第17卷 第4期安全与环境工程Vol.17 No.4
2010年 7月SafetyandEnvironmentalEngineeringJul. 2010
液氨泄露蒸气云爆炸的风险分析
孙 晖,张树海,吴明亮
1
1
2
(1.中北大学化工与环境学院,太原030051;2.东方地球物理勘探有限责任公司,河北涿州072751)
摘 要:采用蒙特卡罗模拟法对液氨泄漏蒸气云爆炸过程中泄漏源参数的不确定性进行分析,并用Matlab数值计算软件绘出距爆炸中心一定范围内发生各级人员伤害风险的概率曲线图,通过该图可以直观地看出液氨泄漏蒸气云爆炸事故后果的影响范围以及冲击波在一定范围内对人体伤害不同等级发生的概率,这对于定量评估液氨蒸气云爆炸事故风险具有重要意义。
关键词:液氨;蒸气云爆炸;蒙特卡罗法;不确定性分析
中图分类号:X932;X928.7 文献标识码:A 文章编号:1671-1556(2010)04-00-03
RiskAnalysisofLiquidAmmonieVapourCloudExplosion
SUNHui1,ZHANGShu-hai1,WUMing-liang2
(1.CollegeofChemicalEngineeringandEnvironment,NorthUniversityofChina,Taiyuan
030051,China;2.BGP,ChinaNationalPetroleumCompany,Zhuozhou072751,China)Abstract:TheparameteruncertaintyofliquidammonieleakingprocesswasanalyzedbymeansofMonte-Carlosimulation.Theconnectioncurvesbetweenpersonnelhurtingrisklevelanddeterminatedistancefromthecenterofammonievapourcloudexplosion(VCE)weredescribedbyMatlab.Thehurtingscopeofam-monieVCEwaveandaccidentriskprobabilityatdifferentlevelswereobservedfromthesecurves.ThismethodissignificanttoassessingVCEaccidentquantitatively.
Keywords:liquidammonie;vapourcloudexplosion;Monte-Carlomethod;uncertaintyanalysis
0 引 言
液氨作为化工企业中常用的原料,用途十分广
泛,常用于石油化工、化肥制造、纤维合成等。液氨是为了贮存和运输的方便,通常采用常温高压或低温加压的方式将氨气液化后的产物,在生产、运输和贮存过程中,由于设备损坏或操作失误常会发生泄漏,大量释放扩散,并与空气混合形成蒸气云团,遇火产生蒸气云燃烧爆炸,极易发生人员伤亡和中毒事故。近年来液氨泄漏事故十分频繁,据不完全统计,我国化工系统发生的重(特)大典型泄漏事故中,液氨泄漏发生次数居首位,其人员伤亡和财产损失均较惨重,因此必须对液氨泄漏事故的危害给予足够的重视。
1 液氨的危险性和蒸气云爆炸的特点
1.1 液氨的危险性
液氨为无色、有刺激性气味的液体,极易汽化为氨气。液氨的密度为0.617g/cm3,沸点为-33℃,具有腐蚀性、毒性,且容易挥发;液氨大量泄漏后,与空气混合形成蒸气云,由于氨蒸气云密度比空气大,遇明火、高热能会引起火灾、爆炸、中毒等重大事故。液氨的爆炸极限为16%～25%,液氨储罐若遇高热,容器内压增大,也有开裂和爆炸的危险。1.2 蒸气云爆炸的特点
蒸气云爆炸(VCE)是由于气体或易挥发液体燃料的大量快速泄漏,与周围空气混合形成“预混云”,在某一有限空间遇点火而导致的爆炸。蒸气云爆炸发生的条件是:在燃料泄漏到空气中和点燃蒸
收稿日期:2010-01-04 修回日期:2010-01-19
作者简介:孙 晖(1982—),女,硕士研究生,主要研究方向为火灾爆炸。E-mail:441677074@qq.com
第4期 孙 晖等:液氨泄露蒸气云爆炸的风险分析
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气云之间存在合适的延迟时间,这样才能形成爆炸混合物;存在较强的点火源或某些火焰加速机理,这
样才能形成强的爆炸波。
态,每个爆燃状态产生的冲击波效应都不一样,很难预测;而如果假定发生的事故是爆轰,则总是能给出最坏情况下的估计。蒸气云密度一般比空气密度大,因此蒸气云爆炸是地面或近地面爆炸,爆炸总能量应为实际能量的1.8倍。在蒸气云爆轰时,其冲击波参数可以用如下公式[2]计算:
RP03
s0ln(ΔP/P)=-0.9126-1.5058ln[1]+
3(1.8WQc)RP03
0.1675ln[1]-3(1.8WQc)2
1
12 液氨泄漏蒸气云爆炸风险评估
2.1 蒸气云爆炸风险评估模型
蒸气云爆炸后果非常严重,存在着较大的风险性。确定其风险大小关键要确定泄漏引起的蒸气云
爆炸的爆源强度进而确定事故发生的概率。爆源强度由泄漏量决定。泄漏孔在液面以下,液体在高压状态下泄漏到外界迅速气化蔓延,当液体连续泄漏,根据流体力学中的伯努利方程可得初始泄漏率为
Q0=CdAHρ2(P-P0)/ρ+2gh根据泄漏源强度的时空模型Qm=Q0-CgρtA/Ar任一时间内总的泄漏量为
W0=0Qmdt=CdAHρt2(P-P0)/ρ+2gh-ρgCdAH2
t2Ar
2
2
2d
2H
[1]
RP03
0.0320ln[1]3(1.8WQc)3
1
(6)
式中:ΔPs为冲击波正相最大超压(Pa);P0为大气压力(Pa);W为蒸气云中对爆炸冲击波有实际贡献的燃料质量(kg);Qc为燃料的燃烧热(J/kg);R为目标到蒸气云中心的距离(m)。
本研究液氨泄漏后形成的蒸气云爆炸适合应用上述风险评估的各个公式进行风险分析和评价。2.2 泄漏源参数的不确定性分析
在风险分析中,不确定性包括模糊性与随机性两类。模糊性的不确定性,主要源于风险本身所固有的模糊属性,采用模糊数学的方法来刻画与研究;而随机性的不确定性,主要源于风险外部的各种随机因素,如信息的不完善、对液氨储罐泄漏过程认识
的不充分,造成对给定参数的大小和出现的概率不能做出准确的估算,采用概率论与数理统计的方法来刻画与研究。数学模型的输入参数分成两类:一类是相对可以精确确定的参数,如状态变量、介质密度、燃料的燃烧热等;另一类是不能精确确定的随机参数,如泄漏孔形状和面积、泄漏的地理状况、环境因素等。蒙特卡罗模拟法是目前用于定量风险分析中参数不确定性研究的最常用方法之一。蒙特卡罗模拟法是对数学模型中每个存在不确定性的输入参数构造概率密度函数,对每个输入参数在概率密度函数基础上产生大量随机数,同时将每个随机数代入模型中产生大量输出值,对输出值进行统计分析得出结论。
在蒸气云爆炸风险评估模型中,假设储罐内储存压力及环境压力稳定,某一时刻的蒸气云爆炸事故后果伤害范围由不确定参数泄漏系数Cd和泄孔面积AH决定。裂口形状不同,泄漏系数不同[3]。一般而言,泄漏系数Cd在0.6～1.0之间取值。常压下的液体泄漏速度,取决于裂口之上液位的高低;非常压下的液体泄漏速度,主要取决于储罐内介质(1)(2)
:
∫
t
(3)
上式中:Q0为初始液体泄漏率(kg/s);Qm为液体泄漏率(kg/s);Cd为泄漏系数,无量纲;AH为泄孔的面积(m);Ar为储罐内液面积(m);ρ为储存介质的密度(kg/m3);h为孔上液位高度(m);t为泄露时间(s);g为重力加速度(m/s2);P为罐内储存压力(Pa);P0为环境压力(Pa);W0为泄漏量(kg)。
当储罐内的液体是过热液体,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少而突然蒸发。蒸发所需要热量取自于液体本身,而储罐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可按下式计算:
T-T0
F=CP×100%
H
(4)
2
2
式中:CP为液体的定压比热[J/(kg·K)];T为泄漏前液体的温度(K);T0为液体在常压下的沸点
(K);H为液体的汽化热(J/kg)。
在只考虑单孔连续泄漏的情况下,对爆炸冲击波有实际贡献的燃料质量可近似为
W=F·W0
(5)
蒸气云的爆轰需要很强的点火能量,因此蒸气云爆炸事故一般是爆燃过程,极少是爆轰过程,但火焰的加速和泄爆产生的灼热湍流射流可使爆燃转变为爆轰。爆燃不是一个状态,而有无数个可能的状 安全与环境工程 第17卷66
压力与环境压力之差和液位高低。不同的容器、不同的泄漏部位及不同的损坏原因造成泄漏孔不同的损坏形状和尺寸,泄孔面积AH取值具有不确定性。2.3 人员受伤风险等级
VCE的破坏作用有爆炸冲击波、爆炸火球热辐射对周围人员、建筑物、储罐等的伤害、破坏作用,其中爆炸冲击波的破坏作用最强、破坏区域最大,主要是由超压引起的。在离爆破中心一定距离的地方,空气压力会随时间迅速发生悬殊的变化,开始时压力突然升高,产生一个很大的正压力,接着又迅速衰减,在很短时间内正压降至负压;如此反复循环数次,压力渐渐衰减。开始时产生的最大正压力即是冲击波波阵面上的超压ΔPs,超压可以达数十个大气压[4]。根据冲击波的超压准则确定冲击波对人体的伤害风险等级如表1所示。
表1 冲击波对人体伤害的风险等级
Table1 RisklevelsforhumaninjuryfromVCEshockwave
ΔPs/(kPa)20～3050～100>100
人体伤害风险等级Ⅰ级,风险小(轻微挫伤)
炸中心30m内的风险大,风险等级为Ⅳ级。由此可见,风险概率曲线可以直观地看出蒸气云爆炸波
的影响范围以及距爆炸中心一定距离范围内发生各级风险的概率。同理,可求得冲击波超压对建筑物在不同破坏等级下发生概率的曲线。若已知该区域内的人员分布和建筑物财产情况,可估算出事故发生的风险。
30～50Ⅱ级,中等风险(视觉器官损伤、内脏轻度出血、骨折等)
Ⅲ级,风险比较大(内脏严重挫伤,可引起死亡)
Ⅳ级,风险很大(大部分死亡)
图1 蒸气云爆炸波人体伤害风险等级概率曲线Fig.1 Probabilityregressioncurvesofdifferlevels
ofriskbyVCEshockwave
3 实例应用
液氨储罐容积50m3,储存压力P为12MPa,环境压力P0为1.01×10Pa,储存温度T为298K,常压下沸点T0为240K,密度ρ为0.617×10
3
2
3
5
4 结 语
液氨储罐泄漏引起蒸气云爆炸事故存在很多不确定因素,笔者提出的一种基于蒙特卡罗模拟的不确定性分析法,可绘制出距爆炸中心一定范围内发
生人体伤害各级风险的概率曲线图,较直观地表明VCE事故后果的影响范围以及冲击波在一定范围内对人体伤害不同等级在一定范围内发生的概率,这对于定量评估液氨泄漏蒸气云爆炸事故风险具有重要的意义。参考文献:
[1]杨海,张一先,王剑春.液化石油气储槽两次爆炸事故的不确定
性影响分析[J].石油与天然气化工,2002,31(3):156-160.[2]王若菌,蒋军成.LPG蒸气云爆炸风险评估中的参数不确定性分
析[J].南京工业大学学报,2005,27(6):12-15.
[3]张一先,张隆.管道煤气泄漏事故评估的不确定性[J].煤气与热
力,2000,10(1):9-13.
[4]刘铁民,张兴凯,刘功智.安全评价方法应用指南[M].北京:化
学工业出版社,2005.
kg/m。液氨泄漏系数Cd为0.60～0.90,泄孔的面积AH为0.01～0.03m,储罐内液面积Ar为20m,孔上液位高度h为0.5m。液氨的定压比热Cp为2.112×10J/(kg·K),燃烧热Qc为1.861×10J/kg,g取10m/s,汽化热H为1.37×10
7
2
6
3
2
J/kg。
应用Matlab数值计算软件,进行液氨泄漏蒸气云爆炸的量化风险分析和安全评价。设泄孔的面积AH和液氨泄漏系数Cd均为服从均匀分布的随机变量,可以用Matlab内置函数产生,随机抽样1万次。应用上述蒙特卡罗模拟法及风险等级,求得蒸气云爆炸对人体伤害不同等级风险的概率曲线,如图1所示。由图1可见,在距离液氨泄漏蒸气云爆
