爆炸评价模型及伤害半径计算.docx

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爆炸评价模型及伤害半径计算

爆炸评价模型及伤害半径计算

1、蒸气云爆炸（VCE）模型分析计算

（1）蒸气云爆炸（VCE）模型

当爆炸性气体储存在贮槽内，一旦泄漏，遇到延迟点火则可能发生蒸气云爆炸，如果遇不到火源，则将扩散并消失掉。

用TNT当量法来预测其爆炸严重度。

其原理是这样的：

假定一定百分比的蒸气云参与了爆炸，对形成冲击波有实际贡献，并以TNT当量来表示蒸气云爆炸的威力。

其公式如下：

βAWfQf

QTNT

WTNT=

式中WTNT——蒸气云的TNT当量，kg；

β——地面爆炸系数，取β=1.8；

A——蒸气云的TNT当量系数，取值范围为0.02%～14.9%；

Wf——蒸气云中燃料的总质量：

kg；

Qf——燃料的燃烧热，kJ/kg；

QTNT——TNT的爆热，QTNT=4120～4690kJ/kg。

（2）水煤气储罐蒸气云爆炸（VCE）分析计算

由于合成氨生产装置使用的原料水煤气为一氧化碳与氢气混合物，具有低闪点、低沸点、爆炸极限较宽、点火能量低等特点，一旦泄漏，极具蒸气云爆炸概率。

若水煤气储罐因泄漏遇明火发生蒸气云爆炸（VCE），设其贮量为70%时，则为2.81吨，则其TNT当量计算为：

取地面爆炸系数：

β=1.8；

蒸气云爆炸TNT当量系数，A=4%；

蒸气云爆炸燃烧时燃烧掉的总质量，

Wf=2.81×1000=2810（kg）；

水煤气的爆热，以CO30%、H243%计（氢为1427700kJ/kg,一氧化碳为10193kJ/kg）：

取Qf=616970kJ/kg；

TNT的爆热，取QTNT=4500kJ/kg。

将以上数据代入公式，得

1.8×0.04×2810×616970

4500

WTNT==27739（kg）

死亡半径R1=13.6（WTNT/1000）0.37

=13.6×27.740.37

=13.6×3.42=46.5（m）

重伤半径R2，由下列方程式求解：

△P2=0.137Z2-3+0.119Z2-2+0.269Z2-1-0.019

Z2=R2/（E/P0）1/3

△P2=△PS/P0

式中：

△PS——引起人员重伤冲击波峰值，取44000Pa；

P0——环境压力（101300Pa）；

E——爆炸总能量（J），E=WTNT×QTNT。

将以上数据代入方程式，解得：

△P2=0.4344

Z2=1.07

R2=1.07×（27739×4500×1000/101300）1/3

=1.07×107=115（m）

轻伤半径R3，由下列方程式求解：

△P3=0.137Z3-3+0.119Z3-2+0.269Z3-1-0.019

Z3=R3/（E/P0）1/3

△P3=△PS/P0

式中：

△PS——引起人员轻伤冲击波峰值，取17000Pa。

将以上数据代入方程式，解得：

△P3=0.168，Z3=1.95

轻伤半径R3=209（m）

2、沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）模型分析计算

（1）沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）模型

液态存贮的易燃液化气体突然瞬间泄漏时，立即遇到火源就会发生剧烈的燃烧，产生巨大的火球，形成强烈的热辐射，此种现象称为沸腾液体扩展蒸气爆炸，简称BLEVE。

沸腾液体扩展蒸气爆炸的主要危险是强烈的热辐射，近场以外的压力效应不重要。

其火球的特征可用国际劳工组织（ILO）建议的蒸气爆炸模型来估算。

火球半径的计算公式为：

R=2.9W1/3

式中R——火球半径，m；

W——火球中消耗的可燃物质量，kg。

对单罐储存，W取罐容量的50%；双罐储存；W取罐容量的70%；多罐储存，取W为罐容量的90%。

（2）液氨储罐沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）模型分析计算

由于生产装置液氨贮罐区的液氨罐为多罐贮存，（共六只贮罐，其中三只50M3，三只100M3）最大库存量为250T。

氨比重约0.6，取100M3罐，则

由W=100×0.6×1000×90%=54000（kg）

代入式中，得到：

火球半径R=2.9（54000）1/3=109（m）

火球持续时间按下式计算:

t=0.45W1/3

式中:

火球持续时间,单位为S.

将数据代入式中,得到:

t=0.45×（54000）1/3=17（s）

目标接收到热辐射通量的计算，按下式计算：

q（r）=q0R2r（1-0.058Inr）/（R2+r2）3/2

式中：

r——目标到火球中心的水平距离，m；

q0——火球表面的辐射通量，W/m2。

对柱形罐取270kW/m2，球形罐取200kW/m2。

R——火球半径，m。

R=109m。

有了热辐射q（r），即可求不同伤害、破坏时的热通量及其半径。

下面求不同伤害时的热通量：

死亡可根据下式计算：

Pr=-36.38+2.56In（tq14/3）

式中：

Pr=5

t——火球持续时间，取t=17s。

解得q1=21985W/m2。

重伤可根据下式计算：

Pr=-43.143+3.0188In（tq24/3）

解得q2=18693W/m2。

轻伤可根据下式计算：

Pr=-39.83+3.0188In（tq34/3）

解得q3=8207W/m2。

通过q1、q2、q3可以求得对应的死亡半径R1、重伤半径R2及轻伤半径R3。

（由于此方程式难以手算解出，故省略）。

（3）小结

通过计算，如果贮存区液氨储罐发生扩展蒸气爆炸，火球半径为109m。

将可能造成其他贮罐的连锁火灾和爆炸，造成灾难性的破坏。

3、液氨泄漏中毒事故的模拟计算

液氨贮存区最大贮存量为250T，假设有1T泄漏量，对蒸发成蒸气扩散造成的危害进行模拟计算。

（1）液态气体蒸气体积膨胀计算

在标准状态下（0℃，1013Mpa），1摩尔气体占有22.4升体积。

根据液态气体的相对密度，由下式可计算出它们气化后膨胀的体积：

V——膨胀后的体积（升）

V0——液态气体的体积（升）

D0——液态气体的相对密度（水=1）

M——液态气体的的分子量

将液氨有关数据代入上式，由D0=0.597，M=17.03得到

即液态氨若发生泄漏迅速气化，其膨胀体积为原液态体积的785倍。

（2）液态气体扩散半径模拟计算

液态气体泄漏后在高温下迅速气化并扩散，在一定泄漏量范围内，且液态气体比重大于空气，沿地面能扩散到相当远的地方，可模拟为半椭圆形，其短轴与长轴之比将随着扩散半径的增大而减少，可由下式计算：

式中：

V——液态气体膨胀后体积；

ρ——液态气体在空气中的浓度；

κ——椭圆形短轴与长轴之比，即K=h/R。

根据我国《工作场所有害因素职业接触限值》（GBZ2-2002）查得：

液氨在工作场所空气中时间加权平均容许浓度20mg/m3；短时间接触容许浓度30mg/m3，其在空气中体积浓度换算为：

ρ=26.3×10-6和ρ=39.5×10-6。

假设泄漏液氨的量为1000kg，其可能发生中毒事故的浓度区域半径计算如下：

取液氨体积V0=1/0.597=1.68m3

ρ=26.3×10-6K=0.10

计算：

从计算结果可知：

当泄漏1000kg液氨气化成蒸气时可能发生中毒浓度的区域半径为621m，即0.621公里，因此，其扩散时的可能发生中毒浓度的区域面积：

S=π×R2=3.14×0.6212=1.21（平方公里）

4、水煤气泄漏事故的模拟计算

根据我国《工作场所有害因素职业接触限值》（GBZ2-2002）查得：

水煤气（即一氧化碳）时间加权平均容许浓度20mg/m3；短时间接触容许浓度30mg/m3。

经换算，分别为ρ=16×10-6和ρ=24×10-6。

水煤气贮罐总容积5000M3，设若泄漏量为100M3，取ρ=16×10-6，K=0.1则计算如下：

=310（M）

S=π×R2=3.14×310=301754M2

5、天然气泄漏形成喷射火模型分析

该项目设计有容积为2m3、工作压力为25MPa的天然气储气瓶组。

当设备损坏、法兰垫片撕裂或接管破裂等条件下，天然气就会在破裂处形成射流，在高速气流摩擦形成的静电火花或其他点火源存在的条件下，就会在裂口处引燃形成喷射火。

火灾通过热辐射方式影响周围环境，当热辐射强度足够大时，可使周围物体燃烧变形，强烈的热辐射可能烧毁设备并造成人员伤亡。

喷射火模拟事故模拟是通过定量的计算，估算出热辐射的不同入射通量所造成的损失程度。

（1）气体泄漏量的计算

假定天然气储气瓶组或管道泄漏，裂口为直径10mm的圆口：

P0＝0.1013×106Pa；P＝25×106Pa；κ=1.314（天然气的绝热指数）

则：

故气体流动属于音速流动。

其泄漏量为：

式中：

Cd＝1.00；M＝CNG的分子量，16；R＝8.314J/mol∙K；T＝293K（20℃）；ρ＝193.5kg/m3，A为裂口面积，D为储气瓶裂口直径。

A＝πD2/4＝0.0000785（m2）

计算得：

Q0＝8.2×10-4kg/s

（2）喷射火热辐射通量

这里所用的喷射火辐射热计算方法是一种包括气流效应在内的喷射火扩散模式的扩展。

把整个喷射火看成是沿喷射中心线上的几个热源点组成，每个点热源的热辐射通量相等。

点热源的热辐射通量按下式计算

式中：

q―点热源热辐射量，W

η―效率因子，可取0.35

Q0―泄漏速度，kg/s

Hc―燃烧热，J/kg

天然气高热值：

Hc＝55800kJ/kg，则：

q＝0.35×8.2×10-4×55800＝16kW

射流轴线上某点热源I到距离该处一点的热源辐射强度为：

式中：

Ii―点热源i到目标点x处的热辐射强度，W/m2；

q―点热源的辐射通量，W；

R―辐射率，可取0.2；

x―点热源到目标点的距离，m

某一点处的入射流强度等于喷射火的全部点热源对目标的热辐射强度的总和：

式中：

N―计算时选取的点热源系数，一般取n＝5。

根据喷射火全部点热源在距火焰xm的某点总入射热辐射通量的大小，查热辐射的不同入射能量所造成的损失。

根据可以计算出有代表意义的入射热辐射通量造成的危害范围。

即：

式中：

R―辐射率，取0.2；

表5.6-1不同入射通量所造成的危害范围

目标伤害距离x（m）

入射通量I

（kW/m2）

对设备的损害

对人的损害

0.082

37.5

操作设备全部损坏

1%死亡/10s

100%死亡/1min

0.1

25

在无火焰、长时间辐射下，木材燃烧的最小能量

重大损伤/10s

100%死亡/1min

0.14

12.5

有火焰时，木材燃烧，

塑料融化的最低能量

1度烧伤/10s

1%死亡/1min

0.25

4.0

20s以上感觉疼痛，未必起泡

0.40

1.6

长时间辐射，无不舒服感

从上表可以看出，如不采取措施，在计算条件下的喷射火如果发生，距射流轴线热源0.082m处的人员在热辐射下10s内1%死亡，1min内100%死亡，另此范围内的操作设备全部损坏。

距射流轴线热源0.25m，热辐射不会造成人员伤亡；距射流轴线热源0.40m以外为安全距离。

为了安全生产，企业应积极采取应对措施，防止喷射事故发生。

6、天然气泄漏形成蒸气云爆炸模型分析

假设1个2m3、操作压力25MPa的天然气储气瓶组全部发生泄漏，则参与爆炸的天然气体积为50m3，并与空气混合后形成蒸气云，蒸汽云爆炸冲击波的破坏半径为：

R=CS（NE）1/3

E－爆炸能量，kJ，E=V·HC

V－参与反应的可燃气体的体积，