级系统安全基础课设正文.docx

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级系统安全基础课设正文

沈阳航空航天大学

课程设计

（系统安全基础课程设计--说明书）

题目对方护额你

班级

学号

学生姓名

指导教师

负责教师

沈阳航空航天大学

课程设计任务书

课程名称系统安全基础

学院安全工程专业安全工程

班级24050101学号姓名

课程设计题目

课程设计时间：

2015年7月6日至2015年7月17日

课程设计的内容及要求：

内容包括：

1.选择资料相对齐全的某一危险化学品生产或储存企业、民用爆炸物品生产企业、金属冶炼企业、非煤矿山，或者危险性较大的机械加工企业、木业加工企业等，利用1-2种系统安全相关方法（PHA、FMEA、SCL、RM、FTA、数据统计分析、专家经验分析等）进行危险源辨识与分析；

2.进行安全预评价；或编写安全设施设计专篇；或利用PHAST对于可能产生的重大火灾、爆炸、毒气泄漏事故后果进行计算与仿真模拟。

3.安全预评价和安全设施设计专篇类型，辨识、分析、评价/设计应全面，严格按照相关导则要求进行；事故后果模拟分析类型，应科学应用模拟仿真计算结果进行风险分析。

4.针对分析、评价结果，提出安全技术和管理措施，要求依据充分、有针对性。

5.按指定格式写出一份说明书。

要求：

综合运用所学的系统安全相关知识，针对所选企业进行安全预评价或编写安全设施设计专篇或利用PHAST进行计算与仿真模拟，独立写出一份论文。

1.查阅相关资料，熟悉和使用有关的参考文献、手册、国家法规、标准等。

2.危险源辨识应全面、详细，分析准确、合理，评价选用的方法科学，提出的安全技术和管理措施依据充分、有针对性。

3.需一组人完成的题目，应指定组长，且应有明确、合理分工。

4.语句通顺、文字简洁、图表清晰完整。

指导教师2015年7月6日

学生签字2015年7月6日

摘要

本次课程设计是汽油储罐泄漏事故后果的定量分析，根据汽油的理化性质和汽油的主要危险特性，通过事件树分析法对汽油泄漏可能存在的事故后果进行危险源辨识与分析，通过对泄漏量、泄漏扩散、池火灾和喷射火、爆炸及对事故伤害等方面进行定量计算，

关键词：

汽油储罐；池火；喷射火；爆炸；伤害

1.储罐的情况简介

1.1储罐的基本情况

某矿区储油罐区距离高速公路25m，东侧距离站房5m，西侧距离围墙20m，北侧距离公共厕所60m。

油罐区共5个埋地油罐，油罐与油罐之间的距离为0.5m，油罐距离罐区墙壁为0.5m。

其中，3个30m3汽油罐，2个30m3柴油罐，总容积120m3（柴油容积折半计算）。

由于汽油罐与柴油罐位置距离较远，相互间的影响可忽略不计，所以仅以汽油罐为例进行危险分析，则总量为90m3，汽油罐区面积为7*9.2=64.4m2。

储罐型号为HG5-1580-85卧式储罐，其容积30m3，筒体的直径为2400mm，长度6000mm，厚度8mm。

1.2储存物料的主要危险特性

汽油无色到浅黄色的透明液体。

依据《车用无铅汽油》（GB17930）生产的车用无铅汽油，按研究法辛烷值（RON）分为90号、93号和95号三个牌号，相对密度（水=1）0.70～0.80，相对蒸气密度（空气=1）3～4，闪点-46℃，爆炸极限1.3～6%（体积比），自燃温度415～530℃，最大爆炸压力0.813MPa，高度易燃液体；不得使用直流水扑救（用水灭火无效）。

燃烧和爆炸危险性

高度易燃，蒸气与空气能形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。

高速冲击、流动、激荡后可因产生静电火花放电引起燃烧爆炸。

蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃和爆炸。

健康危害

汽油为麻醉性毒物，高浓度吸入出现中毒性脑病，极高浓度吸入引起意识突然丧失、反射性呼吸停止。

误将汽油吸入呼吸道可引起吸入性肺炎。

职业接触限值：

PC-TWA（时间加权平均容许浓度）（mg/m3）:

300（汽油）。

表1.1汽油的理化性质

理化性质

熔点

沸点

密度

爆炸极限

自燃温度

数据

<-60℃

40-200℃

0.73

g/L

1.3%-6.0%

415-530℃

2.储罐的事故类型分析

2.1汽油泄漏的事故树分析

初始事件是否立即点火是否延迟点火是否爆炸系统状态

是

池火（+喷射火）

汽油泄漏是

爆炸

是

否

否闪火（+晚期池火）

无影响

否

3、储罐事故后果的定量计算

3.1泄漏模型计算

3.1.1液体泄漏模型计算

汽油泄漏瞬时质量流率为：

……（3.1）

式中：

Qm——质量流率，单位为kg/s；

P——储罐内液体压力，单位为Pa；

P0——环境压力，单位为Pa；

C0——液体泄漏系数；

g——重力加速度，9.8m/s2；

A——泄漏孔面积，单位为m2；

ρ——液体密度，单位为kg/m3；

hL——泄漏孔上方液体高度，单位为m。

液体泄漏系数Co=0.61

假设底部泄漏，泄漏孔上方液体高度hL：

2.4m

汽油密度为730kg/m³；储罐内液体绝对压力P=2.5×10^6Pa；环境压力P=1.013×10^5Pa。

（1）泄漏场景为小孔泄漏，孔径为5mm.

Q1=730×（2.5×10-3）2×π×0.61×[2×（（2.5×106-1.013×105）/730+9.8×2.4）]1/2=0.71kg/s

（2）泄漏场景为中孔泄漏时，孔径为25mm.

Q₂=17.75kg/s

（3）泄漏场景为大孔泄漏时，孔径为100mm.

Q₃=284kg/s

（4）泄漏场景为完全破裂时，孔径为150mm.

Q4=639kg/s

泄漏场景、泄漏孔径和质量流率的具体数据如下表3.1。

表3.1质量流率

泄漏场景

泄漏孔径（mm）

质量流率（Kg/S）

小孔泄漏

5

0.71

中孔泄漏

25

17.75

大孔泄漏

100

284

完全破裂

150

639

3.2火灾模型的计算

3.2.1池火灾计算

a）计算液池直径

当危险单元为油罐或油罐区时，可根据防护堤所围池面积S计算液池直径D：

式中：

S——液池面积，单位为m2；

D——液池直径，单位为m。

防火池尺寸为长20m、宽20m、高0.5m,防火池面积S=400㎡，防火池容量为200m³。

假设油罐完全盛装汽油，且全部泄漏，90<200所以无论油罐发生何种泄漏，汽油均不会溢出围堤。

汽油泄漏均积聚在防火堤内。

液池直径

b）确定火焰高度

计算池火焰高度的经验公式如下：

……（E.37）

式中：

L——火焰高度，单位为m；

D——池直径，单位为m；

mf——燃烧速率，单位为kg/（m2·s）；

ρ0——空气密度，单位为kg/m3；

g——重力加速度，单位为m/s2。

查《油罐区泄漏及火灾危险评价》可知燃烧速率为0.05kg/（m2·s），

c）计算火焰表面热通量

假定能量由圆柱形火焰侧面和顶部向周围均匀辐射，用下式计算火焰表面的热通量：

……（E.38）

式中：

q0——火焰表面的热通量，单位为kW/m2；

ΔHC——燃烧热，单位为kJ/kg；

——热辐射系数，可取0.15；

——燃烧速率，单位为kg/（m2·s）；

查《油罐区泄漏及火灾危险评价》可知燃烧热为438.9*103kJ/kg，燃烧速率为0.05kg/（m2·s）。

kW/m2

目标接收到的热通量q（r）的计算公式为：

……（E.39）

式中：

q（r）——目标接收到的热通量，单位为kW/m2；

r——目标到泄漏中心的水平距离，单位为m；

V——视角系数。

e）视角系数的计算

视角系数V与目标到火焰垂直轴的距离与火焰半径之比s和火焰高度与直径之比h有关。

……（E.40）

……（E.41）

……（E.42）

……（E.43）

……（E.44）

……（E.45）

……（E.46）

……（E.47）

……（E.48）

式中：

S——目标到火焰垂直轴的距离与火焰半径之比；

h——火焰高度与直径之比；

A、B、J、K、VH、VV——描述方便而引入的中间变量。

讨论完全破裂时：

水平火焰12.54m，喷射高度25.66m，取距离火焰15m处。

那么S=15/12.54=1.2

h=25.66/12.54=2.05

=2.77

=1.02

=

3.2.2喷射火计算

3.2.2.1水平方向喷射火计算

加压的可燃物泄漏时形成射流，如果在泄漏裂口处被点燃，则形成喷射火。

假定火焰为圆锥形，并用从泄漏处到火焰长度4/5处的点源模型来表示。

1.火焰长度计算

喷射火的火焰长度可用如下方程得到：

（3.7）

式中：

L——火焰长度，单位为m；

HC——燃烧热，单位为J/kg；汽油燃烧热HC为43890kJ/kg

m——质量流速，单位为kg/s。

（1）泄漏场景为小孔泄漏时，孔径为5mm。

质量流速m=0.71Kg/S

=0.61m

（2）泄漏场景为中孔泄漏时，孔径为25mm。

质量流速m=17.75Kg/S

=2.55m

（3）泄漏场景为大孔泄漏时，孔径为100mm。

质量流速m=284Kg/S

=8.75m

（4）泄漏场景为完全破裂时，孔径为150mm。

质量流速m=639Kg/S

=12.54m

3.2.2.2垂直方向喷射火计算

火焰高度的计算

火焰高度按下式计算：

……（E.52）

式中：

L——火焰长度，单位为m；

dj——喷管直径，单位为m；

CT——燃料-空气计算化学反应中燃料的摩尔系数；

Tf——燃烧火焰的绝热温度，单位为K；

Tj——喷射流体的绝热温度，单位为K；

αT——燃料-空气计量化学反应中产生每摩尔燃烧产物所需反应物的摩尔数；

Ma——空气的摩尔质量，单位为g/mol；

Mf——燃料的摩尔质量，单位为g/mol。

对于大多数燃料而言，CT远小于1，αT近似等于1，Tf和Tj的比值在7到9之间。

取8,Ma=29，Mf=100，CT取0.05，αT取1

（1）泄漏场景为小孔泄漏时，孔径为5mm。

=0.855m

（2）泄漏场景为中孔泄漏时，孔径为25mm。

=4.28m

（3）泄漏场景为大孔泄漏时，孔径为100mm。

=17.11m

（4）泄漏场景为完全破裂时，孔径为150mm。

=25.66m

3.3爆炸模型的计算

3.3.1沸腾液体扩展为蒸气云爆炸（BLEVE）计算

采用国际劳工组织建议的沸腾液体扩展为蒸气云爆炸热辐射模型进行计算，步骤如下：

火球直径的计算

火球直径计算公式为：

……（E.49）

式中：

R——火球直径，单位为m；

W——火球中消耗的可燃物质量，单位为kg，对于单罐储存，

取罐容量的50%，对于双罐储存，

取罐容量的70%；对于多罐储存，

取罐容量的90%。

汽油储罐为三个，所以

=0.9*30*0.73*103=19.71*103kg

所以

火球持续时间的计算

火球持续时间按下式计算：

……（E.50）

式中：

t——火球持续时间，单位为s；

W——火球消耗的可燃物质量，单位为kg。

目标接收到热辐射通量的计算

……（E.51）

式中：

q0——火球表面的辐射通量，单位为W/m2；对于柱形罐取270W/m2，对于球形罐取200W/m2；

——目标到火球中心的平均距离，单位为m。

q0取270W/m2，r取50m100m200m,具体数据如表3.3目标接收到热辐射通量所示。

以r取50m为例进行计算：

=80.08W/m2

表3.3目标接收到热辐射通量

R（m）

50

100

200

热辐射通量q（r）

80.08

57.37

21.91

3.3.2蒸气云爆炸（TNT当量法）计算

汽油的爆炸模型

当泄漏到空气中的可燃气体与空气的混合物的浓度处于爆炸范围内时遇到点火源发生的爆炸现象称为蒸气云爆炸。

其主要危害为爆炸产生的冲击波，能导致人员伤亡及设备、设施、建筑、厂房的破坏。

它是一类经常发生、且后果十分严重的爆炸事故。

通常采用TNT当量法估计蒸气云爆炸的严重度。

WTNT=αWQ/QTNT（3.11）

式中WTNT—可燃气体的TNT当量，kg；

α—可燃气体蒸气云当量系数（取值0.04）；

W—蒸气云中可燃气体质量，kg；

Q—可燃气体的燃烧热，MJ/kg；

QTNT—TNT的燃烧热，kJ/kg（一般为4.52*103）；

W按汽油罐最大设计储存为70T，燃烧热为43.89MJ/kg

WTNT=αWQ/QTNT=0.04×70×103×43.89/（4.52*103）=27.3kg

3.4事故伤害的计算

3.4.1火灾热辐射伤害计算

根据3.2火灾模型池火灾的计算，池火灾表面热辐射通量为71.72Kw/㎡，根据《化工企业定量风险评价导则》表H2（如表3.4）不同热辐射强度造成的伤害和损坏，对设备的损坏为：

有火焰时，木材燃烧及塑料熔化的最低能量；对人的伤害为：

1%死亡（10），100%死亡（1min）

表3不同热辐射强度造成的伤害和损坏

热辐射强度

kW/m2

对设备的损坏

对人的伤害

37.5

操作设备损坏

1%死亡（10s）

100%死亡（1min）

25.0

在无火焰，长时间辐射下木材燃烧的最小能量

重大烧伤（10s）

100%死亡（1min）

12.5

有火焰时，木材燃烧及塑料熔化的最低能量

1度烧伤（10s）

1%死亡（1min）

6.3

—

在8s内裸露皮肤有痛感；无热辐射屏蔽设施时，操作人员穿上防护服可停留1min

4.7

—

暴露16s，裸露皮肤有痛感；无热辐射屏蔽设施时，操作人员穿上防护服可停留几分钟

1.58

—

长时间暴露无不适感

3.4.2火灾爆炸伤害计算

油罐爆炸产生的损伤范围采用莱克霍夫爆炸冲击波超压与距离关系的经验公式进行计算。

式中：

Ｒ为爆炸伤害半径，m；Ｐ为爆炸冲击波超压，MPa。

P分别取0.020.030.050.1

具体伤害范围如表

表3.4对人的伤害范围

超压/MPa

0.02

0.03

0.05

0.1

范围/m

10.29

9.0

7.60

6.04

根据爆炸事故后果模拟评价方法中的超压准则，可以得到爆炸冲击波对人体的伤害程度，进而确定其灾害影响范围。

4、结论

本次课程设计是对液氨储罐的危险因素进行辨识，液氨是无色有刺激性气味的毒性，易燃易爆，通过查阅相应的文献资料了解液氨的工艺和参数，对事故后果的定量计算，从中毒和火灾爆炸等方面进行危险因素辨识和提出相应的安全对策措施。

这次课设是以小组的形式进行设计，通过查阅资料、组员之间的交流和讨论，在设计的过程中掌握了不少课堂上没有接触过的知识，将学到的知识应用到实际中去，做到了理论与实际相结合。

5、参考文献

［1］油罐区泄漏及火灾危险危害评价_开方明，2004

［2］油罐泄漏爆炸影响范围研究_韦善阳

［3］《建筑防火设计规范》.GB-50016，2014

［4］田宏.安全系统工程.北京.中国质检出版社，2014.5

［5］陈国华，张瑞华，喷射流扩展半径及喷射火后果模拟计算方法研究，2002

［6］化工企业定量风险评价导则.AQ/T3046-2013

课程设计题目

学号姓名答辩日期2015年7月17日

摘要

关键词：

危险源；安全技术；安全管理…….

课程设计成绩：

课设指导小组：

、

、

1绪论