泄漏事故后果模擬分析方法

泄漏事故后果模擬分析方法第一頁，共二十六頁，2022年，8月28日

由于設(shè)備損壞或操作失誤引起泄漏，大量易燃、易爆、有毒有害物質(zhì)的釋放，將會導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、中毒等重大事故發(fā)生。因此，事故后果分析由泄漏分析開始。第二頁，共二十六頁，2022年，8月28日2.1泄漏情況分析

1)泄漏的主要設(shè)備根據(jù)各種設(shè)備泄漏情況分析，可將工廠(特別是化工廠)中易發(fā)生泄漏的設(shè)備歸納為以下10類：管道、撓性連接器、過濾器、閥門、壓力容器或反應(yīng)器、泵、壓縮機、儲罐、加壓或冷凍氣體容器及火炬燃燒裝置或放散管等。

各設(shè)備泄漏情況裂口尺寸見資料。

第三頁，共二十六頁，2022年，8月28日2)造成泄漏的原因

從人——機系統(tǒng)來考慮造成各種泄漏事故的原因主要有4類。

(1)設(shè)計失誤。

(2)設(shè)備原因。

(3)管理原因。

(4)人為失誤。具體詳見資料。第四頁，共二十六頁，2022年，8月28日2.2泄漏量的計算

當(dāng)發(fā)生泄漏的設(shè)備的裂口是規(guī)則的，而且裂口尺寸及泄漏物質(zhì)的有關(guān)熱力學(xué)、物理化學(xué)性質(zhì)及參數(shù)已知時，可根據(jù)流體力學(xué)中的有關(guān)方程式計算泄漏量。當(dāng)裂口不規(guī)則時，可采取等效尺寸代替；當(dāng)遇到泄漏過程中壓力變化等情況時，往往采用經(jīng)驗公式計算。(經(jīng)驗公式？)第五頁，共二十六頁，2022年，8月28日3)泄漏后果

泄漏一旦出現(xiàn)，其后果不單與物質(zhì)的數(shù)量、易燃性、毒性有關(guān)，而且與泄漏物質(zhì)的相態(tài)、壓力、溫度等狀態(tài)有關(guān)。這些狀態(tài)可有多種不同的結(jié)合，在后果分析中，常見的可能結(jié)合有4種：

(1)常壓液體；

(2)加壓液化氣體；

(3)低溫液化氣體；

(4)加壓氣體。第六頁，共二十六頁，2022年，8月28日

泄漏物質(zhì)的物性不同，其泄漏后果也不同。

(1)可燃氣體泄漏?？扇細怏w泄漏后與空氣混合達到燃燒極限時，遇到引火源就會發(fā)生燃燒或爆炸。泄漏后起火的時間不同，泄漏后果也不相同。①立即起火?？扇細怏w從容器中往外泄出時即被點燃，發(fā)生擴散燃燒，產(chǎn)生噴射性火焰或形成火球，它能迅速地危及泄漏現(xiàn)場，但很少會影響到廠區(qū)的外部。②滯后起火?？扇細怏w泄出后與空氣混合形成可燃蒸氣云團，并隨風(fēng)飄移，遇火源發(fā)生爆炸或爆轟，能引起較大范圍的破壞。

(2)有毒氣體泄漏。有毒氣體泄漏后形成云團在空氣中擴散，有毒氣體的濃密云團將籠罩很大的空間，影響范圍大。

(3)液體泄漏。一般情況下，泄漏的液體在空氣中蒸發(fā)而生成氣體，泄漏后果與液體的性質(zhì)和貯存條件(溫度、壓力)有關(guān)。①常溫常壓下液體泄漏。這種液體泄漏后聚集在防液堤內(nèi)或地勢低洼處形成液池，液體由于池表面風(fēng)的對流而緩慢蒸發(fā)，若遇引火源就會發(fā)生池火災(zāi)。②加壓液化氣體泄漏。一些液體泄漏時將瞬時蒸發(fā)，剩下的液體將形成一個液池，吸收周圍的熱量繼續(xù)蒸發(fā)。液體瞬時蒸發(fā)的比例決定于物質(zhì)的性質(zhì)及環(huán)境溫度。有些泄漏物可能在泄漏過程中全部蒸發(fā)。③低溫液體泄漏。這種液體泄漏時將形成液池，吸收周圍熱量蒸發(fā)，蒸發(fā)量低于加壓液化氣體的泄漏量，高于常溫常壓下液體的泄漏量。無論是氣體泄漏還是液體泄漏，泄漏量的多少都是決定泄漏后果嚴(yán)重程度的主要因素，而泄漏量又與泄漏時間長短有關(guān)。第七頁，共二十六頁，2022年，8月28日1)液體泄漏量

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：

(1)式中Q0——液體泄漏速度，kg/s；

Cd——液體泄漏系數(shù)，按表1選??；

A——裂口面積，m2；

ρ——泄漏液體密度，kg/m3；

p——容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；

p0——環(huán)境壓力，Pa；

g——重力加速度，9.8m/s2；

h——裂口之上液位高度，m。繼續(xù)第八頁，共二十六頁，2022年，8月28日雷諾數(shù)介紹

測量管內(nèi)流體流量時往往必須了解其流動狀態(tài)、流速分布等。雷諾數(shù)就是表征流體流動特性的一個重要參數(shù)。流體流動時的慣性力Fg和粘性力(內(nèi)摩擦力)Fm之比稱為雷諾數(shù)。用符號Re表示。Re是一個無因次量。式中，式中的動力粘度η用運動粘度υ來代替，因η＝ρυ，則式中：

Υ——流體的平均速度；

l——流束的定型尺寸；

υ、η——在工作狀態(tài)；流體的運動粘度和動力粘度

ρ——被測流體密度；

由上式可知，雷諾數(shù)Re的大小取決于三個參數(shù)，即流體的速度、流束的定型尺寸以及工作狀態(tài)下的粘度（流體工作狀態(tài)下的粘度怎么求得，儀器測量？）。第九頁，共二十六頁，2022年，8月28日

用圓管傳輸流體，計算雷諾數(shù)時，定型尺寸一般取管道直徑(D)，則

用方形管傳輸流體，管道定型尺寸取當(dāng)量直徑(Dd)。當(dāng)量直徑等于水力半徑的四倍。對于任意截面形狀的管道，其水力半徑等于管道戳面積與周長之比．所以長和寬分別為A和B的矩形管道，其當(dāng)量直徑

對于任意截面形狀管道的當(dāng)量直徑，都可按截面積的四倍和截面周長之比計算，因此，雷諾數(shù)的計算公式為返回第十頁，共二十六頁，2022年，8月28日

對于常壓下的液體泄漏速度，取決于裂口之上液位的高低；對于非常壓下的液體泄漏速度，主要取決于窗口內(nèi)介質(zhì)壓力與環(huán)境壓力之差和液位高低。當(dāng)容器內(nèi)液體是過熱液體，即液體的沸點低于周圍環(huán)境溫度，液體流過裂口時由于壓力減小而突然蒸發(fā)。蒸發(fā)所需熱量取自于液體本身，而容器內(nèi)剩下的液體溫度將降至常壓沸點。在這種情況下，泄漏時直接蒸發(fā)的液體所占百分比F可按下式計算：

(2)

式中cp——液體的定壓熱容，J/(kg·K)；

T——泄漏前液體的溫度，K；

T0——液體在常壓下的沸點，K；

H——液體的氣化熱，J/kg。按式(2)計算的結(jié)果，幾乎總是在0～1之間。事實上，泄漏時直接蒸發(fā)的液體將以細小煙霧的形式形成云團，與空氣相混合而吸收熱蒸發(fā)。如果空氣傳給液體煙霧的熱量不足以使其蒸發(fā)，由一些液體煙霧將凝結(jié)成液滴降落到地面，形成液池。根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)F＞0．2時，一般不會形成液池；當(dāng)F＜0．2時，F(xiàn)與帶走液體之比有線性關(guān)系，即當(dāng)F=0時，沒有液體帶走(蒸發(fā))；當(dāng)F=0．1時，有50％的液體被帶走。第十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日2)氣體泄漏量

氣體從裂口泄漏的速度與其流動狀態(tài)有關(guān)。因此，計算泄漏量時首先要判斷泄漏時氣體流動屬于音速還是亞音速流動，前者稱為臨界流，后者稱為次臨界流。當(dāng)式(3)成立時，氣體流動屬音速流動：

(3)

當(dāng)式(4)成立時，氣體流動屬亞音速流動：

(4)式中p——容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；

p0——環(huán)境壓力，Pa；

k——氣體的絕熱指數(shù)，即定壓熱容cp與定容熱容cv之比。第十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日氣體呈音速流動時，其泄漏量為：

(5)

氣體呈亞音速流動時，其泄漏量為：

(6)上兩式中，Cd——氣體泄漏系數(shù)，當(dāng)裂口形狀為圓形時取1.00，三角形時取0.95，長方形時取0.90；

A——裂口面積，m2p——容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；

Y——氣體膨脹因子，它由下式計算：

(7)

M——分子量；

ρ——氣體密度，kg/m3；

R——氣體常數(shù)，J／(mol·K)；(通用氣體常數(shù)R＝8314.3J／(mol·K)

)

T——氣體溫度，K。當(dāng)容器內(nèi)物質(zhì)隨泄漏而減少或壓力降低而影響泄漏速度時，泄漏速度的計算比較復(fù)雜。如果流速小或時間短，在后果計算中可采用最初排放速度，否則應(yīng)計算其等效泄漏速度。

第十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日3)兩相流泄漏量

在過熱液體發(fā)生泄漏時，有時會出現(xiàn)氣、液兩相流動。均勻兩相流的泄漏速度可按下式計算：

(8)式中Q0——兩相流泄漏速度，kg/s；

Cd——兩相流泄漏系數(shù)，可取0．8；

A——裂口面積，m2；

P——兩相混合物的壓力，Pa；

Pc——臨界壓力，Pa，可取pc=0.55Pa；

ρ——兩相混合物的平均密度，kg/m3，它由下式計算：

(9)

ρ1——液體蒸發(fā)的蒸氣密度，kg/m3；

ρ2——液體密度，kg/m3；

Fv——蒸發(fā)的液體占液體總量的比例，它由下式計算：

(10)

cp——兩相混合物的定壓比熱，J/(kg·K)；

T——兩相混合物的溫度，K；

Tc——臨界溫度，K；

H——液體的氣化熱，J/kg。當(dāng)Fv>1時，表明液體將全部蒸發(fā)成氣體，這時應(yīng)按氣體泄漏公式計算；如果Fv很小，則可近似按液體泄漏公式計算。

第十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日2.3泄漏后的擴散

如前所述，泄漏物質(zhì)的特性多種多樣，而且還受原有條件的強烈影響，但大多數(shù)物質(zhì)從容器中泄漏出來后，都可發(fā)展成彌散的氣團向周圍空間擴散。對可燃氣體若遇到引火源會著火。這里僅討論氣團原形釋放的開始形式，即液體泄漏后擴散、噴射擴散和絕熱擴散。關(guān)于氣團在大氣中的擴散屬環(huán)境保護范疇，在此不予考慮。

1)液體的擴散液體泄漏后立即擴散到地面，一直流到低洼處或人工邊界，如防火堤、岸墻等，形成液池。液體泄漏出來不斷蒸發(fā)，當(dāng)液體蒸發(fā)速度等于泄漏速度時，液池中的液體量將維持不變。如果泄漏的液體是低揮發(fā)度的，則從液池中蒸發(fā)量較少，不易形成氣團，對廠外人員沒有危險；如果著火則形成池火災(zāi)；如果滲透進土壤，有可能對環(huán)境造成影響，如果泄漏的是揮發(fā)性液體或低溫液體，泄漏后液體蒸發(fā)量大，大量蒸發(fā)在液池上面后會形成蒸氣云，并擴散到廠外，對廠外人員有影響。第十五頁，共二十六頁，2022年，8月28日(1)液池面積

如果泄漏的液體已達到人工邊界，則液池面積即為人工邊界圍成的面積。如果泄漏的液體未達到人工邊界，則從假設(shè)液體的泄漏點為中心呈扁圓柱形在光滑平面上擴散，這時液池半徑r用下式計算：瞬時泄漏(泄漏時間不超過30s)時，

(11)

連續(xù)泄漏(泄漏持續(xù)10min以上)時，

(12)式中r——液池半徑，m；

m——泄漏的液體質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，9．8m／s2；

p——設(shè)備中液體壓力，Pa；

t——泄漏時間，s。

第十六頁，共二十六頁，2022年，8月28日(2)蒸發(fā)量

液池內(nèi)液體蒸發(fā)按其機理可分為閃蒸、熱量蒸發(fā)和質(zhì)量蒸發(fā)3種，下面分別介紹。①閃蒸：過熱液體泄漏后，由于液體的自身熱量而直接蒸發(fā)稱為閃蒸。發(fā)生閃蒸時液體蒸發(fā)速度Q1可由下式計算：

(13)式中Fv——直接蒸發(fā)的液體與液體總量的比例；

m——泄漏的液體總量，kg；

t——閃蒸時間，s。②熱量蒸發(fā)：當(dāng)Fv＜1或Qt＜m時，則液體閃蒸不完全，有一部分液體在地面形成液池，并吸收地面熱量而氣化，稱為熱量蒸發(fā)。熱量蒸發(fā)速度Q1按下式計算：

(14)式中A1——液池面積，m2；

T0——環(huán)境溫度，K；

Tb——液體沸點，K；

H——液體蒸發(fā)熱，J／kg；

L——液池長度，m；

α——熱擴散系數(shù)，m2／s，見表2；

K——導(dǎo)熱系數(shù)，J／(m·K)，見表2；

t——蒸發(fā)時間，s；

Nu——努舍爾特(Nusselt)數(shù)（努塞爾數(shù)）。（是傳熱膜系數(shù)α與特征長度L的乘積除以流體熱導(dǎo)率λ所得的數(shù)群。具體取值多少？）第十七頁，共二十六頁，2022年，8月28日

第十八頁，共二十六頁，2022年，8月28日③質(zhì)量蒸發(fā)：當(dāng)?shù)孛鎮(zhèn)鳠嵬Ｖ箷r，熱量蒸發(fā)終止，轉(zhuǎn)而由液池表面之上氣流運動使液體蒸發(fā)，稱為質(zhì)量蒸發(fā)。其蒸發(fā)速度Q1為：

(15)式中α——分子擴散系數(shù)，m2/s；（取值多少？）

Sh——舍伍德(Sherwood)數(shù)（是反映包含有待定傳質(zhì)系數(shù)的無因次數(shù)群，類似于傳熱中的努塞特數(shù)，以符號Sh或Nsh表示。它是由三個物理量組成，即Sh=k′L/DAB。式中：k′為傳質(zhì)系數(shù)，m/s；L為特性尺寸，m；DAB為溶質(zhì)A在溶劑中B中的特性系數(shù)，m2/s。）；

A——液池面積，m2；

L——液池長度，m；

ρ1——液體的密度，kg/m3。第十九頁，共二十六頁，2022年，8月28日2)噴射擴散氣體泄漏時從裂口噴出，形成氣體噴射。大多數(shù)情況下氣體直接噴出后，其壓力高于周圍環(huán)境大氣壓力，溫度低于環(huán)境溫度。在進行氣體噴射計算時，應(yīng)以等價噴射孔口直徑計算。等價噴射的孔口直徑按下式計算：

(16)式中D——等價噴射孔徑，m；

D0——裂口孔徑，m；

ρ0——泄漏氣體的密度，kg/m3；

ρ——周圍環(huán)境條件下氣體的密度，kg/m3。如果氣體泄漏能瞬間達到周圍環(huán)境的溫度、壓力狀況，即ρ0=ρ，則D=D0。

(1)噴射的濃度分布。在噴射軸線上距孔口x處的氣體的質(zhì)量濃度C(x)為：

(17)

式中b1，b2——分布函數(shù)，b1=50.5+48.2ρ—9.95ρ2，b2=23+41ρ。其余符號意義同前。

第二十頁，共二十六頁，2022年，8月28日如果把式(17)改寫成x是C(x)的函數(shù)形式，則給定某質(zhì)量濃度值C(x)，就可算出具有濃度的點至孔口的距離x。在過噴射軸線上點x且垂直于噴射軸線的平面內(nèi)任一點處的氣體質(zhì)量濃度為：

(18)式中C(x，y)——距裂口距離x且垂直于噴射軸線的平面內(nèi)y點的氣體濃度，kg/m3；

C(x)——噴射軸線上距裂口x處的氣體的質(zhì)量濃度，kg/m3；

b2——分布參數(shù)，同前；

y——目標(biāo)點到噴射軸線的距離，m。第二十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日(2)噴射軸線上的速度分布。噴射速度隨著軸線距離增大而減少，直到軸線上的某一點噴射速度等于風(fēng)速為止，該點稱為臨界點。臨界點以后的氣體運動不再符合噴射規(guī)律。沿噴射軸線上的速度分布由下式得出：

(19)式中ρ0——泄漏氣體的密度，kg/m3；

ρ——周圍環(huán)境條件下氣體的密度，kg/m3；

D——等價噴射孔徑，m；

b1——分布參數(shù)，同前；

x——噴射軸線上距裂口某點的距離，m；

V（x）——噴射軸線上距裂口x處一點的速度，m/s；

V0——噴射初速，等于氣體泄漏時流出裂口時的速度，m/s，按下式計算

(20)

Q0——氣體泄漏速度，kg／s；

Cd——氣體泄漏系數(shù)；

D0——裂口直徑，m。當(dāng)臨界點處的濃度小于允許濃度(如可燃氣體的燃燒下限或有害氣體最高允許濃度)時，只需按噴射來分析；若該點濃度大于允許濃度時，則需要進一步分析泄漏氣體在大氣中擴散的情況。

第二十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日3)絕熱擴散

閃蒸液體或加壓氣體瞬時泄漏后，有一段快速擴散時間，假定此過程相當(dāng)快以致在混合氣團和周圍環(huán)境之間來不及熱交換，則稱此擴散為絕熱擴散。根據(jù)TNO(1979年)提出的絕熱擴散模式，泄漏氣體(或液體閃蒸形成的蒸氣)的氣團呈半球形向外擴散。根據(jù)濃度分布情況，把半球分成內(nèi)外兩層，內(nèi)層濃度均勻分布，且具有50％的泄漏量；外層濃度呈高斯分布，具有另外50％的泄漏量。絕熱擴散過程分為兩個階段，第一階段氣團向外擴散至大氣壓力，在擴散過程中，氣團獲得動能，稱為“擴散能”；第二階段，擴散能再將氣團向外推，使紊流混合空氣進入氣團，從而使氣團范圍擴大。當(dāng)內(nèi)層擴散速度降到一定值時，可以認(rèn)為擴散過程結(jié)束。

(1)氣團擴散能。在氣團擴散的第一階段，擴散的氣體(或蒸氣)的內(nèi)能一部分用來增加動能，對周圍大氣做功。假設(shè)該階段的過程為可逆絕熱過程，并且是等熵的。

①氣體泄漏擴散能。根據(jù)內(nèi)能變化得出擴散能計算公式如下：

E=CV(T1—T2)—0.98P0(V2—V1)

(21)式中E——氣體擴散能，J；

CV——定容比熱，J/(kg·K)；

T1——氣團初始溫度，K；

T2——氣團壓力降至大氣壓力時的溫度，K；

P0——環(huán)境壓力，Pa；

V1——氣團初始體積，m3；

V2——氣團壓力降至大氣壓力時的體積，m3。第二十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日②閃蒸液泄漏擴散能。蒸發(fā)的蒸氣團擴散能可以按下式計算：E=[H1—H2—Tb(S1一S2)]W—0.98(P1—P0)V1

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