《安全系统工程 第2版 教学课件 ppt 作者 徐志胜 第六章典型事故影响模型与计算（新）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《安全系统工程 第2版 教学课件 ppt 作者 徐志胜 第六章典型事故影响模型与计算（新）（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/5/20,1,安全系统工程Safety System Engineering,2019/5/20,2,第六章 典型事故影响模型与计算,2019/5/20,3,主要内容,6.1 泄漏模型 6.2 扩散模式 6.3 火灾模型 6.4 爆炸模型 6.5 事故伤害的计算方法,安全系统工程,2019/5/20,4,泄漏主要包括液体泄漏、气体泄漏和两相流泄漏等,6.1 泄漏模型,6.1.1 液体泄漏模型,液体泄漏量可根据流体力学中的伯努利方程计算泄漏量。当发生泄漏的设备的裂口是规则的，而且裂口尺寸及泄漏物质的有关热力学、物理化学性质及参数已知时，可根据流体力学中的有关方程式计算泄漏量。当裂口不规
2、则时，可采用等效尺寸代替；当泄漏过程中压力变化时，则往往采用经验公式。,2019/5/20,5,Q 液体泄漏速度，kg/s； Cd液体泄漏系数，按表6-1选取； A裂口面积，m2； 泄漏液体密度，kg/ m3； P容器内介质压力，Pa； P0环境压力，Pa g重力加速度，9.8 m/ s2； h裂口之上液位高度，m。,表6-1 液体泄漏系数Cd,2019/5/20,6,当容器内液体是过热液体，即液体的沸点低于周围环境温度，液体流过裂口时由于压力减小而突然蒸发。蒸发所需热量取自于液体本身，而容器内剩下的液体温度将降至常压沸点。在这种情况下，泄漏时直接蒸发的液体所占百分比F可按下式计算：,Cp液体
3、的定压比热，J/kgK； T泄漏前液体的温度，K； T0液体在常压下的沸点，K； H液体的气化热，J/kg。,2019/5/20,7,6.1.2 气体泄漏模型,气体从裂口泄漏的速度与其流动状态有关。因此，计算泄漏量时首先要判断泄漏时气体流动属于音速还是亚音速流动，前者称为临界流，后者称为次临界流。,当下式成立时，气体流动属音速流动：,当下式成立时，气体流动属亚音速流动：,k气体的绝热指数（等熵指数），即定压比热Cp与定容比热CV之比。,2019/5/20,8,气体呈音速流动时，其泄漏量为：,气体呈亚音速流动时，其泄漏量为：,Cg气体泄漏系数，当裂口形状为圆形时取1.00，三角形时取0.95，长
4、方形时取0.90 Y气体膨胀因子，它由下式计算：,A裂口面积，m2； M分子量； 气体密度，kg/ m3； R普适气体常数，J/molK，通常取R8.31436； T气体温度，K。,2019/5/20,9,表6-2 常用气体的绝热指数,2019/5/20,10,6.1.3 两相流泄漏模型,在过热液体发生泄漏时，有时会出现气、液两相流动。均匀两相流动的泄漏速度可按下式计算：,Q两相流泄漏速度，kg/s； Cd两相流泄漏系数，可取0.8； A裂口面积，m2； P两相混合物的压力，Pa； Pc临界压力，Pa，可取Pc =0.55Pa； 两相混合物的平均密度，kg/ m3，它由下式计算：,（6-11）
5、,2019/5/20,11,1液体蒸发的蒸气密度，kg/ m3； 2液体密度，kg/ m3； Mv蒸发的液体占液体总量的比例，它由下式计算：,Cp两相混合物的定压比热，J/kgK； T两相混合物的温度，K； Tc临界温度，K； Hv液体的气化热，J/kg。,当Mv 1时，表明液体将全部蒸发成气体，这时应按气体泄漏公式计算；如果Mv很小，则可近似按液体泄漏公式计算。,2019/5/20,12,如果管道长度和管道直径之比L/D12，先按前面介绍的方法计算纯液体泄漏速率和两相流泄漏速率，再用内插法加以修正。两相流实际泄漏速率的计算公式为：,式中，Q、Qv1和Q1分别为两相流实际泄漏速率、按式（6-1
6、1）计算出来的两相流泄漏速率和纯液体泄漏速率，kg/s。,如果管道长度和管道直径之比L/D2，一般认为泄漏为纯液体泄漏。,2019/5/20,13,6.2 扩散模式,根据气云密度与空气密度的相对大小，将气云分为重气云、中性气云和轻气云三类。 重气云是指气云密度显著大于空气密度的气云，这类气云将受到方向向下的负浮力（即重力）作用。 轻气云是指气云密度显著小于空气密度的气云，这类气云将受到方向向上的正浮力作用。 中性气云是指气云密度与空气密度相当的气云，这类气云将不受明显的浮力作用。 轻气云和中性气云统称为非重气云。,2019/5/20,14,图6-1 烟羽扩散模式示意图,图6-2 烟团扩散模式示
7、意图,连续泄露源泄露物质的扩散示意图,瞬间泄露源泄露物质的扩散示意图,连续泄漏源如连接在大型储罐上的管道穿孔，柔性连接器处出现的小孔或缝隙、连续的烟囱排放等。,瞬间泄漏源如液化气体钢瓶破裂、瞬间冲料形成的事故排放、压力容器安全阀异常启动、放空阀门的瞬间错误开启等,2019/5/20,15,危险化学品事故扩散简化分析假设： （1）气云在平整、无障碍物的地面上空扩散； （2）气云不发生化学反应和相变反应，也不发生液滴沉降现象； （3）危险品泄漏速度不随时间变化； （4）风向为水平方向，风速和风向不随时间、地点和高度变化； （5）气云和环境之间无热量交换。,2019/5/20,16,6.2.1 非重
8、气云扩散模型,除了本节第一部分提出的那些假设外，高斯模型还使用了如下假设： （1）气云密度于环境空气密度相当，气云不受浮力作用； （2）云团中心的移动速度和云羽轴向蔓延速度等于环境风速； （3）云团内部或云羽横截面上浓度、密度等参数服从高斯分布（即正态分布）。,建立如下坐标系OXYZ：其中原点O是泄漏点在地面上的正投影，X轴沿下风向水平延伸，Y轴在水平面上垂直于X轴，Z轴垂直向上延伸。,2019/5/20,17,根据高斯模型，泄漏源下风向某点（x,y,z)在t时刻的浓度用下面的公式计算。,瞬间泄漏扩散模型为：,连续泄漏扩散模型为：,2019/5/20,18,6.2.2 重气云扩散模型,盒子模型
9、用来描述危险气体近地面瞬间泄漏形成的重气云团的运动，平板模型用来描述危险气体近地面连续泄漏形成的重气云羽的运动。这两类模型的核心是因空气进入而引起气云质量增加的速率方程。,1盒子模型 （1）基本假设 除了本节第一部分提出的那些假设外，盒子模型还使用了如下假设： 重气云团为正立的坍塌圆柱体，圆柱体初始高度等于初始半径的一般。 在重气云团内部，温度、密度和危险气体浓度等参数均匀分布。 重气云团中心的移动速度等于环境风速。,2019/5/20,19,（2）扩散分析 坍塌圆柱体的径向蔓延速度由下式确定：,（3）转变点计算 随着空气的不断进入，重气云团的密度将不断减小，重气坍塌引起的扩散将逐步让位于环境
10、湍流引起的扩散。目前，判断重气坍塌过程终止的常用准则为 准则,准则认为，如果小于或等于某个临界值（在0.0010.01之间），重气坍塌引起的扩散将让位于环境湍流引起的扩散。,2019/5/20,20,2.平板模型 （1）基本假设 除了本节第一部分提出的那些假设外，平板模型还使用了如下假设：,重气云羽横截面为矩形，下风向距离为x米出的云羽横风向半宽b（m），垂直方向高度为 h（m）。在泄漏源点，云羽横风向半宽为高度的两倍，即b0=2h0 。 重气云羽横截面内部，温度、密度和危险气体浓度等参数均匀分布。 重气云羽中心的轴向蔓延速度等于环境风速。,（2）扩散分析,（3）转变点计算,2019/5/20
11、,21,6.3 火灾模型,易燃、易爆的气体、液体泄漏后遇到引火源就会引发火灾。火灾对周围环境的应先主要在于其辐射热，火灾辐射热的影响范围一般均在200m左右的近火源区域.火灾主要有三种类型，即池火灾、喷射火、固体火灾。,6.3.1 池火灾,定义：可燃液体泄漏后流到地面或流到水面并覆盖水面，形成液池，遇点火源形成的火灾称为池火,1计算池直径,2燃烧速度,3火焰高度,4火焰表面热辐射通量,5目标接受热辐射强度,2019/5/20,22,6.3.2 喷射火灾,加压的可燃气体泄漏时形成射流，如果在泄漏裂口处被点燃，将形成喷射火灾，使得周围的人员和财产受到损失。,假定火焰为圆锥形，并用从泄漏处到火焰长度
12、4/5处的点源模型来表示。,1火焰长度,2目标接受的热辐射通量,6.3.3 固体火灾,固体火灾的热辐射参数按点源模型估计。此模型认为火焰射出的能量为燃烧的一部分，并且辐射强度与目标至火源中心距离的平方成反比。,2019/5/20,23,6.4 爆炸,爆炸是物质的一种非常急剧地物理、化学变化，也是大量能量在短时间内迅速释放或急剧转化成机械功的现象。一般说来，爆炸现象具有以下特征： 1）爆炸过程进行得很快； 2）爆炸点附近压力急剧升高，产生冲击波； 3）发出或大或小的响声； 4）周围介质发生震动或邻近物质遭受破坏。 一般将爆炸过程分为两个阶段：第一阶段是物质的能量以一定的形式（定容、绝热）转变为强
13、压缩能；第二阶段强压缩能急剧绝热膨胀对外做功，引起作用介质变形、移动和破坏。,2019/5/20,24,根据能量释放过程的性质，爆炸分为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸。 物理爆炸就是物质状态参数（温度、压力、体积）迅速发生变化，在瞬间放出大量能量且对外做功的现象。其特点是在爆炸现象发生过程中，造成爆炸发生的介质的化学性质不发生变化，发生变化的仅是介质的状态参数。 化学爆炸是物质由一种化学结构迅速转变为另外化学结构，在瞬间放出大量能量且对外做功的现象。其特点是在爆炸现象发生过程中，介质的化学性质发生变化；形成爆炸的能源来自物质迅速发生化学变化时所释放的能量。 核爆炸是指某些物质的原子核发生裂变反应或
14、聚变反应，瞬间放出巨大能量而形成的爆炸现象。 发生化学爆炸时会释放出大量的化学能，爆炸影响范围较大；而物理爆炸仅释放出机械能，其影响范围较小。,2019/5/20,25,6.4.1 物理爆炸,物理爆炸时，气体膨胀所释放的能量（即爆炸能量）不仅与气体压力和容器的容积有关，而且与介质在容器内的物性相态相关。,1. 压缩气体与蒸汽容器的爆炸能量 （1）压缩气体容器的爆炸能量,可按理想气体绝热膨胀做功公式计算，,2019/5/20,26,（2）饱和蒸汽容器的爆炸能量,对于常用压力下的饱和蒸汽容器的爆炸能量可按下式计算：,2. 介质全部为液体时的爆炸能量,通常用液体加压时所作的功作为常温液体压力容器爆炸
15、时释放的能量，计算公式如下：,2019/5/20,27,3. 液化气体和高温饱和水容器的爆炸能量,在液氯、液氨储罐及锅炉汽包等压力容器内，介质一般以气、液两种物态存在，介质工作压力大于大气压力，介质温度高于其在大气压力下的沸点（也称“过热”）。当容器破裂发生爆炸时，除了气体急剧膨胀对外做功外，还有过热液体激烈的蒸发过程。,（1）液化气体容器的爆炸能量 液化气体容器破裂爆炸释放出的能量可按下式计算：,2019/5/20,28,（2）饱和水容器的爆炸能量,常用压力下饱和水的爆炸能量可按下列简化公式计算：,2019/5/20,29,表6-12 常用压力下饱和蒸汽的爆炸能量系数（k=1.135）,表6
16、-13 常用压力下饱和水的爆炸能量系数,比较饱和水蒸汽和饱和水爆炸能量系数，可以发现，饱和水的爆炸能量系数约为蒸汽的几十倍。这表明，饱和水的能量约为同体积、同压力的饱和蒸汽的几十倍，所以在锅筒中，即使饱和水与饱和蒸汽各占一半的容积，饱和蒸汽的爆炸能量也不到全部爆炸能量的10。,2019/5/20,30,4. 压力容器爆炸时的冲击波能量,压力容器爆炸时，其爆炸能量以冲击波能量、破片能量和容器残余变形能量三种形式向外释放。研究表明，后两种形式所消耗的能量只占总爆炸能量的3%15%，即爆炸能量的主要形式是冲击波。,冲击波的伤害、破坏作用是由超压引起的，冲击波超压对人体的伤害及对建筑物的破坏作用见表6-14和表6-15。,2019/5/20,31,表6-14 冲击波超压对人体的伤害作用,2019/5/20,32,表6-15 冲击波超压对建筑物的破坏作
