性、延展性下降。氫脆的危害主要在裝置停工階段出現(xiàn)，此時反應器內(nèi)的溫度、壓力迅速下降，材料中的氫氣無法快速溢出，處于過飽和狀態(tài)，嚴重時就會引起材料的表面產(chǎn)生裂紋。③高溫腐蝕是由于脫硫反應后的硫與氫氣反應生成了，作用于鋼材加劇了氫腐蝕。④濕腐蝕主要形態(tài)有：電化學腐蝕引起的材料表面腐蝕，腐蝕引起的氫脆、氫裂或應力腐蝕。加氫反應器的工藝閥門、法蘭、管道、儀表連接處較多。如果法蘭連接件處松動、墊片發(fā)生老化或長期腐蝕都有可能導致泄漏。機泵、壓縮機以及風機等轉動設備密封不嚴密也可導致泄漏，若軸封不良或長期磨損，也有可能造成泄漏。設備異常超壓、緊急泄放裝置失效或連鎖控制失靈等原因有可能造成容器、設備或管道超壓破裂泄漏。人員操作失誤將高壓氣體竄至低壓管線，從而造成超壓泄漏。自然災害造成的破裂泄漏如地震、臺風等。2.3.2灼燙危險性分析人員不慎接觸高溫物料、容器、管道、爐渣和廢料容易造成灼燙事故。例如加熱爐操作溫度高達500℃[7]，如果爐壁的保溫隔熱效果不好，周圍無有效的防護措施，就有可能發(fā)生高溫灼燙事故。發(fā)生灼燙事故可能的原因有：爐壁、管線等高溫設備表面沒有添加隔熱材料保護或沒有設置警示牌；高溫作業(yè)時，作業(yè)人員沒有穿戴要求的勞動防護用品；高溫作業(yè)時，作業(yè)人員沒有使用必須的作業(yè)工具；高溫氣體或液體意外泄漏而燙傷作業(yè)人員。2.4其他危險、有害因素分析2.4.1觸電加氫反應器需要大量的電氣設備，如發(fā)電機、電纜、配電設備等，如果這些電氣設施的線路絕緣老化、漏電保護裝置失效、未設置屏護設施、接地接零防護措施失效，以及人員未按照規(guī)章進行操作等原因均可造成觸電事故。2.4.2高處墜落操作人員登高作業(yè)時不按勞動紀律穿戴防護用品，不按規(guī)定通道上下作業(yè)等，未經(jīng)安全人員的同意擅自從事登高作業(yè)或拆除防護措施，均有可能造成人員高處墜落事故。2.4.3粉塵裝置使用的催化劑較多，有加氫催化劑鎳鉬硫化物、轉化催化劑、甲基二乙醇胺脫硫劑、PSA變壓吸附劑等[8]，在添加催化劑和卸載過程中，如果無有效的防塵裝置，就有可能危害作業(yè)人員的身體健康。2.4.4物體打擊作業(yè)人員進入施工現(xiàn)場未佩戴安全帽、容器的物件松動、機械運行、物料或工具傳遞失誤均有可能造成物體打擊。3定性、定量風險評價方法3.1加氫反應器的定性風險分析3.1.1事件樹分析加氫反應器如果發(fā)生泄漏主要有可能發(fā)生油品或氫氣的泄漏，硫化氫和氨氣由于含量較少，故不作考慮。點火過程分為立即點火和延遲點火。立即點火是指可燃物泄漏后立刻點火，延遲點火是指可燃物泄漏后擴散碰到點火源而點火[17]。連續(xù)泄露時立即點火會產(chǎn)生噴射火，而瞬時泄漏時如立即點火會產(chǎn)生沸騰液體擴展蒸氣云爆炸或閃火，如延時點火則可能導致蒸氣云爆炸或閃火。根據(jù)《石化企業(yè)定量風險評價導則》（AQ/T3046-2013），可燃液體釋放事件樹如圖3.1，氫氣泄漏事件樹如圖3.2。圖3.1可燃液體釋放事件樹圖3.2氫氣泄漏事件樹3.1.2泄露概率基礎泄漏概率主要來源于事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，泄漏的部位主要有：容器、管道、壓縮泵、閥門、連接件等。由于我國缺乏在工業(yè)泄露的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，一般采取國外的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行研究。表3.1給出了1982年荷蘭的研究小組在COVO研究報告中公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和挪威船級社（DNC）在2005年公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[3]。表3.1基礎泄漏概率泄漏部位泄漏方式泄露概率數(shù)據(jù)來源容器泄漏孔徑1mm泄漏孔徑10mm泄漏孔徑50mm整體破裂整體破裂（壓力容器）5.00E-41.00E-55.00E-61.00E-66.50E-5DNVCrossthwaiteetalCrossthwaiteetalCrossthwaiteetalCOVOStudy內(nèi)徑50mm的管道泄漏孔徑1mm全管徑泄漏5.70E-58.80E-7DNVCOVOStudy50mm＜內(nèi)徑150mm的管道泄漏孔徑1mm全管徑泄漏2.00E-52.60E-7DNVCOVOStudy內(nèi)徑>150mm的管道泄漏孔徑1mm全管徑泄漏1.1E-58.80E-8DNVCOVOStudy根據(jù)前面建立的事件樹模型，可以計算出各種事故后果的概率。根據(jù)《石化裝置定量風險評估指南》，點火總概率為(3.1)式中：m——泄漏質量流速，。氣體延遲點火概率為(3.2)液體延遲點火概率為(3.3)氣體立即點火概率為(3.4)液體立即點火概率為(3.5)3.2氫氣泄漏定量風險評價模型3.2.1噴射火加壓的易燃物一旦從容器、管道等設備泄漏出來時會形成噴射流，如果在泄漏裂口遇到點火源，將會形成噴射火[9]。噴射火對周圍人員、設備、環(huán)境造成的主要危害為火焰的沖擊和熱輻射。若噴射火發(fā)生在儲罐區(qū)，產(chǎn)生的熱輻射有可能使周圍儲罐發(fā)生火災或爆炸。因此計算噴射火的尺寸和熱輻射情況，可以為事故預防。工業(yè)安全方面提供可靠依據(jù)。常用的噴射火的模型有“單點源”模型、“多點源”模型和“圓錐體模型”，本文采用“單點源”模型，假設噴射火的火焰形狀呈圓錐狀，并用泄漏處到火焰長度的4/5處的點源模型定量計算[1]。泄漏速率氣體從容器破裂口泄漏的速度與其流動的狀態(tài)有關，因此計算泄漏量時所先要判斷泄漏時氣體的流動速度屬于音速還是亞音速流動[4]。當時，氣體流動屬于音速流動；當時，氣體流動屬于亞音速流動。音速流動的氣體泄漏質量流速為：(3.6)亞音速流動的氣體泄漏質量流速為：(3.7)式中：m——氣體泄漏的質量流速，kg/s；P——容器內(nèi)介質的壓力，Pa；——環(huán)境壓力，Pa；A——為泄漏口面積，，取泄漏管徑的20%；M——氣體摩爾質量，Kg/mol；T——氣體溫度，K；R——氣體常數(shù)，；K——氣體的絕熱指數(shù)；——泄漏液體系數(shù)，經(jīng)過一小段短管液體經(jīng)小孔泄漏取1.0[16]；Y——流出系數(shù)?；鹧骈L度噴射火的火焰長度與泄漏質量流速和泄漏物質的燃燒熱有關，可用如下方程計算：(3.8)式中：R——火焰長度，m；——氫氣的燃燒熱，J/kg。目標接收熱輻射強度距離噴射火火焰點源為L(m)處接收到的熱輻射通量可用下式表示：(3.9)式中：q——距離L處接收的熱輻射的通量()f——熱輻射率，取0.2；——大氣傳輸率。大氣傳輸率計算方式如下：(3.10)熱輻射傷害熱輻射是熱傳播的主要方式，火災主要通過熱輻射的方式破壞周圍目標，包括人員、設備、建筑物、木材等。當熱輻射強度足夠大時，可使周圍的設備變形或燃燒，甚至造成人員傷亡等。預測噴射火的熱輻射強度必須知道熱輻射的破壞準則，本文采用熱通量準則，熱通量準則中熱通量作為唯一參數(shù)來判斷目標是否被破壞，當目標接收熱通量小于目標破壞所需的臨界熱通量時，目標不被破壞；否則，目標被破壞。熱通量準則適用于：目標達到熱平衡所用時間比熱通量所用時間長。通過上述公式的推算，計算相應熱輻射強度的傷害半徑，表3.2是不同的射通量造成傷害或損失的傷害半徑[14]。表3.2熱輻射造成傷害或損失的傷害半徑熱輻射強度傷害半徑/m對設備的損傷對人的傷害37.5操作設備全部損壞1%死亡/10s100%死亡/1min25在無火焰、長時間輻射下。木材燃燒的最小能量重大燒傷/10s100%死亡/1min12.5有火焰時，木材燃燒，塑料融化的最小能量一度燒傷/10s1%死亡/1min4.0-20s以上感覺疼痛，未必起泡1.6--長時間輻射無不舒服感覺從表中可看出，熱輻射強度較小時，不會瞬間致人死亡或重傷，人們可以從火災現(xiàn)場逃離或掩蔽起來。3.2.2泄漏擴散氫氣泄漏后會在泄漏源形成氣團，氣團在大氣中的擴散可連續(xù)型煙羽模型對液氨儲罐中氨氣泄露擴散區(qū)域進行計算，而高斯模型是三維擴散模型，為了便于觀察分析，截取有效源高度處（z軸固定），xy平面為研究對象，計算公式為：(3.11)式中：C(x，y，z)——連續(xù)排放時，形成穩(wěn)定的流場后，某地點(x，y，z)的氫氣的濃度，kg/m3；Q——連續(xù)排放時氨氣的質量流量，kg/s；U——風速，m/s；y，z——側風向、垂直風向擴散系數(shù)；x——下風向距離，m；y——側風向距離，m；z——垂直風向距離，m。查得東北地區(qū)的大氣穩(wěn)定度一般為D型，再根據(jù)《石化裝置定量風險評估指南》查得大氣穩(wěn)定度為D型時，所對應的擴散參數(shù)為：(3.12)(3.13)將，的表達式，泄漏時的平均風速、泄漏量代入高斯擴散煙羽模型，根據(jù)煙羽模型擴散公式，就可以畫出在加氫反應器發(fā)生泄漏后，氫氣的擴散范圍圖。3.2.3火球裝有液化氣體的容器和設備當處于外部火焰烘烤、機械失效或受到撞擊等時，容器和設備有可能突然破裂，罐內(nèi)外的壓力平衡被突然破壞，液化氣體急劇氣化，大量的氣化的氣體釋放出來，并立即被外部火焰點燃就會產(chǎn)生沸騰液體擴展蒸氣爆炸(BLEVE)，產(chǎn)生巨大的火球。加氫反應器在外部火焰的烘烤下，也會產(chǎn)生沸騰液體擴展蒸氣爆炸?；鹎蛑睆交鹎蛑睆接嬎愎綖椋?3.14)式中：R——火球直徑，m；W——火球中消耗的可燃物質量，kg。對于單罐儲存，W取罐容量的50%；對于雙罐儲存，W取罐容量的70%；對于多罐儲存，W取罐容量的90%?；鹎虺掷m(xù)時間火球持續(xù)時間按下式計算：(3.15)式中：t——火球持續(xù)時間，s；W——火球消耗的可燃物質量，kg?；鹎蛱叨然鹎蛟谌紵龝r，將抬升到一定的高度。火球中心點距離地面的高度H由下式計算：(3.16)死亡、重傷、輕傷熱通量死亡熱通量：(3.17)重傷熱通量：(3.18)輕傷熱通量：(3.19)式中：——傷害概率，按人員傷害概率為時，傷害百分數(shù)為50計，死亡、重傷、輕傷都以百分數(shù)50定義?！邮艿降臒嵬?，。死亡、重傷、輕傷半徑目標接收到的熱通量可由下式獲得，將死亡、重傷、輕傷熱通量帶入下式即可算得相應半徑：(3.20)式中：為死亡、重傷、輕傷熱通量，;——火球表面的輻射通量，單位為；對于柱形罐取270，對于球形罐取200；R——火球當量半徑，m。r——目標到火球中心的距離，m。3.2.4蒸氣云爆炸氫氣的爆炸極限為4.0%~75.6%，氫氣泄漏后與空氣混合物達到爆炸下限時遇到點火源很容易發(fā)生蒸氣云爆炸事故。蒸氣云爆炸的主要危害是沖擊波超壓，沖擊波超壓可通過常用的的TNT當量系數(shù)法進行傷害范圍評價，將爆炸產(chǎn)生的爆炸總能量等價于一定質量的TNT爆炸所產(chǎn)生的能量，評價結果比較直觀、可靠。TNT當量氫氣發(fā)生蒸氣云爆炸的TNT當量可以由下式得到：(3.21)式中：——TNT當量，kg；a——TNT當量系數(shù)，推薦；——氫氣蒸氣云總質量，kg；——氫氣的高熱值，；——TNT的燃燒熱，。若加氫反應器內(nèi)所有氫氣泄漏，則由下式可以得到氫氣蒸氣云總質量：(3.22)式中：k——單罐充裝系數(shù)；——氫氣的密度，；V——儲罐體積，。沖擊波超壓當加氫反應器發(fā)生蒸氣云爆炸時，爆炸能量以碎片能量、容器殘余變形能量和沖擊波能量3種形式向外釋放。碎片能量和容器殘余變形能量所消耗的能量較少，只占總爆破能量的3%一10%，而碎片模型由于碎片數(shù)量、能量、大小形狀等的計算有很多不確定參數(shù)，或很多參數(shù)都是經(jīng)驗值，計算也相對繁瑣，還需進行深入研究，所以沒有對碎片模型進行研究。而剩余的大部分爆炸能量產(chǎn)生強烈的空氣沖擊波[16]。沖擊波是一種不連續(xù)峰在介質中的強擾動傳播，這個峰導致環(huán)境溫度、壓力、密度等介質狀態(tài)發(fā)生跳躍式的突變，其傳播速度大于聲速，而空氣沖擊波是工業(yè)事故中最常見的形式。在大多數(shù)情況下，沖擊波的傷害、破壞作用是由超壓引起的，壓力超過周圍環(huán)境壓力即為超壓，超出的最大壓力為峰值超壓，峰值超壓有時候可以達到數(shù)十個大氣壓。沖擊波傷害、破壞作用準則有：超壓準則、沖量準則、超壓一沖量準則等，其中最常用的是超壓準則。超壓準則認為，只要沖擊波超壓達到一定值，便會對目標造成一定的傷害或破壞。表3.3為沖擊波超壓波對人體的傷害，表3.4為對建筑物的破壞作用。表3.3沖擊波超壓對人體的傷害作用/MPa傷害作用0.02~0.03輕微損傷0.03~0.05聽覺器官損傷或骨折0.05~0.10內(nèi)臟嚴重損傷或死亡>0.10大部分人員死亡表3.4沖擊波超壓對建筑物的破壞作用/MPa傷害作用/MPa傷害作用0.005~0.006門、窗玻璃部分破碎0.06~0.07木建筑廠房柱折斷，房架松動0.006~0.015受壓面的門窗玻璃部分破碎0.07~0.10磚墻倒塌0.015~0.02窗框損壞0.10~0.20防震鋼筋混凝土破壞、小房屋倒塌0.02~0.03墻裂縫0.20~0.30大型鋼架結構破壞0.03~0.05墻大裂縫，屋瓦掉下--傷害分區(qū)利用超壓準則計算該加氫反應器泄漏后發(fā)生蒸氣云爆炸的事故后果。為了簡單直觀的反應發(fā)生蒸氣云爆炸時所造成的人員傷亡情況，將危險源周圍劃分為死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)和安全區(qū)[18]。死亡區(qū)是指如果該區(qū)域內(nèi)的人員缺少防護措施，認為將會毫無例外的死亡。其內(nèi)徑為0，外徑設為，表示該區(qū)域內(nèi)人員受到?jīng)_擊波的作用而導致死亡的概率為0.5，它與TNT當量質量之間的關系為：(3.23)重傷區(qū)是指如果該區(qū)域內(nèi)的人員缺少防護措施，認為絕大多數(shù)人將會受到重傷，極少數(shù)人可能死亡或輕傷。其內(nèi)經(jīng)為死亡半徑，外徑設為，表示該區(qū)域內(nèi)人員因受到?jīng)_擊波作用而導致耳膜破裂的概率為0.5，它要求的沖擊波峰值超壓為44000Pa[19]。沖擊波超壓按下式計算：(3.24)(3.25)(3.26)其中：——沖擊波超壓，Pa；Z——中間因子；E——蒸氣云爆炸能量值，J；；——大氣壓，Pa，取101300Pa。輕傷區(qū)是指如果該區(qū)域內(nèi)的人員如果缺少防護措施，則絕大數(shù)人將會遭受輕傷，少數(shù)人會重傷或安全。輕傷區(qū)的內(nèi)徑為重傷區(qū)的外徑，外徑設為，表示該區(qū)域內(nèi)人員因受到?jīng)_擊波作用而外耳膜破裂的概率為0.5，它要求的沖擊波峰值超壓為17000Pa。沖擊波超壓按下式計算：(3.27)(3.28)(3.29)安全區(qū)是指即使該區(qū)域內(nèi)的人員無防護措施，絕大多數(shù)人也不會受傷，其內(nèi)徑為輕傷區(qū)外徑，外徑為無窮大。3.3油品泄漏定量風險評價模型3.3.1噴射火泄漏速率可燃液體泄漏質量流率為：(3.30)式中:Qm——質量流率，kg/s；P——管道內(nèi)液體壓力，Pa；ρ——泄漏液體密度，kg/m3；P0——環(huán)境壓力，Pa。火焰長度噴射火的火焰長度為：(3.31)式中：R——火焰長度，m；——油品的燃燒熱，J/kg。目標接收熱輻射強度距離噴射火火焰點源為L(m)處接收到的熱輻射通量用式(3.9)和式(3.10)獲得。熱輻射傷害熱輻射傷害的計算方式與.2火球直徑火球直徑計算公式為：(3.32)式中：D——火球直徑，m；W——火球中消耗可燃物質量，kg。火球持續(xù)時間火球持續(xù)時間按下式計算：(3.33)火球抬升高度火球中心點距離地面的高度H由式(2.16)計算：死亡、重傷、輕傷熱通量死亡熱通量由式(2.17)計算，重傷熱通量由式(2.18)計算，輕傷熱通量由式(3.19)計算。死亡、重傷、輕傷半徑將死亡、重傷、輕傷熱通量帶入式(3.20)即可算得相應半徑.3.3.3蒸氣云爆炸TNT當量法閃蒸系數(shù)高壓的飽和油品液體泄漏后進入比較低壓的環(huán)境，由于壓力的突然降低一部分液體變成容器壓力下的飽和蒸汽。根據(jù)熱力學數(shù)據(jù)資料，用下式估算油品的閃蒸部分[20]。(3.34)式中：F——蒸發(fā)系數(shù)；——反應器內(nèi)溫度與油品沸點的溫差，K；L——汽化熱，。云團中燃料質量(3.35)式中：——云團中消耗燃料的質量，kg；W——泄漏燃料的質量，kg。TNT當量(3.36)式中：——燃料的TNT當量，kg；——TNT當量系數(shù)，可取=0.05；——燃料的燃燒熱，；——TNT的燃燒熱（4760）。爆炸沖擊波傷害分區(qū)爆炸沖擊波傷害分區(qū)的算法與2.2.4節(jié)一致。4MATLAB軟件評價反應器風險4.1軟件開發(fā)工具4.1.1MATLAB軟件介紹MATLAB是Matrix和Laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結構、輸入和輸出和面向對象編程特點。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復雜的應用程序（M文件）后再一起運行。新版本的MATLAB7.0語言是基于最為流行的C++語言基礎上的，因此語法特征與C++語言極為相似，而且更加簡單。本系統(tǒng)是在MATLAB7.0的基礎上研發(fā)的，MATLAB7.0具有以下幾個主要功能。開發(fā)界面：用戶可以打開多個窗口并使用多個文件，可以根據(jù)要求或個人喜好設計軟件界面，并且還可以為常用功能編輯快捷鍵。數(shù)值計算：MATLAB包含600多個工程中要用到的數(shù)學函數(shù)，從基本算法如加法、正弦，到復雜計算如矩陣求逆、快速傅里葉變換等，可以滿足用戶所需的各種要求。圖形處理：MATLAB有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，可以實現(xiàn)二維和三維的可視化、圖像處理、動畫和表達式作圖等夠功能，可以用于科學計算和工程作圖，并且可以對圖形進行標注和打印。GUI設計：用戶可以不用輸入M函數(shù)代碼直接在界面上編輯各種圖形窗口，然后直接從圖形窗口中創(chuàng)建所需的M代碼文件。4.1.2GUI開發(fā)界面GUIDE是GUIDevelopmentEnvironment的縮寫，打開MATLAB后在命令窗口輸入GUIDE，就會彈出一個對話框，在對話框內(nèi)選擇新建或打開已存在的文件，選擇新建GUIDE界面，如圖4.1所示。圖4.1GUI開發(fā)界面4.1.3GUI界面設計原則GUI界面應該以用戶為核心來進行設計，在設計中應該遵循以下原則。簡單、直觀、透明：GUI設計的關鍵是實現(xiàn)人機之間準確的信息交流，用戶打開界面后應該對各種功能一目了然，輸入數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、輸出數(shù)據(jù)等功能分明，避免界面過于復雜而用戶無法辨識的情況。一致性：一致性是指界面開發(fā)時要選用標準的控件，同時選用相同的信息表現(xiàn)形式。合理性：GUIDE中提供了多種控件，設計中應選用合理的控件，盡量簡化界面，從而簡化相應程序的編寫，避免使用界面中所有控件。同時布局也要合理，體現(xiàn)出界面中元素的不同的重要性。4.2軟件開發(fā)思路為了使軟件使用起來簡單明了，給軟件設置兩級菜單，第二級菜單下再分設子菜單。軟件開發(fā)思路如圖4.2所示。主界面主界面氫氣泄漏油品泄漏噴射火泄漏擴散火球蒸氣云爆炸噴射火火球蒸氣云爆炸開始圖4.2軟件開發(fā)總體思路4.3主界面系統(tǒng)主界面是用戶操作的基礎，主要功能有選擇氫氣泄漏和油品泄漏，分別由菜單欄的氫氣泄漏、油品泄漏菜單項實現(xiàn)，氫氣泄漏菜單欄下有泄漏擴散、噴射火、火球和蒸氣云爆炸子菜單，油品泄漏菜單下面有噴射火、火球和蒸氣云爆炸子菜單。主要運用了菜單編輯器和StaticText控件進行設計，系統(tǒng)的主界面如圖4.3所示。圖4.3系統(tǒng)主界面4.4氫氣泄漏4.4.1噴射火界面根據(jù)GUI界面設計一致性和合理性原則，本文將軟件中所有模塊設計為相同風格。噴射火界面主要包括危險源、參數(shù)確定、泄漏量計算、噴射火計算、傷害半徑和熱輻射量計算6個模塊，共使用了PushButton、EditText、StaticText、Axes、Panel等6個控件，并且運用AlignObject進行控件對齊，使各模塊之間簡單清晰。熱輻射計算模塊中還加入了作圖子模塊，可以作出熱輻射量與距離的函數(shù)圖像，更加直觀的反應熱輻射量的變化。圖4.4氫氣泄漏噴射火界面4.4.2圖4.5氫氣泄漏擴散界面氫氣泄漏擴散界面需要設置質量流速、風速、泄漏時間、氫氣爆炸下限、氫氣爆炸上限和當量爆炸濃度6個參數(shù)，由于后三個參數(shù)是固定值，所以輸入?yún)?shù)后設置為不可修改。4.4.氫氣泄漏火球界面主要包括參數(shù)確定、火球系數(shù)、計算傷害半3個模塊，如圖4.6所示。參數(shù)確定模塊中只需輸入充裝系數(shù)、反應器體積和氫氣密度三個參數(shù)即可計算出泄漏量，泄漏量計算結果保存并導入火球系數(shù)、計算傷害模塊中，減少了輸入環(huán)節(jié)，從而降低了失誤幾率。圖4.6氫氣泄漏火球界面4.4.4蒸氣云爆炸界面蒸氣云爆炸界面如圖4.7所示，包括參數(shù)確定、中間參量、爆炸傷害區(qū)域半徑3個模塊，可以計算出TNT當量質量，從而確定爆炸傷害區(qū)域半徑，并可以用圖形表示爆炸所釋放能量的變化。圖4.7氫氣泄漏蒸氣云爆炸界面4.5油品泄漏4.5.噴射火界面主要包括泄漏量計算、噴射火計算、傷害半徑、危險源和熱輻射計算5個模塊，只需在泄漏量計算模塊選擇氣體泄漏系數(shù)，輸入泄漏口面積、介質壓力、環(huán)境壓力和油品密度即可計算出泄漏質量流速，計算出的泄露質量流速自動填入下一模塊可以計算出火焰長度，從而計算出傷害半徑和熱輻射強度，并可以作出熱輻射強度變化圖。圖4.8油品泄漏噴射火爆炸界面4.5.2火球界面火球界面設置危險源、參數(shù)確定、火球系數(shù)、熱通量和計算傷害半徑四個模塊，在參數(shù)確定模塊中輸入處理量和泄露時間，即可計算出泄漏量，從而計算出火球系數(shù)、熱通量和傷害半徑，并可以作出火球表面熱輻射強度變化圖。圖4.9油品泄漏火球界面4.5.3蒸氣云爆炸蒸氣云爆炸界面中設置參數(shù)確定、中間參量、爆炸傷害半徑3個模塊，參數(shù)確定模塊中需要輸入8個參數(shù)，分別為恒壓比熱、泄漏量、溫差、標準大氣壓、煤焦油氣化熱、TNT燃燒熱、TNT當量系數(shù)和油品燃燒熱。計算出中間參量后即可計算出爆炸傷害半徑，并可作出爆炸能量變化圖。圖4.10油品泄漏蒸氣云爆炸界面5實例計算5.1裝置事故模型某煤焦油加氫反應器體積為20，氫油體積比2500：1，泄漏點的壓力15.7MPa，溫度320℃。由于發(fā)現(xiàn)及時，經(jīng)工作人員及時搶修，更換了連接件從而消除了隱患，反應器連接的管線受溫度變化發(fā)生伸縮變化，從而引起法蘭連接處松動假設泄漏部位見圖5.1所示，對其后果進行模擬計算分析。。圖5.1煤焦油加氫反應器泄漏部位表5.1加氫反應器的主要操作條件操作名稱平均值處理量322.3系統(tǒng)壓力15.7反應溫度320氫油體積比1：2500安全閥啟動壓力165.2氫氣泄漏泄漏點在反應器中間部位，介質通過反應器中間部位冷氫法蘭連接件處的小孔泄漏，通過以上事故描述，屬于工藝單元中氣體經(jīng)小孔泄漏的源模式。泄漏點的壓力15.7MPa、溫度320℃，設備內(nèi)的介質主要是煤焦油與氫氣，泄漏后迅速減壓汽化，并向外擴散，加氫反應器的操作條件見表5.1，系統(tǒng)中氫氣性質見表5.2，。泄漏出來經(jīng)過一小段短管，該短管為DN1568，即內(nèi)徑為140mm。5.2.1噴射火假設氫氣泄漏，泄漏口孔徑為1mm、10mm、50mm和70mm，泄漏口面積分別為、、和。將各參數(shù)輸入軟件中，計算結果列入表5.2。表5.2反應器中氫氣的性質介質氫氣外觀與性狀無色無臭氣體熔點(℃)-259.2沸點(℃)-252.8密度8.97燃燒熱/241爆炸極限4.0%~74.0%臨界壓力1.30溶解性不溶于水，不溶于乙醇、乙醚主要用途用于合成氨和甲醇等，石油精制，有機物氫化及作火箭燃料表5.3噴射火計算結果名稱計算結果計算結果計算結果計算結果泄漏口半徑/1mm10mm50mm70mm泄漏口面積/流動類型音速流動音速流動音速流動音速流動質量流速/0.00430.4310.781521.1318火焰長度/1.29329.99241.791692.817/131318/141621/152230/18375125m處熱輻射強度/0.00350.35048.760153.0503圖5.2噴射火熱輻射強度變化圖5.2.2泄漏擴散查得東北地區(qū)夏季風速為3.2，為了便于計算，將氫氣的濃度劃分為3個等級，分別為氫氣的爆炸下限（0.0036）、爆炸上限（0.02682）和氫氣在空氣中的當量爆炸濃度（0.0666），相對應的體積分數(shù)分別為4%、29.8%和74%。所以分別取氫氣擴散后的濃度為0.0036、0.02682、0.0666時，假設泄漏口半徑為70mm，泄漏時間為5min、、15min、20min、25min，通過軟件畫出其擴散后的范圍傷害圖。圖5.35min擴散圖圖5.410min擴散圖圖5.515min擴散圖圖5.620min擴散圖圖5.720min擴散圖5.2.3火球假設加氫反應器內(nèi)氫氣全部泄漏，代入各參數(shù)得計算結果列入表5.4，得目標在不同距離接收火球熱輻射強度的變化圖，如圖5.8所示。。表5.4火球計算結果名稱計算結果氫氣泄漏量/170.43火球半徑/16.0785火球持續(xù)時間/2.4949死亡熱通量/118939.4621重傷熱通量/78774.9207輕傷熱通量/34639.2001死亡半徑/0重傷半徑/17輕傷半徑/35圖5.8火球熱輻射強度變化圖5.2.4蒸氣云爆炸假設加氫反應器內(nèi)氫氣全部泄漏，代入各參數(shù)得計算結果列入表5.5，得到蒸氣云爆炸能量變化圖如圖5.9所示。表5.5氫氣泄漏蒸氣云爆炸計算結果名稱計算結果蒸氣總質量/161.46TNT當量/122.6214爆炸總能量/583677.9死亡半徑/6重傷半徑/20輕傷半徑/35圖5.9熱輻射強度變化圖5.3油品泄漏5.3.1噴射火假設煤焦油發(fā)生小孔泄漏，已知泄漏口面積為0.003，反應器內(nèi)壓力15.7Mpa，環(huán)境壓力，表5.6列出了該加氫反應器中的煤焦油理化性質，將各參數(shù)代入軟件中得到計算結果列入表5.7，得到熱輻射強度變化圖如圖5.10所示。表5.6反應器中煤焦油的性質介質煤焦油外觀與性狀黑色粘稠液體，具有特殊臭味，有刺激性熔點(℃)80.6閃點(℃)200（開口）密度/6.72燃燒熱/恒壓比熱汽化熱溶解性微溶于水，溶于苯、乙醇、乙醚、氯仿、丙酮等多數(shù)有機溶劑主要用途可分餾得出各種芳香烴、烷烴、酚烴等，也可制取油氈、燃料和炭黑表5.7煤焦油泄漏噴射火計算結果名稱計算結果質量流速/43.44火焰長度/77.45/25/30/42/7225m處熱輻射強度/35.2934圖5.10熱輻射強度變化圖5.3.2火球已知處理量為，假設泄漏時間為5min、、15min、20min、25min。輸入后計算結果列入表5.8，并得到10min泄漏時間下的熱輻射強度圖，如圖4.11所示。表5.8沸騰液體擴展蒸氣云爆炸計算結果名稱5min10min15min20min25min泄漏量/26857.2653727.4180575107433.23134291.77火球半徑/74.81793.858107.158117.728126.640火球持續(xù)時間/30.572538.353243.78848.10751.749死亡熱通量/18160.323415320.410813870.92212926.00212237.640重傷熱通量/12027.782910146.87759186.8658561.03398105.1087輕傷熱通量/5288.90134461.82264039.68233764.48953564.0084死亡半徑/221301361410452重傷半徑/276375448509561輕傷半徑/421569679769847圖5.11泄漏10min熱輻射強度變化圖5.3.3蒸氣云爆炸已知煤焦油恒壓比熱為2100，煤焦油沸點為350℃，反應器內(nèi)溫度為250℃，故溫差為30℃，TNT當量系數(shù)取0.05，將這些參數(shù)都代入軟件。假設泄漏時間為5min、10min、15min、20min、25min，分別計算結果列入下表5.9，并得到泄漏10min的TNT能量變化圖，如圖5.12所示。表5.9蒸氣云爆炸計算結果名稱5min10min15min20min25min蒸氣總質量/11965.076123935.943935897.010547862.532159828.9448TNT當量/4901.65939805.691314705.708119607.549924509.7568爆炸總能量/23331898.471846675090.635369999170.397493331937.6147116666442.323死亡半徑/2432374144重傷半徑/678496106114輕傷半徑/120151173190205圖5.12泄漏10minTNT能量變化圖5.4事故概率由表2.1可知加氫反應器連接件處管道泄露的概率，根據(jù)式(3.1)計算得氫氣泄漏時立即點火概率為：；根據(jù)式(2.2)計算得氫氣泄漏時延遲點火概率為：；根據(jù)式(2.4)計算得氫氣泄漏時立即點火概率為；可知氫氣泄漏時發(fā)生噴射火或沸騰液體擴展蒸氣云爆炸的概率為：；發(fā)生蒸氣云爆炸的概率為。同理得煤焦油泄漏時發(fā)生噴射火或沸騰液體擴展蒸氣云爆炸的概率為；發(fā)生蒸氣云爆炸的概率為：。6總結本文通過了解油品加氫技術路線，分析了加氫反應器存在的風險以及可能發(fā)生的事故后果，計算出了發(fā)生噴射火、沸騰液體擴展蒸氣爆炸和蒸氣云爆炸的事故概率。然后通過參考相關文獻，建立了煤焦油加氫反應器冷氫法蘭的泄漏模型、小孔泄漏源模型、沸騰液體擴展蒸氣爆炸模型以及蒸氣云爆炸模型，并將這些模型輸入MATLAB軟件編制定量風險評價程序，最后選取實際案例計算出噴射火、沸騰液體擴展蒸氣爆炸和蒸氣云爆炸情況下的人員傷亡及財產(chǎn)損失半徑。從軟件計算結果來看，理論計算結果與實際要求基本相符合，氫氣泄漏質量流速，煤焦油泄漏質量流速，小于裝置的最大處理量，火災和爆炸的事故后果危險程度較大，符合重大危險源裝置特點，計算出的傷害半徑均在可接受范圍內(nèi)。因此認為對該加氫反應器的事故后果定量風險評價基本合理，能夠反映煤焦油加氫反應器的事故后果情況，可以為石油化工企業(yè)采取預防措施、制定應急預案提供依據(jù)，從而減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。本次畢設仍有許多不足之處，我認為主要