（环境工程专业论文）典型工业泄漏事故模型研究与计算程序设计.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t s t u d yo nm o d e lo fc o m m o ni n d u s t r i a l a c c i d e n t c a u s e d b yl e a k i n ga n dd e s i g n f o ras o f t w a r e c a n d i d a t e ： t a n gx i a o l e i s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l t y ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： p r o f l i um a o 仞品年钿纩日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在乙年解密后适用 本授权书。 、o 馥 学位论文作者签名： 讴j 、磊 指导教师签名：卿 解密时间：删年，月芗歹日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 11jp?j ，_ j p ?jj-j j j ” f ”j j j 一j ? hh ? j j _ _ j j _ _ ? ? j ”“_ _ _ j 一”? “”j j _ 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年)| 秘密1 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年)； 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大 本人郑重声明： 行研究工作所取得的 论文的研究成果不包 发表的作品的内容。 人和集体，均已在文 法律责任由本人承担 摘要 摘要 现代化工产业的迅速发展，为人类的文明进步起了巨大的推动作用，然而 伴随进步而来的，也有巨大的安全隐患。一些易燃易爆有毒化学品在生产、运 输、存储过程中，经常会发生事故性泄漏，继而发生的扩散、火灾、爆炸等事 故严重威胁了人民群众的生命财产安全。为了预防这些事故的发生，或在事故 发生后将损失降低到最低，对物质泄漏后一些常见的事故进行总结研究有着非 常重要的现实意义。 该文在大量查阅文献的基础上，对工业生产过程中常见危险源的泄漏模式 如气体泄漏、液体泄漏和有关的事故后果模型如气体扩散、液体扩散、池火灾、 沸腾液体扩展蒸气爆炸( b l e v e s ) 火球、凝聚相爆炸、蒸气云爆炸进行了总结。 在这些模型的基础上，运用v i s u a lb a s i c n e t 高级编程语言建立了常见工业泄 漏事故后果计算软件。该软件包括泄漏计算、事故危害计算、常见危险化学品 数据库三大模块。并运用该计算软件对一些具体的泄漏后的工业危害事故，如 液氨的扩散导致人员中毒事故、池火灾事故、液氯泄漏后的扩散事故、2 0 0 5 年 松花江水污染事故等进行了事故后果模拟计算。实际运用表明，该计算软件稳 定可靠，计算结果可信，具有较强的实用性、可操作性，计算结果能以报告表 格的形式进行保存，对今后开展安全评价工作和安全工程的教学研究有一定的 参考价值。 关键词：工业事故泄漏扩散火灾爆炸计算软件 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r , t h ed e v e l o p m e n to fc h e m i c a li n d u s t r yh a sd e v e l o p e dt h e h u m a nc i v i l i z a t i o nr a p i d l y h o w e v e ls o m eh i d d e nt r o u b l ei s g o i n gw i t h t h e d e v e l o p m e n t m o r ea n dm o r eh a z a r d o u ss u b s t a n c ew a sr e l e a s e dd u et oa c c i d e n t s ， t h e nf i r e ，e x p l o s i o no rd i f f u s i o nh a p p e n s t op r e v e n tt h e s ea c c i d e n t s ，o rt or e d u c et h e h a r m ，as t u d yo ft h e s ea c c i d e n t si sv e r yn e c e s s a r y i nt h i st h e s i s ，o nt h eb a s i so fc o n s u l t i n gal a r g en u m b e ro fd o c u m e n t s ，s o m e l e a k i n gm o d e l so fc o m m o nd a n g e r o u ss o u r c e ss u c ha sa i rl e a k i n g ，l i q u i dl e a k i n ga n d t h em l a t i v em o d e l so f c o n s e q u e n tp o o lf i r e ，b o i l i n gl i q u i de x p a n d i n gv a p o r e x p l o s i o n s ( b l e v e s ) ，s o l i dm a t t e re x p l o s i o n ，v a p o re x p l o s i o na n dd i f f u s i o na f t e r l e a k i n gd u r i n gi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , t r a n s p o r t a t i o na n dr e s e r v a t i o nh a v e b e e n s u m m a r i z e d ak i n do fs o f t w a r ei ss e tu pb yt h ev i s u a lb a s i c n e ta d v a n c e d p r o g r a m m i n gl a n g u a g et oc a l c u l a t er e l a t i v em o d e l s t h es o f t w a r ei sc o m p o s e do f l e a k i n gc a l c u l a t i n gm o d u l e ，a c c i d e n ts i m u l a t i n gm o d u l e ，c o m m o nd a n g e r o u s c h e m i c a l s d a t a b a s em o d u l e t h es o f t w a r ew a su s e dt os e tu pas i m u l a t i o no f c a l c u l a t i n gt h ec o n s e q u e n c e so fi n d u s t r i a lh a z a r d o u sa c c i d e n t ss u c ha sp e r s o n i n t o x i c a t i o na c c i d e n tb ya m m o n i al i q u i dd i f f u s i o n ，p o o lf i r ea c c i d e n t ，a n dd i f f u s i o n a f t e rc h l o r i n el i q u i dl e a k i n g ，p o l l u t i o na c c i d e n ti ns o n g h u a j i a n gr i v e ri nt h ey e a r 2 0 0 5 ，e t c i tw a ss h o w e di np r a c t i c et h a tt h es y s t e mi ss t e a d y , r e l i a b l e ，e a s y h a n d l i n g a n de f f e c t i v ew i t haw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n ，a n dt h er e s u l tc a nb es a v e da sar e p o r t m o r e o v e ri th a st h ep o t e n t i a lt os e r v ea sav a l u a b l er e f e r e n c ef o rs a f e t ya s s e s s i n ga s w e l la st h et e a c h i n ga n dr e s e a r c ho fs a f e t ye n g i n e e r i n gi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：i n d u s t r i a la c c i d e n t ；l e a k ；d i f f u s i o n ；f i r e ；e x p l o s i o n ； c a l c u l a t i v es o f t w a r e i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 第一节课题背景及意义1 第二节国内外泄漏扩散模型研究概况2 第三节本课题主要研究内容4 第二章常见工业泄漏事故后果计算软件结构设计5 第一节引言5 第二节软件的编译环境5 第三节软件的设计结构6 第四节软件的主要功能7 第五节软件的运行环境8 第三章常见泄漏事故计算模型总结及程序设计9 第一节引言9 第二节典型的泄漏计算9 3 2 1 气体经小孔泄漏9 3 2 2 液体管道内流动1 2 3 2 3 液体经管道上小孔泄漏1 7 3 2 4 储罐中的液体经小孔泄漏1 8 3 2 5 两相流泄漏2 2 第三节危险物质泄漏扩散计算2 4 3 3 1 非重气扩散的计算2 4 i i i 目录 3 3 2 重气扩散的计算3 1 3 3 3 泄漏物质在水中的扩散3 6 第四节典型的工业火灾事故计算4 2 3 4 i 火灾的危害作用4 2 3 4 2 池火灾计算4 3 3 4 3b l e v e 火球计算5 2 第五节典型的工业爆炸事故计算5 8 3 5 1 凝聚相爆炸计算5 8 3 5 2 蒸气云爆炸计算6 2 第四章典型危险化学品泄漏事故后果分析与程序应用6 6 第一节液氨储罐泄漏扩散事故后果评价6 6 4 1 - 1 基本假设与初始条件6 6 4 1 2 评价程序6 7 4 1 3 计算结果与分析6 7 第二节汽油储罐泄漏池火灾事故的后果评价6 9 4 2 1 基本假设与初始条件6 9 4 2 2 评价程序6 9 4 2 3 计算与结果分析7 0 第三节液氯泄漏扩散事故后果评价7 4 4 3 i 基本假设与初始条件7 4 4 3 2 评价程序7 4 4 3 3 计算与结果分析7 4 第四节2 0 0 5 松花江污染事故后果评价7 6 4 4 i 事故起因与初始条件7 8 4 4 2 评价程序7 8 4 4 3 计算结果与分析7 8 第五章常见危险化学品数据库查询及管理8 1 i v 结论 致谢 参考文献 第一章绪论 第一节课题背景及意义 现代科学技术和工业生产的迅猛发展，为人类提供更好的物质生活条件的 同时，也隐藏着极为严重的潜在的危害。例如，1 9 8 4 年的印度博帕尔毒气泄漏 事故；2 0 0 3 年重庆开县1 2 2 3 特大井喷事故；2 0 0 5 年中石油吉林石化双苯厂的 爆炸事故并由此引发的松花江水严重污染事故。这些事故尽管起因和后果不尽 相同，但它们都有一些共同特点，即事故发生的根源是设施或系统中储存或存 在着大量的有毒易燃易爆的危险物质。有关部门初步调查表明，在我国可能酿 成化学突发事故危险性的主要毒物有【l 】：光气，甲基异氰酸盐，氯气，甲醛， 氯丙烯，氯乙烯，二硫化碳，甲胺，二甲胺，一氧化碳，氨，氢氰酸，苯，氟 化氢等。根据不完全统计，自1 9 4 9 年1 0 月以来，我国化工系统曾发生过重( 特) 大典型泄漏事故约5 1 起，其中由泄漏导致中毒、火灾、爆炸事故为4 1 起；而 由爆炸等原因导致的泄漏中毒事故为1 0 起。这5 l 起重( 特) 大典型事故中共 涉及危险物质2 4 种，从事故的发生频率和事故所造成的伤亡人数分析，应优先 考虑并进行控制的危险物质依次是：液氯、液氨、液化石油气、氯乙烯、苯、 一甲胺、一氧化碳、硫化氢等嵋j 。这些有害物质在化工、石油、染料以及其它 行业中广泛运用，如果在生产、储存或运输过程中由于操作失误或其它原因， 致使这些危险性物质泄漏出来，就会对居民和环境造成极大的危害。由于易燃 易爆以及毒性物质泄漏造成惨重损失的报道在国内外屡见不鲜。重大恶性工业 事故的不断发生，使人们认识到，现代工业生产潜在着巨大的危险性。一旦事 故发生，不仅在工厂内部，而且在相邻地区，对人员生命、财产和环境都将遭 受到巨大的损失。 为了预防工业生产中因危险物质泄漏而发生的火灾、爆炸、中毒等事故， 并对可能发生事故提供积极补救措施，对危险源进行辩识和对可能发生事故的 后果进行评价是很有必要的。危险源的辩识是用某种方法来找出潜在的危险因 素。其主要手段是安全分析，通过应用安全分析方法来辩识出危险源，然后加 以控制。迄今，对安全评价( 也称危险性评价或风险评价，国外称h a z a r d a s s e s s m e n t ) 方法的研究已较深入，对不同系统的不同阶段有与之相适应的安 第一章绪论 全评价方法。国内外当前应用于化学工厂的安全评价方法主要有美国的道化学 公司( t h ed o w c h e m i c a lc o m p a n y ) 的火灾爆炸指数f & e i ( f i r ea n de x p l o s i o n ) 法( d o w 化法) ，英国帝国公司( i c i ) 的蒙德法( m o n d ) ，我国兵器系统创 立的火炸药危险源的b z a 1 评价法p j ，日本劳动省化工厂安全评价六阶段法， 德国b a s f 公司的标准安全调查法，瑞士z u r i c h 保险公司开发的危险分析 ( z h a ) 。s a n d o z 公司开发的工艺过程风险性分析法( p r o r a ) ，日本神奈川 的关于高压气体设施的危险度评价法，东莱工艺危险度评价法，格雷厄姆一金 尼评价法，我国的化工企业安全评价法，光气及光化产品生产三段安全评价法 等等。通过这些方法，可以对化工企业的整个生产系统或某个局部的生产单元 的危险性进行系统的评估，并指出有待改进完善的地方，以避免重大危险事故 的发生。 除了通过对危险源的事前评估以外，还可以对易燃易爆有毒物质泄漏进行 后果评价。事故后果评价主要是指对可能发生或己发生的具体事故运用相应的 泄漏扩散模型计算出危害物质的扩散范围，然后运用燃烧和爆炸方面的理论和 它们的危害评价标准，计算出可能发生火灾、爆炸甚至爆轰的危害范围。本文 以这些泄漏、燃烧、爆炸、中毒的模型为基础，建立危险物质泄漏及其事故后 果计算软件，并对一些典型的事故危害进行模拟计算。 第二节国内外泄漏扩散模型研究概况 目前关于易燃易爆有毒物质的泄漏扩散模型，国内外众多学者做了大量的 工作【4 j ，比较有名的模型有美国e n s r 咨询工程公司的a l r o x 模型、美国空 军的a f t o x 的模型、美国r a d i a n 公司的c h a r m 模型、美国环境保护局的 i n p u f 的模型、英国剑桥环境研究咨询公司和加拿大环境技术研究所联合开发 的g a s t a r 模型、美国劳伦斯一利弗莫尔国家实验室的s l a b 模型、美国杜邦 公司的t r a c e 模型、美国空军坎布里奇研究实验室的o b d g 模型、美国 e n v i r o s o f t 公司的s p i l l 模型、我国化工劳动保护研究所的hl y 模型等。有关 有毒液体泄漏后在水中的扩散情况，有关文献资料不是太多，这将是以后研究 的一个方向；而有关易燃易爆有毒物质在大气中的扩散情况则研究的较多。气 体扩散形成原始气团的过程时有两种扩散形式：喷射扩散和绝热扩散【5 1 。气体 泄漏后，经过原始气团释放过程，形成易燃易爆有毒气体一空气混合气云。混 2 第一章绪论 合气云在大气中的扩散，根据混合气体的密度等差异，可分为三种扩散模式： 稠密气团( 重气) 扩散、中等密度气团扩散和羽状烟流扩散等。国内关于危险 气体在大气中的扩散研究报导较少。国外在这方面的研究工作始于七、八十年 代，直到现在该领域的研究还比较活跃。在此期间，提出了不少扩散的计算模 型，同时也进行了许多大规模试验。主要的数值扩散模型有高斯模型 ( g a u s s l a n p l u m e p u f f m o d e l ) ， b m ( b r i t t e ra n dm c q u a i d ) 模型、s u t t o n 模型、 f e m 3( 3 df i n i t ee l e m e n tm o d e l ) 等等。高斯模型适用于点源的扩散，早在 五、六十年代就己经被应用。它从统计方法入手，考察扩散介质的浓度分布。 p l u m em o d e l ( 烟羽模型) 适用于连续源的扩散，p u f fm o d e l ( 烟团模型) 适用 于短时间泄漏的扩散( 即泄放时间相对于扩散时间比较短的情形，如突发性泄 漏等) 。在这些模型中有一种特殊的气体泄漏情况，即重气的扩散情况。在化工 和石油化工行业，经常要进行涉及到可燃易爆或毒性物质的作业。而其中的大 多数物质一旦泄漏到大气环境中就会由于较重的分子质量( 如c 0 2 ) 、低温( 如 液化天然气) 和化学变化等原因形成比周围环境气体重的重气云团，严重地危 害生态与环境、并带来火灾与爆炸的潜在危险。重气泄漏扩散过程是国内外众 多学者竞相研究的热点课题，至今己经建立了大量的、不同类型的重气扩散模 型来描述重气云团的扩散过程，且平均每年仍有1 0 个左右的新的重气扩散模型 问世【6 】o 易燃易爆物质泄漏后与空气混合到达燃烧极限并遇到适当点火源时，便会 发生火灾。发生的火灾类型有四种类型：1 ) 池火；2 ) 喷射火：3 ) 火球和沸腾液体 扩展蒸气爆炸( b l e v e s ) ；4 ) 突发火。若可燃气体和空气混合形成可燃气一空 气混合云团，其中9 0 - - 1 0 0 发生火灾，有不到1 0 可能发生危害巨大的气云 爆轰 7 1 。有关池火的模型【8 】有荷兰应用科学研究院( t n o ) 的模型、t h o m a s 模 型、b r o t z 模型、h e s k e s t a d 模型、s c h n e i d e r - h o f r n a n n 模型、m o r r h o u s e 模型等 等。蒸气云爆燃形成的火球和沸腾液体爆炸( b l e v e ) 形成的火球，产生强烈 的热辐射，对周围人员和设备设施可能造成伤害和破坏。国内外关于火球有许 多模型，如世界银行国际信托公司的工业污染评价所用的 m o o r h o w s e p r i t c h a r d r o b e a s 模型，美国的g a y l e h i g h 模型、日本长谷川模式、 美国f a y 模型等等。可燃气云爆炸的危害十分巨大，然而由于气云爆炸的危险 性和复杂性，研究工作难度较大。欧洲国家在这方面做了很多工作，进行了理 论分析、实验研究和数值模拟，但至今尚未形成一致的结论。目前可用于气云 第一章绪论 爆炸设计计算的方法主要有两种【9 】：t n t 当量法和t n o 多能( m u l t i e n e r g y ) 模型法。由于对t n t 炸药威力已进行了大量研究工作，目前己能有效地预测其 爆炸场和对物体的破坏作用。 目前，有关物质泄漏扩散模型，除了针对常规的日常连续排放源而建立， 人们更加重视针对突发事故的非定常源的泄漏扩散模型。在扩散模型中， g a u s s i a n 模型由于提出时间比较早，实验数据多，因而较为成熟，但它只适用 于中性气体，模拟精度较差。实际生产中大多数物质一旦泄漏到大气环境中就 会由于较重的分子质量( 如c 0 2 ) ，低温( 如l n g ) 和化学变化等原因形成比 周围环境气体重的重气云团，严重地危害生态与环境、并带来火灾与爆炸的潜 在危险。目前重气泄漏扩散过程是国内外众多学者竞相研究的热点课题。利用 三维计算模型进行模拟，用有障碍物条件下的湍流统计理论分析研究复杂地形 下气体扩散是目前的一个研究趋势。随着计算机技术的发展，各种评价方法的 软件化和国产软件的商业化将是大势所趋。 第三节本课题主要研究内容 本论文的主要工作是对危险化学品的常见泄漏模式和这些危险物质泄漏后 可能发生的事故形式进行研究总结，在这些泄漏、扩散、火灾、爆炸等计算模 型基础上，开发常见工业泄漏事故后果计算软件，并运用该程序对实际生产、 储存和运输中的危险源进行评估计算和对己经发生的事故进行模拟分析。具体 内容如下： ( 1 ) 在大量文献调研的基础上，收集总结了各种泄漏事故后果计算模型， 作为评价软件的理论基础。模型涵盖气体泄漏、液体泄漏、非重气扩散、 重气扩散、物质水中扩散、火灾、爆炸等。 ( 2 ) 对各种模型进行程序化分析，给出程序运行思路。 ( 3 ) 运用v i s u a lb a s i c n e t 语言开发了常见工业泄漏事故后果计算软件。 ( 4 ) 建立常见危险化学品的数据库。 ( 5 ) 应用该软件对一些典型的事故进行了模拟计算。 4 第二章常见工业泄漏事故后果计算软件结构设计 第二章常见工业泄漏事故后果计算软件结构设计 第一节引言 目前，国内外对有关化学品的各种泄漏模式，毒物的扩散形式和火灾、爆 炸的定量计算已经作了大量的工作，提出了许许多多的计算模型。这些模型有 的是通过实验总结出的经验公式，有的是通过理论分析推导出的，它们都有着 各自的限制条件和运用范围，而且有的公式数学形式复杂，需要的已知条件多， 计算繁琐，不利于在实际中对危险源可能发生的事故进行预测模拟。因此，作 者对其中一些比较成熟、被广泛认可的，并且数学形式相对简单便于实际运用 和软件化的公式进行归纳总结，设计并建立了常见工业泄漏事故后果计算软件 e v a l u a t o r ，本章主要任务是对该软件的总体结构进行设计。 第二节软件的编译环境 本文的常见工业泄漏事故后果计算程序是在v i s u a ls t u d i o n e t 环境下设计 开发的。 v i s u a ls t u d i o 。n e t 是m i c r o s o f t 公司在2 0 0 2 年推出的产品，它是一个全新 的开发工具，是一个将m i c r o s o f t 公司所有编程语言开发工具整合在一起的工具 的集合。v i s u a ls t u d i o n e t 除了可以开发w i n d o w s 最基本的窗口应用程序外， 还可以开发移动通信、a s p 、x m l 等w e b 服务。其中包含了v i s u a lb a s i c n e t 、 v i s u a lc + + n e t 及v i s u a lc 群n e t ，同时可以实现语言和开发环境的共享，可以 很容易让程序员开发w e b 应用程序。 2 3 2 4 1 v i s u a lb a s i c n e t 是v i s u a lb a s i c6 的升级版，但是两个版本在功能上有很 大的不同，除了外观做了一些改变，在v i s u a lb a s i c n e t 中也涉及了很多新的 技术，这些技术有些是全新的，有些是原有技术上的更新和进步。这些技术都 是基于m i c r o s o f t n e t 平台，这些主要的技术有：【2 5 】 完全的面向对象( o o ) 的功能； 代码的可继承性和可移植性； 第二章常见工业泄漏事故后果计算软件结构设计 对方法事件操作可以实现重载； 进行参数化的构造函数； 实现共享成员； 提供结构化错误处理； 提出了崭新的线程模型。 第三节软件的设计结构 常见工业泄漏事故后果计算软件e v a l u a t o r 的源程序由一个工程文件，2 2 个窗体文件，1 个标准模块文件和一个a c c e s s 数据库文件构成。程序的主要 流程图如图2 1 所示。程序的主要功能包括：危险物质事故泄漏量的计算，危 险物质泄漏后的危害计算并包含一个常见危险化学品的数据库。程序的主界面 如图2 2 所示。 固 il r1 r 选择计叠子程序： 查询数据库管理数据库修改管理密码 1 r 输入管理密码 i ，0 1r 1 生成报告 ：添加数据i 编辑数据i 删除数据： 1r 1r 1r 1 r 上 退出程序 图2 1 后果计算软件操作流程图 6 第二章常见工业泄漏事故后果计算软件结构设计 图2 2 常见工业泄漏事故后果计算软件主界面 第四节软件的主要功能 常见工业泄漏事故后果计算软件主要分为毒物泄漏量的计算、事故危害计 算以及常见危险化学品数据库的查询和管理三个功能模块。其中，毒物泄漏量 的计算包括：气体或蒸汽经小孔泄漏的计算；液体经管道泄漏的计算；液体经 管道上f l , 孑l 泄漏计算；储罐中的液体经小孔泄漏计算以及两相流泄漏计算。事 故危害计算又包括：扩散计算、火灾计算以及爆炸计算详细分类如图2 3 所示。 7 8 第三章 随着现代社会 全问题也越来越为 知识分析解决工业事故中的常见问题是发展的方向。其中，以建立数学模型的 方式对常见工业事故进行分析和预测得到了世界各国科学界的广泛认可。本章 主要收集整理了一些经典的工业事故后果计算模型，并对相关模型进行程序化 设计，在此基础上开发出常见工业泄漏事故后果计算软件e v a l u a t o r 。 第二节典型的泄漏计算 泄漏物质按相态来分有气相、液相、气液两相、固相、固液混合等。泄漏 的形式还与裂口的面积有关，通常可以分为小孔泄漏和面积泄漏( 如管道断裂 等) 。本节按照泄漏物质的相态和泄漏面积不同，介绍了五种常见的工业危险源 的理论计算模型：即气体或蒸气经d , ：f l 泄漏模型、液体经管道泄漏模型、液体 经管道上小孔泄漏、储罐中的液体经小孔泄漏模型、两相流泄漏模型等。 3 2 1 气体经小孔泄漏 工业生产中涉及到大量的易燃易爆的气体，如压缩天然气、煤制气等，一 旦输送、贮存这些气体的管道、储罐或其他设备发生破裂，气体从裂口泄漏出 去，和空气混合形成可燃气云，就有发生火灾、爆炸的危险；若泄漏出的气体 有毒性，则后果更为严重。因此要预测或评价气体泄漏后的造成事故的严重程 度，必须对气体泄漏的计算定量计算。 3 2 1 1 计算模型 计算泄漏前，首先应判断泄漏气体的流动性质： 5 1 1 3 1 9 第三章常见泄漏事故计算模型总结及程序设计 譬( 南1 ) 百 丛f 三r 1 p厂+ 争( 南) 百 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 式中：p 广环境压强，p a ； p 管道中的绝对压力，p a ； r 泄漏气体的绝热指数； 当( 3 1 ) 成立时，为音速流动，当( 3 2 ) 成立时，属于亚音速流动。对 于音速流动，气体泄漏量可用下式表示： q o = c d a p ( 3 3 ) 式中：q o - 泄漏速度，k g s ； m 一气体分子量，k g m o l ； r 气体常数，8 31 4 j m 0 1 k ； c d 裂口形状，圆形取1 0 0 ；三角形取0 9 5 ；长方形取0 9 0 ； a 小孔面积，m 2 ； t _ 气体的温度，k 。 对于亚音速流动，气体泄漏量可用下式表示： q o = r c d a p ( 3 - 4 ) y 料1 州( 击) ( 卅j 5 ， 式中各符号的意义同上。 在进行后果评价时，只要泄漏物质的性质和状态确定，则m 、r 、t 、p o 就 可以确定。小孔的面积a 可以根据实际情况换算成等效面积，或者在事前预测 时做出假设。对于瞬时泄漏或者泄漏的流速较小时，气体压强可看作不变：否则 必须考虑压力变化对泄漏流量的影响。 l o 第三章常见泄漏事故计算模型总结及程序设计 3 2 1 2 程序流程及代码 图3 1 气体小孔泄漏计算流程 气体管道小孔泄漏量计算函数 p u b l i cf u n c t i o na i r p i p e ( b y v a lpa sd o u b l e ，b y v a lp oa sd o u b l e ，b y v a lma s d o u b l e ，b y v a lta sd o u b l e ，b y v a laa sd o u b l e ，b y v a lra sd o u b l e ，b y v a lc da s d o u b l e ) a sd o u b l e d i mqa sd o u b l e q = c d 幸a 幸p 宰( i n 宰r 木( 2 ( r + 1 ) ) ( ( r + 1 ) ( r 一1 ) ) ( 8 3 1 4 枣t ) ) 0 5 i f ( p o p ) ( ( 2 ( r + 1 ) ) ( r ( r - 1 ) ) ) t h e n d i my a sd o u b l e y = ( p o p ) ( 1 r ) 木( 1 一( p o p ) ( ( r 一1 ) r ) ) 0 5 幸( 2 木( ( r + 1 ) 2 ) ( ( r + 1 ) ( r 一1 ) ) ( r 一1 ) ) 0 5 q 搴2y r e t u r n q e n di f e n df u n c t i o n 第三章常见泄漏事故计算模型总结及程序设计 图3 2 气体小孔泄漏计算程序界面 3 2 2 液体管道内流动 化工生产中的大量管道里输送着是液体物料，这些物料可能是常压的液体 ( 如苯等) ，或者是液化冷冻气体( 如l p g 等) 。如果管线发生爆裂、折断或因 误拆盲板等，可造成液体经管口泄漏。 3 2 2 1 计算模型 以液面与管线断裂处为计算截面，根据柏努利方程1 0 1 3 1 l ( 忽略储罐内液体 流速) ，有： i u z + a g z + f ：0 ( 3 6 ) 二 式中，u 液体在管道裂口处的流速，i i l s ； r 液面距管道的距离，r n ； 卜总的阻力损失，可以根据下式进行计算： f ：旯三生+ f 生( 3 - 7 ) 1 2 第三章常见泄漏事故计算模型总结及程序设计 式中，入液体的摩擦系数； l 储罐到泄漏口处的管长，m ； d 内管径，m ； 毛局部阻力系数。 摩擦系数入的计算与表征流体流动类型的参数雷诺数有关。雷诺数是 管径、流速、流体密度和黏度组成的无因次数群，以r e 表示，根据雷诺数的大 小可以判断流体流动的类型为层流、湍流还是过渡流。r e 的表达式如下： r e ：p u d( 3 8 ) 耻 式中：l a 液体的黏度，k g m s ； p 液体的密度，k g m 3 ； 当r e 2 0 0 0 时，入= 6 4 r e 以( 3 9 ) 当2 0 0 0 r e 、 4 0 0 0 时，入= 0 0 0 2 5 r e l 乃( 3 1 0 ) 当4 0 0 0 r e 、 1 0 6 时，入= 0 3 1 6 4 r e 。0 2 5( 3 1 1 ) 将( 3 7 3 1 1 ) 代入( 3 6 ) 中，用不同的u 值进行试算，在根据( 3 9 3 1 1 ) 的条件进行验证，从而得出u 。根据下式( 3 1 2 ) 算出流量： q = p u a ( 3 - 1 2 ) 式中，a 管道裂口面积，m 2 。 在进行后果评价时，只要泄漏物质的性质和条件确定，则z 、1 、d 、毛、p 、 u 就可以确定。根据上述公式，就可以计算出液体通过管道泄漏的流速和流量， 这不但在安全评价中有重要作用，在日常的化工计算中也常常用到。 3 2 2 2 程序流程及代码 液体管道泄漏函数 p u b l i cf u n c t i o nl i q u i d p i p e ( b y v a l1a sd o u b l e ，b y v a lda sd o u b l e ，b y v a ly p s la s d o u b l e ，b y v a lr o ua sd o u b l e ，b y v a lza sd o u b l e ，b y v a lm i ua sd o u b l e ) a s d o u b l e d i md t a sd o u b l e d i mr e a sd o u b l e d i mu a sd o u b l e r e = 0t h e n u 2 ( ( d t ) 0 5 3 2 牛m i u l ( r o u 幸d 2 ) ) ( y p s l + 1 ) r e = r o u 宰u 枣d m i u i f r e = 2 0 0 0t h e n r e t u r n u e n di f e n di f 2 0 0 0 r e = 4 0 0 0 时的情况 d i mu o ka sd o u b l e d i mf u z aa sd o u b l e u 2 2 0 0 0 幸m i u ( r o u 宰d ) f u z a2o 0 0 1 2 5 宰i o u ( 1 3 ) 宰1 宰u ( 7 3 ) ( m i u ( 1 3 ) d ( 2 3 ) ) + ( y p s l + 1 ) 木u 2 2 - 9 8 宰z i f f u z a 0 t h e n f u z a 牛= 1 e n d i f d i mw u c h aa sd o u b l e w u c h a = f u z a d i m s t e p e r a sd o u b l e = ( 2 宰m i u ) ( r o u 木d ) f o ru 2 ( 2 0 0 0 木m i u ( r o u 宰d ) ) t o ( 4 0 0 0 宰m i u ( r o u d ) ) s t e ps t e p e r f u z a2 0 0 0 1 2 5 幸r o u ( 1 3 ) 半l 宰u ( 7 3 ) ( m i u ( 1 3 ) 枣d ( 2 3 ) ) + ( y p s l + 1 ) 木u 2 2 - 9 8 串z i f f u z a 0n l e n f u z a 幸= 。l e n di f i ff u z a ( 4 0 0 0 m i u ( r o u 木d ) - s t e p e r ) a n du o k _ 4 0 0 0 木m i u ( r o u 木d ) t h e n 4 0 0 0 r e = 10 6 时的情况 d i mu o k 2a sd o u b l e u = 4 0 0 0 幸m i u ( r o u 木d ) f u z a = 0 3 1 6 4 木m i u o 2 5 奉l 士u 1 7 5 ( r o u 0 2 5 枣d 1 2 5 ) + ( y p s l + 1 ) u 2 1 9 6 木z i f f u z a 0t h e n f u z a 宰= 1 e n di f w u c h a = f u z a s t e p e r = ( 1 0 6 - 4 0 0 0 ) 幸m i u ( r o u 木d 木l o o o ) f o ru = ( 4 0 0 0 幸m i u ( r o u 幸d ) ) t o ( 1 0 6 宰m i u ( r o u 宰d ) ) s t e ps t e p e r f u z a = 0 3 1 6 4 木m i u 0 2 5 半l 枣u 1 7 5 ( r o u 0 2 5 牛d 1 2 5 ) + ( y p s l + 1 ) 木u 2 1 9 6 宰z i f f u z a 0t h e n f u z a 木= 1 e n di f i f f u z a ( 2 0 0 0 m i u ( r o u 幸d ) ) a n du o k ( 4 0 0 0 木m i u ( r o u 宰d ) 一 s t e p e r ) t h e n r e t u r nu o k e n d i f e n df u n c t i o n 1 5 第三章常见泄漏事故计算模型总结及程序设计 否 图3 3 液体管道内流动计算流程 图3 4 液体管道内流动计算程序界面 1 6 第三章常见泄漏事故计算模型总结及程序设计 3 2 3 液体经管道上小孔泄漏 在日常的化工生产中也常常见到这样的情况， 者设备的腐蚀、磨损造成管道上出现裂缝或裂孔， 漏，从而为事故的发生造成隐患。 3 。2 3 1 计算模型 液体从管道上的孔洞泄漏的速率方程为：【1 1 】 u = c o ( 2 a p p ) 1 7 z 式中：u _ 平均泄漏速度，m s ； r 管道内压力和外界大气压之差，p a ； p 管道内液体密度，k g m 2 c 0 _ 泄漏系数，取0 6 1 1 0 ； 则泄漏的质量流量为： 由于外界的撞击、碰撞，或 液体物料从管道上的小孔泄 ( 3 1 3 ) q = p u a ( 3 1 4 ) 式中，a 管道裂口面积，m 2 。 在进行后果评价时，只要泄漏液体的性质和状态确定，则ap 、p 就可以确 定。小孔的面积a 可以根据实际情况换算成等效面积，或者在事前预测时做出 假设。 3 2 3 2 程序流程及代码 开始( 输入：a p ，p ，a ) 1 l 计算式3 1 3 1 l 计算式3 1 4 上 结束( 输出：q ) 图3 5 液体管道小孔泄漏计算流程 第三章常见泄漏事故计算模型总结及程序设计 液体管道小孔泄漏计算函数 p u b l i cf u n c t i o nl i q u i d h o l e ( b y v a lpa sd o u b l e ，b y v a lp oa sd o u b l e ，b y v a lr o u a sd o u b l e ) a sd o u b l e d i mu a sd o u b l e u = ( 2 q p o ) r o u ) 0 5 r e t u r n u e n df u n c t i o n 图3 6 液体管道小孔泄漏计算程序界面 3 2 4 储罐中的液体经小孔泄漏 各种储罐，无论是固定式的还是移动式的，在化工生产乃至整个国民经济 生产生活中都有大量的应用。由贮存液体特别是贮存液化冷冻气体发生泄漏而 引发的事故更是屡见不鲜。因此，液体从储罐中泄漏是一种十分常见的泄漏源 模式。 3 2 4 1 计算模型 根据柏努利方程有：【1 2 】 第三章常见泄漏事故计算模犁总结及程序设计 q = p c o a 一p g c z oa 2f 4 对式( 3 1 5 ) 在时间上进行积分，得到 q = f q = , o c o a ( 3 - 1 5 ) 一p g c ；a 2f 2( 3 1 5 1 ) 2 4 0 当完全泄漏时： q 删2 p a o z o ( 3 -