火災(zāi)事故后果分析技術(shù)

火災(zāi)事故后果分析技術(shù)第1頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一概述——?dú)v史上著名的火災(zāi)第2頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一火災(zāi)事故后果分析研究目的

火災(zāi)事故是工業(yè)重大危險(xiǎn)事故里的主要類型，對(duì)人的生命、財(cái)產(chǎn)和環(huán)境有巨大的危害?；馂?zāi)事故后果分析作為安全評(píng)價(jià)的一種類型，對(duì)事故后果進(jìn)行分析及預(yù)測(cè)，為預(yù)測(cè)火災(zāi)、爆炸和中毒事故造成的后果提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)，大大縮短了災(zāi)害后果評(píng)估時(shí)間，提高災(zāi)害后果評(píng)估精度，對(duì)預(yù)防、減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失有積極影響，因此對(duì)火災(zāi)事故進(jìn)行事故后果分析是十分有必要的。第3頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一火災(zāi)的分類

火災(zāi)時(shí)或失去控制蔓延的一種災(zāi)害性燃燒現(xiàn)象，是各種災(zāi)害中發(fā)生最頻繁且最具毀滅性的一種?；馂?zāi)的種類很多，通常包括森林、建筑、油類以及可燃?xì)怏w和粉塵爆炸所引起的火災(zāi)。這里主要針對(duì)易燃易爆的氣體或液體泄漏后遇到引火源被點(diǎn)燃而著火燃燒而引起火災(zāi)和固體類物質(zhì)起火成災(zāi)進(jìn)行火災(zāi)事故后果分析。由此，我們將火災(zāi)分為池火災(zāi)、噴射火、火球、突發(fā)火和固體火災(zāi)五類。第4頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第5頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一章池火災(zāi)

由于油罐破裂或運(yùn)輸意外,造成泄漏事故,當(dāng)遇到點(diǎn)火源,極可能發(fā)生池火災(zāi)。災(zāi)害一旦發(fā)生,人員暴露在火災(zāi)的熱輻射下,將會(huì)受到嚴(yán)重的傷害。池火災(zāi)通過熱輻射方式影響周圍環(huán)境，當(dāng)熱輻射強(qiáng)度足夠大時(shí)，可使周圍物體燃燒或變形，強(qiáng)烈的熱輻射可能燒毀設(shè)備，并造成人員傷亡。第6頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

池火災(zāi)實(shí)例

1999年，山西省某化工廠5000m3直徑為28.5米的汽油儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)，頂部塌陷后發(fā)展為池火災(zāi)，池液半徑為12.25m。頓時(shí)周圍一定范圍內(nèi)籠罩在強(qiáng)烈的熱輻射中。此事故造成16人死亡，百余人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失5千萬元，是一個(gè)典型的池火災(zāi)事故。第7頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一池火災(zāi)事故后果分析方法

目前，對(duì)池火災(zāi)事故后果分析的方法大體有兩類：一類是經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法這種計(jì)算方法方便實(shí)用，簡(jiǎn)單易行，可以規(guī)律性地獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，便于掌握和預(yù)測(cè)油罐燃燒情況的總體情況。一類是FDS軟件模擬法

FDS(FireDynamicsSimulator)是美國(guó)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）建筑火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的基于場(chǎng)模擬的火災(zāi)模擬軟件，該軟件采用先進(jìn)的大渦模擬技術(shù)，得到眾多實(shí)例驗(yàn)證，在火災(zāi)安全工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。第8頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法步驟第9頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.1.1燃燒速度的計(jì)算

由于燃燒速度極不穩(wěn)定且不斷變化，因此取燃燒中期平均燃燒速度為準(zhǔn)。不同直徑油罐液體表面上單位面積的燃燒速度為：式中：Vb———直線燃燒速度，mm/s；

D———油罐直徑，m。第10頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

直線燃燒速度與質(zhì)量燃燒速度的轉(zhuǎn)換利用公式：式中：V———質(zhì)量燃燒速度，kg/(m2·s)；

ρ———液體體積質(zhì)量，kg/m3。計(jì)算結(jié)果為：?jiǎn)挝幻娣e燃燒速度為0.0254kg/(m2·s)

第11頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.1.2火焰高度計(jì)算當(dāng)液池為一個(gè)半徑r的圓形池時(shí)，火焰高度按下述公式計(jì)算：式中：h—火焰高度，m；

r—液池半徑，m，半徑為12.25m；

ρ0—周圍空氣的體積質(zhì)量，取值1.16kg/m3；

g—重力加速度，取值9.8m/s2。計(jì)算結(jié)果為：火焰高度可達(dá)22.41m（在大型火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中，火焰形狀并不清晰，因?yàn)樵诨鹧嬷車嬖诖罅康臒?，所以上述火焰高度?jì)算僅是理想情況下的估算值）。第12頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.1.3液池燃燒時(shí)的總輻射量

液池燃燒時(shí)的總輻射量按下述公式計(jì)算：式中：Q—總輻射量，W；

η—效率因子，介于0.13至0.35之間;(根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于大型油盤火災(zāi)，由于煙的屏蔽作用，使得輻射分?jǐn)?shù)隨著油盤直徑的增加而下降，該計(jì)算中取平均值0.24);Hc—最大發(fā)熱量，J/mol，取43728.8J/mol。計(jì)算結(jié)果為：由該式計(jì)算得總熱輻射量Q=61.9×103kW。第13頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.1.4目標(biāo)入射熱輻射強(qiáng)度的計(jì)算

假設(shè)全部輻射熱量都由液池中心釋放出來，在距離液池中心點(diǎn)X（m）的某一點(diǎn)的入射熱輻射強(qiáng)度(目標(biāo)入射熱輻射強(qiáng)度)為：式中：I—入射熱輻射強(qiáng)度，W/m3；

tc—熱傳導(dǎo)系數(shù)，在無相對(duì)理想數(shù)據(jù)時(shí)，可取值1；

X—目標(biāo)點(diǎn)到火源（罐壁）的距離，m。第14頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

上述目標(biāo)入射熱輻射強(qiáng)度公式，反映了熱輻射能量與受害目標(biāo)到火源距離之間的關(guān)系。當(dāng)入射熱輻射通量是一個(gè)定值時(shí)，可以計(jì)算出受害目標(biāo)與火源之間的傷害距離，參照輻射危害程度（表1），計(jì)算得到：當(dāng)I1=37.5kW/m2時(shí),X1=11.4m；I2=25.0kW/m2時(shí),X2=14.1m；I3=12.5kW/m2時(shí),X3=19.9m；I4=4.0kW/m2時(shí),X4=35.1m；I5=1.6kW/m2時(shí),X5=55.5m。1.1.5對(duì)比熱輻射危害程度表第15頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熱輻射計(jì)算所得熱輻射曲線

第16頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

FDS采用NIST的FDS火災(zāi)模擬器通過大渦模擬來進(jìn)行地面油罐火災(zāi)發(fā)展過程的可視化仿真。選取油罐為中心的100m3空間進(jìn)行模擬，持續(xù)燃燒20s，取以油罐中心橫截面來觀察熱輻射以及數(shù)據(jù)導(dǎo)出，經(jīng)Smokeview截圖可看出火焰不停變動(dòng)但總體趨勢(shì)穩(wěn)定，故取中心截面火焰1/2高度處5~15s的平均值為導(dǎo)出數(shù)據(jù)（選取相同距離熱輻射最大值），Smokeview模擬視圖見圖1~3：圖1、2是FDS模擬油罐燃燒熱輻射的三維圖，圖2是包含煙氣情況下的輻射圖。圖3為熱輻射截面圖。1.2FDS模擬熱輻射計(jì)算第17頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖1模擬油罐燃燒熱輻射的三維圖第18頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖2包含煙氣情況下的模擬油罐燃燒熱輻射的三維圖第19頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖3熱輻射截面圖模擬第20頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熱輻射計(jì)算所得熱輻射曲線第21頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法與FDS軟件模擬計(jì)算法之比較

兩組數(shù)據(jù)對(duì)比可看出，計(jì)算數(shù)據(jù)更具有規(guī)律性，模擬數(shù)據(jù)具有多變性和不對(duì)稱性，但二者對(duì)于最大熱輻射強(qiáng)度的數(shù)值點(diǎn)的走向上是趨于一致的；通過對(duì)幾個(gè)重要數(shù)值點(diǎn)據(jù)在大部分時(shí)線完全擬合。結(jié)論：a)傳統(tǒng)計(jì)算方法方便實(shí)用，可以規(guī)律性地獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，便于掌握和預(yù)測(cè)油罐燃燒情況的總體情況。b)FDS模擬對(duì)于火焰的動(dòng)態(tài)變化情況更具實(shí)際意義，同時(shí)在數(shù)值上對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式起到補(bǔ)充和完善作用。c)通過兩種方法的結(jié)合，可以更全面準(zhǔn)確地掌握油罐燃燒的熱輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)油罐火災(zāi)的燃燒特性，對(duì)實(shí)戰(zhàn)具有重要的指導(dǎo)意義。第22頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表1輻射危害程度一覽第23頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一案例分析

本例中危險(xiǎn)單元為輸油管道，且無防護(hù)堤。假定泄漏的液體無蒸發(fā)、已充分蔓延且地面無滲透。泄漏量為1000kg，環(huán)境溫度為30℃。原油的性質(zhì)為：比重0.85~0.89；相對(duì)密度0.780~0.970（液）；閃點(diǎn)是6.67~32.22℃；自燃點(diǎn)350℃；爆炸極限1.1~6.4%（V）；沸點(diǎn)300~325℃；火焰溫度1100℃；熱值41870kJ/kg。第24頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二章噴射火

噴射火事故后果分析中存在大量的不確定性,分析困難較大。本文是運(yùn)用噴射火焰對(duì)目標(biāo)的入射熱輻射強(qiáng)度計(jì)算模型,確定噴射火事故災(zāi)害損失面積,再根據(jù)城市街區(qū)平均人口密度和平均財(cái)產(chǎn)密度確定事故中人員傷亡數(shù)量和財(cái)產(chǎn)損失數(shù)量。在目前技術(shù)和管理水平下這種方法是一種較好的方法,并能為其他相關(guān)事故后果分析提供思路。第25頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一城市燃?xì)夤艿绹娚浠鹗鹿蕦?shí)例2003年，山東省濰坊市某輸送天然氣的中壓A級(jí)管道發(fā)生破裂，遇明火被點(diǎn)燃后發(fā)展為噴射火災(zāi)事故,造成了一定量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。經(jīng)測(cè)定，管道內(nèi)燃?xì)鈮毫?.4MPa,外界大氣壓為1.01×105Pa,溫度為常溫，裂口為圓形,且面積約為0.4cm2。第26頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一噴射火事故后果分析步驟第27頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1事故分析前假設(shè)

為了便于計(jì)算，首先我們把把整個(gè)噴射火看成是由沿噴射中心線上的所有點(diǎn)熱源組成，每個(gè)點(diǎn)熱源的熱輻射通量相等。（一般將噴射火焰看成由沿噴射中心線上的5個(gè)點(diǎn)熱源組成）第28頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2燃?xì)庑孤┧俣鹊挠?jì)算當(dāng)滿足時(shí)氣體流動(dòng)屬于聲速流動(dòng)，其泄漏速度為：當(dāng)滿足時(shí)，氣體呈亞聲速流動(dòng)，其泄漏速度為：第29頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一備注：以上兩式中p0為環(huán)境壓力,Pa;p為管道內(nèi)燃?xì)鈮毫?Pa;k為氣體絕熱指數(shù)（即定壓比熱CP與定容比熱CV之比;Q0為泄漏速度,kg/s;Cd為氣體泄漏系數(shù)（當(dāng)裂口形狀為圓形時(shí)取1.00,三角形時(shí)取0.95,長(zhǎng)方形時(shí)取0.90;M為氣體摩爾質(zhì)量,kg/Kmol;T為氣體溫度,K;A為裂口面積,m2;R為氣體常數(shù),J/mol·K。根據(jù)上述計(jì)算公式,則氣體流動(dòng)屬于聲速流動(dòng),在常溫下其泄漏速度為Q0=0.868Kg/s第30頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3熱輻射強(qiáng)度的計(jì)算

在將噴射火焰看成由沿噴射中心線上的5個(gè)點(diǎn)熱源組成的前提下。某點(diǎn)熱源i到距離該點(diǎn)x處某一目標(biāo)點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度為：式中：為點(diǎn)熱源i至目標(biāo)點(diǎn)z處的熱輻射強(qiáng)度，W/m2；為輻射率，一般取0.2；x為點(diǎn)熱源到目標(biāo)點(diǎn)的距離，m。第31頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一備注：由于將噴射火假設(shè)有5個(gè)點(diǎn)熱源，所以某點(diǎn)的入射熱輻射強(qiáng)度等于噴射火的全部點(diǎn)熱源對(duì)目標(biāo)的熱輻射強(qiáng)度的總和。同時(shí)又由于噴射火焰長(zhǎng)度、形狀受到噴射速度、噴射口形狀和大小、風(fēng)速等多種因素影響。噴射火焰對(duì)目標(biāo)的熱輻射強(qiáng)度計(jì)算存在大量的不確定性，為簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)噴射火沿噴射中心線的全部點(diǎn)火源集中在某一點(diǎn)處,如下圖所示。經(jīng)計(jì)算，熱輻射通量為48275.80J；所以單個(gè)熱源的熱輻射強(qiáng)度與距離的關(guān)系式為。第32頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一噴射火簡(jiǎn)化模型所以，距離假設(shè)點(diǎn)熱源x處的目標(biāo)的入射熱輻射強(qiáng)度即為：總輻射強(qiáng)度與距離的關(guān)系是為：。第33頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.4傷害面積的計(jì)算

火災(zāi)通過熱輻射的方式影響周圍環(huán)境,當(dāng)火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度足夠大時(shí),可使周圍的物體燃燒或變形,強(qiáng)烈的熱輻射可能燒毀設(shè)備甚至造成人員傷亡,表1中給出了不同熱輻射通量造成不同的損失。根據(jù)表1中不同損失入射通量的闕值,結(jié)合下述公式可以確定噴射火造成不同災(zāi)害的半徑和面積。第34頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表1輻射危害程度一覽第35頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一傷害半徑：傷害面積：式中：I為熱輻射強(qiáng)度，W/m2；q為點(diǎn)熱源熱輻射通量，W；為輻射率，一般取0.2。第36頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一O代表噴射火源；區(qū)域SR代表“操作設(shè)備全部損壞，人員1％死亡／l0s、100％死亡／1min”；區(qū)域So代表“在無火焰、長(zhǎng)時(shí)間輻射下，木材燃燒；人員重大損傷／l0s、100％死亡／1min”；區(qū)域SY代表“有火焰時(shí)，木材燃燒，塑料熔化；人員1度燒傷／10s、l％死亡／1min”。

噴射火火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域的劃分第37頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一噴射火事故后果分析結(jié)果為：以噴射火源為中心，以10.12米為半徑內(nèi)的SR=321.84m2的區(qū)域內(nèi)操作設(shè)備全部損壞，人員1％死亡／l0s、100％死亡／1min；在以噴射火源為中心，以10.12米到12.4米為半徑SO=160.92m2的環(huán)形范圍內(nèi)人員重大損傷／l0s、100％死亡／1min,在一噴射火源為中心，以12.4米到17.54米為半徑的SY=482.76m2的環(huán)形區(qū)域內(nèi)人員1度燒傷／10s、l％死亡／1min。第38頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5損失估算

城市燃?xì)廨斔筒煌陂L(zhǎng)輸燃?xì)廨斔?城市燃?xì)夤艿辣椴汲鞘忻總€(gè)街區(qū),其人口密度和財(cái)產(chǎn)密度很大,事故一旦發(fā)生,極有可能造成重特大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此對(duì)城市燃?xì)夤艿绹娚浠馂?zāi)害進(jìn)行損失估計(jì)具有重要的實(shí)際意義。由于城市人口流動(dòng)很大,交通狀況隨時(shí)間和街區(qū)的不同而不同,例如商業(yè)文化街、火車站、汽車站等區(qū)域人員密度很大;時(shí)間上,在上下班高峰期街道人員密度很大,而夜晚人員密度則很小。所以城市街區(qū)人員密度不易確定,但可以針對(duì)街區(qū)不同的實(shí)際情況通過成立調(diào)查小組進(jìn)行實(shí)地調(diào)查確定。調(diào)查街區(qū)人員密度可分三個(gè)時(shí)間段進(jìn)行:上下班時(shí)間(7∶00-9∶00、11∶00-13∶00、17∶00-19∶00)、白天其他時(shí)間(5∶00-7∶00、9∶00-11∶00、13∶00-17∶00、19∶00-21∶00)、夜晚時(shí)間(21∶00-5∶00)。最后可以將調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)處理,得到各個(gè)時(shí)間段街區(qū)的人員密度。而街區(qū)管道周邊的財(cái)產(chǎn)密度也可以調(diào)查得到,不同的是財(cái)產(chǎn)密度趨于穩(wěn)定,受不確定性因素影響較小。值得注意的是財(cái)產(chǎn)密度應(yīng)包括路邊停放和路上行駛的車輛。第39頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

假設(shè)某市某街區(qū)經(jīng)調(diào)查三個(gè)時(shí)間段的平均人員密度分別為:ρ1、ρ1′、ρ1″(人/m2),財(cái)產(chǎn)密度為ρ2(元/m2)。根據(jù)下列公式可以計(jì)算噴射火事故財(cái)產(chǎn)損失程度和人員傷亡數(shù)量,具體公式如下:第40頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一N11、N11′、N11″分別表示三個(gè)時(shí)間段“人員1%死亡/10s、100%死亡/1min”;N12、N12′、N12″分別表示三個(gè)時(shí)間段“人員重大損傷/10s、100%死亡/1min”;N13、N13′、N13″分別表示三個(gè)時(shí)間段“人員1度燒傷/10s、1%死亡/1min”。但在一般情況下人員可以及時(shí)遠(yuǎn)離噴射火焰,不會(huì)造成死亡。L1、L2分別表示全部財(cái)產(chǎn)、部分財(cái)產(chǎn)損失。第41頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

經(jīng)對(duì)此事故發(fā)生后的調(diào)查，此事故發(fā)生在上午10點(diǎn)，不屬于上班高峰期，再加上事故發(fā)生地點(diǎn)遠(yuǎn)離鬧市區(qū)，沒有造成人員的重大傷亡，僅有部分人員輕度燒傷。事故發(fā)生地的財(cái)產(chǎn)密度為10萬元/m，所以最終得出全部損失的財(cái)產(chǎn)為3218.4萬元，部分損失的財(cái)產(chǎn)為1609.2萬元。第42頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一噴射火事故后果分析總結(jié)

噴射火事故后果分析受到大量不確定性因素的影響,例如管道裂口面積、噴射火焰長(zhǎng)度和形狀、平均人員密度、平均財(cái)產(chǎn)密度、氣候條件等。盡管這些不確定因素對(duì)后果分析造成偏差,但在目前技術(shù)和管理水平下本文所提出的后果分析計(jì)算方法不失是一種較好的方法,可以為城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供重要依據(jù)。第43頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一案例計(jì)算

利用該模型計(jì)算甲烷泄漏所造成的噴射火災(zāi)害后果：

估計(jì)泄漏口的孔徑為0.02m，管道內(nèi)絕對(duì)壓力為15個(gè)大氣壓，折合1.52×106Pa。環(huán)境溫度為300K，相對(duì)濕度50%，火焰溫度為2000K。甲烷分子量為16.04，空氣分子量為29，甲烷在空氣中含量約為9.8%。第44頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一火球

裝有過熱可燃液體的儲(chǔ)存罐或工藝容器突然失效,將導(dǎo)致液體泄露。由于儲(chǔ)罐或容器中的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大氣壓,內(nèi)部的液體將快速噴到空中,并有一部分氣體幾乎在瞬間變?yōu)闅怏w,并且迅速膨脹,形成一個(gè)由可燃液體蒸氣、沒有氣化的液體的液滴以及空氣組成的蒸氣云。此蒸氣云被點(diǎn)燃即會(huì)形成火球。第45頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

火球迅速增大到最大,由于火球釋放的熱量使其內(nèi)部的液體蒸發(fā)而導(dǎo)致火球變輕并離開地面,直到將其內(nèi)部燃料燒完。在短短的燃燒過程中,火球可以釋放出大量的輻射能,而且會(huì)在比它本身大好幾倍的范圍內(nèi)引起人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此,在對(duì)工藝容器或過熱可燃液體的儲(chǔ)存罐進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析的時(shí)候,建立一個(gè)精確的火球熱輻射后果模型,以對(duì)其進(jìn)行精確的定性定量分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。第46頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一火球事故后果分析方法

目前，對(duì)火球的分析方法包括兩類：一類是靜態(tài)模型分析法此方法將火球簡(jiǎn)單地看為一件靜態(tài)事件,一個(gè)有固定的大小,在一個(gè)固定位置的火球以一個(gè)固定的速率釋放能量，而忽略了火球產(chǎn)生過程中的變化，從而使其分析結(jié)果產(chǎn)生偏差。一類是動(dòng)態(tài)模型分析法此方法考慮到了火球本身所具有的產(chǎn)生、燃燒擴(kuò)大、抬升以及最后消失的動(dòng)態(tài)過程，從而能夠更加準(zhǔn)確的對(duì)火球事故進(jìn)行分析。第47頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一火球事故實(shí)例

某液化石油氣碼頭包括3000T級(jí)液化石油氣專用碼頭和12臺(tái)容積為100m3

的臥式液化石油氣貯罐。液化石油氣是由丙烷、丁烷等碳?xì)浠衔锛訅阂夯囊环N高熱值(45144~45980kJ/kg)的燃料。經(jīng)測(cè)定本港區(qū)的液化石油氣密度為0.16kg/L。主要工藝設(shè)計(jì)參數(shù):設(shè)計(jì)壓力11765MPa,設(shè)計(jì)溫度50oC,充滿系數(shù)85%,安全泄壓閥定值116MPa。由于某次操作失誤，儲(chǔ)罐區(qū)的1個(gè)100m3

儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏（泄漏百分比為10%）并引發(fā)火球,對(duì)周圍人員及財(cái)產(chǎn)造成了重大的傷害。第48頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一火球靜態(tài)模型分析法第49頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.1.1火球半徑的計(jì)算公式為式中：R——火球半徑（m）；

W——火球中消耗的可燃物質(zhì)能量。對(duì)于單罐儲(chǔ)存，W取罐容量的50%；對(duì)于雙罐儲(chǔ)存，W取罐容量的70%；對(duì)于多罐儲(chǔ)存，W取罐容量的90%。第50頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.1.2火球持續(xù)時(shí)間的計(jì)算公式式中：t——火球持續(xù)時(shí)間；

W——火球中消耗的可燃物質(zhì)的量。第51頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.1.3目標(biāo)接受到的熱輻射通量的計(jì)算公式根據(jù)上式，就可以計(jì)算出火球周圍地區(qū)不同距離處的熱輻射通量值，從而確定熱輻射通量的分布。式中：q(r)——對(duì)目標(biāo)的熱輻射通量（kW/m2）；

E——火球表面輻射通量（kW/m2）。對(duì)于柱狀、臥式和立式儲(chǔ)罐，E取270kW/m2，對(duì)于球罐，E取200kW/m2；

R——火球半徑；

r——目標(biāo)與評(píng)價(jià)對(duì)象之間的地面水平距離。第52頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.1.4目標(biāo)接受到的熱量的計(jì)算公式為式中：Q(r)——目標(biāo)接受到的熱量（J/m2）；

q(r)——目標(biāo)接受到的熱輻射通量。由上式可以看出，目標(biāo)接受到的熱量與其接收到的熱輻射通量和暴露時(shí)間均成正比。暴露時(shí)間越長(zhǎng)，則其接收到的熱量越多，受到的損傷也越大。第53頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一火球動(dòng)態(tài)模型分析法步驟第54頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Martinsen和Marx對(duì)TNO的經(jīng)驗(yàn)公式稍做修正之后,提出火球持續(xù)時(shí)間td

為式中M為火球內(nèi)燃料質(zhì)量,kg。帶入數(shù)據(jù)可以計(jì)算出火球的持續(xù)時(shí)間為7.61s。3.2.1火球持續(xù)時(shí)間的計(jì)算第55頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一火球直徑的計(jì)算

火球直徑在增大階段持續(xù)變大,大概在t=td/3時(shí)直徑達(dá)到最大值,然后開始離地升空,一直到消散直徑都保持最大值不變,計(jì)算公式為：在火球擴(kuò)大階段，火球直徑與實(shí)踐的關(guān)系為：在火球的穩(wěn)定階段，火球的直徑為：99.84m。第56頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.2.2

火球中心到地面的高度火球在放大階段保持在地面上,而一旦火球直徑達(dá)到最大時(shí)火球就開始上升,即在穩(wěn)定燃燒階段內(nèi),火球中心以固定的速率從處上升到離地面處?；鹎蛑行牡降孛娴母叨鹊挠?jì)算公式為：第57頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一火球在增大階段火球中心離地面的高度為：火球在穩(wěn)定燃燒階段火球中心離地面的高度為：第58頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.2.3目標(biāo)接受到的熱通量的計(jì)算

目標(biāo)接受到的熱通量是火球表面熱輻射能E(t),火球和目標(biāo)之間的幾何視角系數(shù)F(x,t)和大氣傳輸率S(x,t)的函數(shù)，即為:第59頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一火球表面輻射能

火球表面的熱輻射隨時(shí)間變化趨勢(shì)是在火球的增長(zhǎng)階段保持最大值不變,而且是在內(nèi)以固定的速率由最大值減小到0,即:式中：HC為燃燒熱,kJ/kg;Emax為表面輻射能最大值,kW/m2；f為燃燒熱輻射系數(shù)，其計(jì)算公式為。第60頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一代入數(shù)據(jù)可以得出燃燒熱輻射系數(shù)f為0.32，火球表面最大熱輻射能Emax為398.6kW/m2，在火球的增大階段，火球的表面熱輻射能為第61頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一幾何視角系數(shù)

目標(biāo)可能在火球周圍的各個(gè)方向,即目標(biāo)不可能接受到來自于輻射表面上每個(gè)點(diǎn)的輻射能,而只能接受到其中一部分,因此,要引入幾何視角系數(shù)這個(gè)參數(shù)。幾何視角系數(shù)就是每單位面積上目標(biāo)接受的和火球釋放的輻射能之比,換一種說法就是目標(biāo)能看到的火球的范圍。它不僅與火球的大小,火球與目標(biāo)的距離有關(guān),還與火球與目標(biāo)的相對(duì)方位有關(guān)。第62頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一火球在增大階段的幾何視角為：火球在穩(wěn)定燃燒階段的幾何視角為：第63頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大氣傳輸率

大氣傳輸率(S)為空氣中水蒸氣和CO2

對(duì)熱輻射的吸收率,其計(jì)算公式為：式中R為相對(duì)濕度;PV為一定溫度下水的飽和蒸汽壓,Pa。第64頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一火球在增大階段的大氣傳輸率為：火球在穩(wěn)定燃燒階段的大氣傳輸率為：第65頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

圖2100m3

的液化石油氣儲(chǔ)罐10%泄漏所導(dǎo)致火球的D(t)、H(t)、E(t)。第66頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一火球在增大階段和穩(wěn)定燃燒階段的熱通量之和為：第67頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表2CCPS靜態(tài)模型與動(dòng)態(tài)模型對(duì)于100m3

液化石油氣貯罐泄漏產(chǎn)生火球的熱劑量隨距離變化關(guān)系目標(biāo)距離x/mIdose(x)KW/m2CCPS靜態(tài)模型動(dòng)態(tài)模型10033819220010857500179100042第68頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表3熱輻射劑量反應(yīng)關(guān)系熱劑量/(KW/m2)對(duì)暴露目標(biāo)所造成的傷害40皮膚灼疼100一度燒傷150二度燒傷（起水泡）250三度燒傷（1%死亡）500三度燒傷（50%死亡）1200三度燒傷（99%死亡）第69頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一CCPS靜態(tài)模型與動(dòng)態(tài)模型之比較

我們這里對(duì)CCPS靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型所得到的熱輻射后果進(jìn)行了比較,這里計(jì)算了當(dāng)x=100m,200m,500m,1000m時(shí),動(dòng)態(tài)模型和CCPC靜態(tài)模型所得到的熱通量的值。從表2、表3中可以看出,在相同的位置,CCPS靜態(tài)模型得到的熱劑量明顯大于動(dòng)態(tài)模型。比如，在100m處,靜態(tài)模型引起的是三度燒傷,而動(dòng)態(tài)模型引起的是二度燒傷;在200m處,靜態(tài)模型引起的是一度燒傷,而動(dòng)態(tài)模型引起的是皮膚灼痛。第70頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一案例計(jì)算

某運(yùn)輸甲烷的管道發(fā)生泄漏并著火燃燒，泄漏甲烷的體積為20立方米。已知甲烷的密度為716.8kg/m3，相對(duì)濕度為50%。第71頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一突發(fā)火（閃火）液體、氣體泄漏后在泄漏源附近擴(kuò)散，在泄源上方形成氣團(tuán)，氣團(tuán)將在大氣中進(jìn)一步擴(kuò)散，當(dāng)遇到火源時(shí)發(fā)生突然燃燒而沒有爆炸，此種火災(zāi)為突發(fā)火。在此種情況下，處于氣體燃燒范圍內(nèi)的室外人員將會(huì)全部燒死，建筑物內(nèi)的將有部分人員燒死。突發(fā)火的主要危害來自熱輻射和火焰直接接觸?？扇嘉镌茍F(tuán)的大小決定了可能造成直接火焰接觸危害的面積，而云團(tuán)的大小則部分取決于擴(kuò)散和泄漏條件。第72頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一突發(fā)火事故后果分析步驟第73頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.1突發(fā)火火焰高度的計(jì)算在突發(fā)火模型中，假定突發(fā)火是一個(gè)火焰以恒定速度傳播的過程?；鹧婵梢暩叨瓤捎媒频陌虢?jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：式中：

H為火焰可是高度，m；

d為云團(tuán)厚度，m；

s為燃燒速度，m；為空氣密度，kg/m3;

為燃?xì)饣旌衔锏拿芏?，kg/m3；

r為理想配比下空氣與燃料的質(zhì)量比。第74頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.2火焰高度的計(jì)算火焰寬度W隨時(shí)間變化關(guān)系為：式中：

R為云層半徑，m；

S為燃燒速度，m/s;t為時(shí)間，s。第75頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.3幾何視角系數(shù)的計(jì)算假設(shè)輻射面和接受面是兩個(gè)互相平行的平面，則F可用Fmax表示，計(jì)算關(guān)系如下：第76頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一式中：

H為火焰可是高度，m；

X為到目標(biāo)物的距離，m；W為火焰寬度，m。第77頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.4大氣傳導(dǎo)率的計(jì)算在保守計(jì)算場(chǎng)合，若是干燥晴朗的天氣一般可取=1，已知濕度時(shí)可用下式計(jì)算：式中：

RH為相對(duì)濕度；

X為到目標(biāo)物的距離，m。第78頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.5目標(biāo)所受熱輻射能的計(jì)算

平面物體單位面積上接收的輻射能由下式計(jì)算：式中：

E為輻射能，KW/m2；

F為幾何視角系數(shù)；為大氣傳導(dǎo)率。第79頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一突發(fā)火事故后果分析總結(jié)突發(fā)火由于其發(fā)生的突然性和隱蔽性等特點(diǎn)容易被人們所忽略，并且此類火災(zāi)一旦發(fā)生可能造成的損失普遍偏大。并且易燃?xì)怏w泄露點(diǎn)與火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)可能距離比較遠(yuǎn)，從而為事故的預(yù)防和控制造成很大困難。經(jīng)過上述計(jì)算，在我們可以得出平面物體單位面積上接收的輻射能然后再對(duì)照表1中的物體和人員破壞和損傷閾值就可以分析出突發(fā)火的危害半徑，從對(duì)提高災(zāi)害后果評(píng)估精度，預(yù)防、減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失有一定幫助。第80頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表1輻射危害程度一覽第81頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一案例分析

在一個(gè)空曠的地面短時(shí)間泄漏了大量的丙烷，在傳播擴(kuò)散中形成一個(gè)扁平的圓形的云團(tuán)。云團(tuán)約有1.2m厚，直徑為80m，云團(tuán)內(nèi)燃料的體積百分比為15%，從云團(tuán)邊緣點(diǎn)火燃燒。當(dāng)時(shí)風(fēng)速1m/s，相對(duì)濕度為40%，已知丙烷分子量為44kg/kmol，空氣29kg/kmol，理想配比時(shí)燃料占的體積比φst＝0.04，恒定壓力下理想配比時(shí)燃燒的膨脹比α＝8(碳?xì)浠衔镆话闳ˇ粒?)。要求計(jì)算距離云團(tuán)中心90m處一個(gè)垂直接收面上所受的熱輻射通量隨時(shí)間的變化情況。第82頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固體火災(zāi)固體火災(zāi)多指易燃或可燃的固體被引燃并且其燃燒反應(yīng)超出了人們可接受的范圍的火災(zāi)事故。固體火災(zāi)的主要危害方式是熱輻射和有毒煙氣。當(dāng)固體火災(zāi)的熱輻射強(qiáng)度足夠大時(shí)，可進(jìn)一步使周圍物體燃燒起火并造成人員傷亡；同時(shí)，固體火災(zāi)產(chǎn)生的有毒有害煙氣也可導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)人員的窒息、中毒乃至死亡。第83頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固體火災(zāi)實(shí)例2003年，山東省棗莊市某裝修建材市場(chǎng)倉(cāng)庫(kù)由于電氣設(shè)備老化導(dǎo)致周圍裝修建材被引燃而引發(fā)火災(zāi)，最終整個(gè)倉(cāng)庫(kù)的建材均被點(diǎn)燃。此次火災(zāi)持續(xù)半個(gè)小時(shí)方才被撲滅，造成了2人死亡、多人受傷及大量的財(cái)產(chǎn)損失。經(jīng)事故后調(diào)查，倉(cāng)庫(kù)內(nèi)50噸建材全部燒毀，建材的平均燃燒熱為25000kj/kg,第84頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固體火災(zāi)熱輻射危害分析方法固體火災(zāi)的熱輻射參數(shù)按點(diǎn)源模型估計(jì)。此模型人為火焰射出的能量為燃燒的一部分，并且輻射強(qiáng)度與目標(biāo)至火源中心距離的平方成反比，即：式中：qr為目標(biāo)接收到的輻射強(qiáng)度，W/m2；f為輻射系數(shù)，可取f=0.25；Mc為燃燒速率，kg/s；Hc為燃燒熱，J/kg；x為目標(biāo)至火源中心間的水平距離，m。第85頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一事故后果分析經(jīng)分析，裝修建材的燃燒速度為28kg/s，所以此次火災(zāi)的熱輻射強(qiáng)度與木標(biāo)離火源距離x的關(guān)系式為:對(duì)照表3可知，引起一度燒傷、二度燒傷、三度燒傷和人員全部死亡的危害半徑分別為11.8m、9.6m、7.4m、3.4m，然后我們就可以劃定危險(xiǎn)區(qū)域。第86頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表3熱輻射劑量反應(yīng)關(guān)系熱劑量/(KW/m2)對(duì)暴露目標(biāo)所造成的傷害40皮膚灼疼100一度燒傷150二度燒傷（起水泡）250三度燒傷（1%死亡）500三度燒傷（50%死亡）1200三度燒傷（99%死亡）第87頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一固體火災(zāi)事故危險(xiǎn)區(qū)域的劃分第88頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一火災(zāi)煙氣毒性評(píng)價(jià)1、火災(zāi)煙氣是由三類物質(zhì)組成的具有較高溫度的云狀混合物,即(1)燃燒產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物,如水蒸汽、CO2等;(2)流動(dòng)過程中卷吸的空氣;(3)多種微小的固體顆粒和液滴。2、統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,火災(zāi)中76%的人是由于吸入有毒燃燒產(chǎn)物而死，而被火直接燒死的人數(shù)只占全部死亡人數(shù)的一小部分。3、火災(zāi)煙氣組成非常復(fù)雜,它不僅與燃燒材料有關(guān),而且與燃燒條件有關(guān)?；馂?zāi)中煙氣主要包括二氧化碳、一氧化碳、氰化氫、氮氧化物、二氧化硫、硫化氫、氨氣、鹵化氫等毒性氣體。第89頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期一毒性氣體理化性質(zhì)二氧化碳（CO2）中性無色無味的惰性氣體，無腐蝕作用，有一定的毒性，當(dāng)空氣中的二氧化碳濃度達(dá)10%以上人就會(huì)死。一氧化碳（CO）無色、無味、無臭、無刺激性的有毒氣體，幾乎不溶于水，在空氣中不容易與其它物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，屬于內(nèi)窒息性毒物，一氧化碳為0.2%時(shí)，30min內(nèi)人們便會(huì)發(fā)生生命危險(xiǎn)；一氧化碳的濃度越高，造成死亡的時(shí)間就越短，1%是致死濃度。氰化氫（HCN）有強(qiáng)烈的類似苦扁桃臭味的無色氣體；它能作用于神經(jīng)系統(tǒng)，阻礙紅細(xì)胞的氧化功能，對(duì)機(jī)體的毒作用主要是由于氰離子抑制細(xì)胞呼吸酶造成“細(xì)胞內(nèi)窒息”引起；主要表現(xiàn)為急性腦缺氧癥狀，超過10uL/L的濃度就會(huì)帶來危險(xiǎn)。氮氧化物（NOx）主要指一氧化氮和二氧化氮；一氧化氮無色無味，僅對(duì)呼吸