蒸气云模型在安全评价工作中的应用.ppt

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1、蒸气云爆炸模型 在安全评价工作中的应用（总结）,一、相关概念,蒸气云爆炸：当大量可燃气体或蒸气泄漏到敞开空间后，如果没有立即点火，而是先在空气中扩散，与空气形成爆炸性混合物（预混云），然后发生延迟点火，即成为蒸气云爆炸（Vapor cloud explosion =VCE，UVCE，unfined）。 模型：是指为了某个特定目的将原型所具有本质属性的某一部分信息经过简化、提炼而构造的原型替代物。首先，模型必须是现实系统的一种抽象，它是在一定假设条件下对系统的简化。其次，模型中必须包含系统中的主要因素，模型不可能与实际系统完全对应，而只应当包含那些决定系统本身同性的重要因素。第三，为了定量分析，

2、模型中必须反映各主要因素之间的逻辑关系和数学关系，使模型对系统具有代表性。 冲击波：是由压缩波叠加形成的，是波阵面以突进的形式在介质传播的压缩波。冲击波的伤害、破坏作用是由超压引起的。,二、国内外研究概况,国外：开始于20世纪60年代。国外科研人员进行了大量的实验室研究和野外实验研究。 研究包括：1) 无约束气云爆炸(Unfined Vapor Cloud Explosion)实验；2)气云内有障碍物时的爆炸实验；3)气云周围有约束时气云爆炸实验；4)不同可燃气体种类气云爆炸实验。 研究对象：甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丁烯、乙炔 、天然气、环氧乙烷，与空气形成的混合气体 。,二、国内外研究概况,

3、根据近40年来正式发布的不同工厂、工艺过程中所发生的重大气云爆炸事故数据，发生事故的原因主要有：阀门泄漏、法兰泄露、管线失效（损坏、破裂、腐蚀）、储罐失效、满装外溢等。 理论研究：1)TNT当量法研究；2）多能模型研究；3）自相似理论；4)数值模拟方法。 国内：开始于20世纪80年代。受技术条件和经济条件的限制，只是初步的研究工作。 易燃、易爆、有毒重大危险源评价法（“ 八五”国家科技攻关课题，有关于蒸气云爆炸模型的描述）,三、蒸气云爆炸相关知识,气云爆炸包括蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸气爆炸两种。气云爆炸的共同点是参与的爆炸物质的量一般都比较大（5103kg以上）。 燃料：最常见的是低分子的碳

4、氢化合物，偶尔也有其它物质（氯乙烯、异丙醇、氢气）。 伤害形式：云雾区内的爆炸波作用、云雾区外的冲击波作用、高温燃烧作用、热辐射作用、缺氧造成的窒息作用。,三、蒸气云爆炸相关知识,影响蒸气云爆炸的因素：蒸气云爆炸是一个复杂的物理化学过程，主要影响因素包括蒸气云特性、周围环境、天气情况、点火源特性。 蒸气云特性可燃气体种类：包括可燃气体的反应活性和可燃气体密度。反应活性越高，爆源强度越强。 表1 可燃气体按反应活性分类,三、蒸气云爆炸相关知识,可燃气体密度不影响气云爆炸强度，但对气云的形成有重要影响。密度相对空气小的气体不易在地面上形成很大的气云。密度大的可燃气云可以沿着地面移动，潜在的危害比较

5、大。 在预测可燃气云爆炸危害时，需要综合考虑反应活性和密度。例如，氢气的密度很小，形成的气云也小，但是它的反应活性很大，在某些区域内爆炸时危害也很大。 蒸气云特性可燃气体浓度（安全生产技术2008版） 。气云中可燃气体浓度在爆炸极限内。密闭容器中，当可燃气体以上、下爆炸极限与空气混合并引爆，此时产生的压力是初始压力的45倍；以化学当量浓度引爆时，产生的压力可达78倍。化学当量浓度的1.11.5倍为最危险浓度，爆炸强度最高。以空气为准进行计算。,三、蒸气云爆炸相关知识,周围环境：爆炸过程中产生的冲击波受到周围物体的反射，强度也会升高；一维产生的超压最高、二维次之、三维传播时最低（火焰加速机理）。

6、在气云中心点火，超压要高于在气云边缘处点火；在局部受约束区域内部点火，超压要高于开口处点火。 蒸气云爆炸从本质上讲是可燃气体的燃烧过程。气体燃烧分为四个基本形式，在不同的条件下，这些形式又可以相互转化： 定压燃烧、定容爆炸、爆燃、爆轰。 定压燃烧：定压燃烧是无约束敞开型燃烧。燃烧产物能及时向后排放，压力始终保持与初始环境压力相平衡，系统压力是恒定的。 （打火机）,三、蒸气云爆炸相关知识,定容爆炸：定容爆炸是可燃气体与空气的混合物在给定体积的刚性容器内的燃烧过程。爆炸过程释放的能量被气体本身吸收，温度升高，压力升高。 爆燃：如果气体燃烧过程中，火焰遇到约束，或者由于扰动而使火焰在预混气体中逐渐加

7、速，则会建立起一定的压力，形成压力波，这样的过程称为爆燃。爆燃是一种带有压力波的燃烧，火焰以亚音速传播，压力波则以当地音速向前传播，行进在火焰阵面之前，也叫前驱冲击波，因此，爆燃是由前驱冲击波和后随火焰阵面构成的。开敞空间可燃蒸气云的爆炸过程通常属于爆燃过程。,三、蒸气云爆炸相关知识,爆轰：爆轰是气体爆炸的最高形式，它以超音速传播，跨过波阵面，压力和密度都是突变的。燃料一空气炸药的爆炸就是爆轰过程，即在空气中喷洒易燃物质，形成可燃混合物，然后用雷管点燃，从而迅速形成爆轰波，产生强大的杀伤力。 蒸气云中只有部分燃料会产生爆轰，绝大部分为爆燃。,四、蒸气云爆炸模型,建立模型的基本假设：1)蒸气云爆

8、炸场内的气体为可燃物与空气的均匀混合物；2)参与反应的可燃气体完全燃烧（没有副反应）。 蒸气云爆炸模型一般只考虑冲击波的作用，即蒸气云爆炸冲击波预测模型。 根据蒸气云爆炸模型的特点和复杂性分为：数值模型、物理模型和相关模型（三种）。,四、蒸气云爆炸模型,四、蒸气云爆炸模型,典型的相关模型：TNT模型、TNO多能模型。 TNT模型相关知识：目前，对凝聚相爆炸(理想爆源)的研究达到了很高的水平，已经可以对爆炸场进行有效的预测。在此基础上，研究者提出了TNT当量的概念，即采用能量相当的法则，将气云爆炸所产生的冲击波转化为TNT爆炸所产生的冲击波，然后用TNT爆炸的结果与规律预测气云爆炸的强度。 转化

9、公式： 能量当量系数：0.0215.9（根据物质的不同而不同），统计平均值为4%（占60）。(有些书建议取最大值10%） Wf为气云中燃料的质量，kg。Q的单位为J/kg。,四、蒸气云爆炸模型,TNT当量法的关键模型： Z爆炸R处的特征长度，PiR处的爆炸冲击波超压,Cs单位的确定： R=Cs(NE)1/3，R的单位为m，E的单位为kJ，N无量纲。 Cs=R（NE）1/3 单位运算：Csm(kJ)-1/3 m(1000J)-1/3 0.1 mJ-1/3 对照书中给定单位： Cs /（mJ-1/3） 因此，Cs单位应为: 2. R单位的确定（为m）： R=Cs(NE)1/3 单位运算：R=mJ-

10、1/3（kJ）1/3=mJ-1/3J1/310 =10m。即：0.1R=m。 3.结论：以表中Cs单位为基准，E的单位应转换为 J。,15,四、蒸气云爆炸模型,TNT模型的优缺点： 优点是比较简单，使用方便，但是可信度低，这是因为气云爆炸与TNT爆炸有本质的区别: TNT爆炸产生的冲击波是理想冲击波;而可燃气云爆炸波则由前驱冲击波与火焰波构成，速度较快，属于非理想爆炸。它们的冲击波波形相差较大，TNT爆炸形成的冲击波衰减超压大且作用时间短;而气体爆燃超压小，但作用时间长。 TNT爆炸是近似点源、能量瞬时释放的爆炸;气云爆燃是大体积的燃烧加速爆炸，它受到整个气云浓度分布场的限制，气云中各部分是否

11、都在爆燃极限浓度之内，以及燃烧的传播过程中是否受到障碍物的约束都会对爆燃强度产生影响。而正是由于这些因素，气云中的燃料仅有很少一部分燃烧为爆燃提供能量，根据爆燃事故调查的统计数据，气云爆燃的输出能量与总燃烧热之比，最高为10%，最低仅为0.1%绝大多数低于2%。,四、蒸气云爆炸模型,TNO模型：作为TNT当量法的发展，1982年，iekeam提出了TNO模型，1985年，Van den Berg提出了多能模型（multi-energy method），他在TNO模型的基础上，又综合考虑了湍流加速、局部约束等因素对爆燃强度的影响。 TNO模型的基本观点：约束条件是增强气云爆炸威力的关键因素，只有

12、受约束的那部分气云才对爆源强度有作用，而不受约束的那部分蒸气云几乎对爆源强度没有贡献。（、N、） TNO多能模型的假设条件：释放能量等于受约束的那部分气云完全燃烧声生的热值，可燃气体浓度为化学计量比;各部分以释放的能量所能产生的最大超压作为叠加计算的数据。,四、蒸气云爆炸模型,TNO关键模型： 需要查图（选择爆炸级别）,四、蒸气云爆炸模型,TNO模型的优缺点：理论上比较合理，缺点是难以确定 受限区域的尺寸、忽略了敞开气云对爆炸的贡献（本质上为燃烧，90，TNT效率）、10个爆炸级别怎么选取。 TNT模型与TNO模型的比较：这两个模型的预测结果和事故案例观察数据基本上相似。TNO模型预测结果与观

13、测值小，而TNT模型在爆炸近场高估了爆炸超压值，在爆炸远场低估了超压值。,四、蒸气云爆炸模型,易燃、易爆、有毒重大危险源评价法基本模型(引用）：,五、蒸气云爆炸模型的具体公式和方法,无论是物理爆炸还是化学爆炸，爆炸能量向外释放时，大部分能量都是产生空气冲击波。 爆炸冲击波的伤害-破坏范围模拟计算过程主要分为2步：能量的计算和伤害-破坏范围的计算。 一个完整的预测、模拟过程应包括：事故原因分析、事故模式（机理）分析、模型适用条件分析、事故预测模拟过程、结论及建议措施。 能量的预测：见安全评价第三版上册。,五、蒸气云爆炸模型的具体公式和方法,伤害-破坏范围计算的方法： 1）RCs（NE）1/3（实

14、际上也是指数法） 2）TNT当量法： 直接计算法（书） 查表法（TNO多能模型） 指数法,五、蒸气云爆炸模型的具体公式和方法,指数法 死亡半径： （1）R113.6（WTNT/1000）0.37 （重大危险源评价法） （2） （3）R11.98W0.447（学位论文） 爆炸冲击波最大正向超压。,五、蒸气云爆炸模型的具体公式和方法,指数法 重伤半径： （1）R113.6（WTNT/1000）0.37 （重大危险源评价法） （2） （3）R11.98W0.447（学位论文） 爆炸冲击波最大正向超压。,其他,为了对各种不同类别的危险物质可能出现的事故严重度进行评价，根据下面两个原则，来选择事故模型： 最大危险原则： 如果危险源具有多种物质或多种事故状态，按后果最严重的危险物质或事故状态考虑；如果一种危险物质具有多种事故形态，且它们的事故后果相差悬殊，则按后果最严重的事故形态考虑。 概率求和原则 如果一种危险物质具有多种事故形态，且它们的事故后果相差不太悬殊，则按统计平均原理估计总的事故后果。,26,案例,有机化工厂 液化天然气 硫磺 润滑油 硅铁 安全评价教材 耀华玻璃,谢 谢 鉴前世之兴衰 考当今之得失,