第3章安全评价原理与模型.ppt

第3章安全评价原理与模型 3 1安全评价基本原理 进行安全评价 人们需要辨识工程或系统的危险 有害性及其程度 预测发生事故和职业危害的可能性 掌握其发生 发展的条件 规律 以便采取有效的对策措施和防止事故 减少职业危害 实现安全生产 在安全评价时 评价的领域 种类 手段种类繁多 评价系统的特性 属性 特征千变万化 各不相同 思维方式却是一致 相关原理 类推原理 惯性原理 量变到质变原理 常用基本原理 掌握 一个系统的属性 特性与事故和职业危害存在着因果的相关性 这是系统因果评价方法的理论基础 1 系统的基本特征 安全评价把研究的所有对象都视为系统 系统是指为实现一定的目标 由许多个彼此有机联系 具有独立功能的要素组成的整体 系统有大有小 千差万别 但所有的系统都具有以下特征 3 1 1相关原理 1 目的性 任何系统都具有目的性 要实现一定目标 功能 2 集合性 每一个系统都是由若干个 两个以上 元素组成的整体 或是由若干个层次的要素 子系统 单元 元素集 集合组成的整体 3 相关性 一个系统内部各要素 或元素 之间存在着相互影响 相互作用 相互依赖的有机联系 通过综合协调 实现系统的整体功能 4 阶层性 在大多数系统中 存在着多个阶层 通过彼此作用 相互影响和制约 形成一个系统整体 5 整体性 系统的要素集 相关关系集 各阶层构成了系统的整体 6 适应性 系统对外部环境的变化有着一定的适应性 系统的结构 E Maxf X R C E 最优结合效果 X 系统组成的要素集 R 要素的相关关系 C 要素及其相关关系分布形式 f X R C的结合效果函数 通过对系统的要素集 X 关系集 R 和层次分布形式 C 的分析 可阐明系统整体的性质 欲使系统目标达到最佳程度 只有使上述三者达到最优组合 才能产生最优的结合效果E 最佳组合 最优效果E 实质上讲 安全评价就是寻找X R C的最合理的结合形式 寻优 2 系统的结构 掌握 工艺过程 系统 分布关系 目的 X集 R集 C集 E集 在评价前 明确相互影响作用制约关系 关系 一定要研究系统的组成要素 要素之间的相互关系 各层次的分布 掌握 3 因果关系事故的因果关系是 事故的发生有其原因因素 而且事故往往不是由单一原因因素造成的 而是由若干个原因因素结合在一起 当符合事故发生的充分与必要条件时 事故就必然会立即爆发 多一个原因因素不需要 少一个原因因素事故就不会发生 而每一个原因因素又由若干个二次原因因素构成 依此类推 还有三次原因因素 四次原因因素等 有因才有果 有果必有因 函数关系分析系统要素之间的依存关系和影响程度 探求其变化的特征和规律 预测其未来的发展变化趋势 S22w S222 S221 S2p S11 S22 S21 S1m S12 Sn Sn 1 S2 S1 事故 一次原因 直接原因 二次原因 间接原因 三次原因 间接原因 n次原因 间接原因 图2 1事故及其发生的原因层次分析 找出事故相关关系 评价 建立模型 结论 借鉴历史资料同类情况数据典型案例 越真实越好 具体 定性定量分析 准确 例如 颤振曾是空气动力学中的一个难题 飞机的机翼在高速飞行中会产生颤振现象 一种有害的振动 飞行越快 机翼的颤振越强烈 甚至造成机翼折断 发生机毁人亡的空难悲剧 研究人员从蜻蜒的翅膀上获得了灵感 蜻蜒之所以能够有效地 灵活自如地控制翅膀的颤振 是因为在它的半透明翅膀的前缘有一块加厚的色素斑 这种色素斑称为 翅痣 可使蜻蜒在快速飞行和转弯时不受颤振的困扰 如果将翅痣去掉 蜻蜓飞行时就变得荡来荡去 实验证明 蜻蜓翅痣的角组织使蜻蜓飞行时消除了颤振 人们就模仿蜻蜓 在飞机机翼末端的前缘装上了类似的加厚区 颤振现象竞奇迹般地被克服了 类比推理的基本模式为 若A B表示两个不同对象 A有属性P1 P2 Pm Pn B有属性P1 P2 Pm 且n m 则对象B亦具有属性Pn 对象A与B的类比推理可用如下公式表示 3 1 2类推原理 类比推理的结论不是必然的 所以 在应用时要注意提高其结论的可靠性 其方法有 要尽量多地列举两个或两类对象所共有或共缺的属性 两个类比对象所共有或共缺的属性愈本质 则推出的结论愈可靠 两个类比对象共有或共缺的属性与类推的属性之间如果具有本质的和必然的联系 则推出结论的可靠性就高 掌握 1 平衡推算法 平衡推算法是根据相互依存的平衡关系来推算所缺的有关指标的方法 例如 利用海因利希关于重伤死亡 轻伤和无伤害事故的比例为1 29 300的规律 在已知重伤死亡数据的情况下 可推算出轻伤和无伤害数据 利用事故的直接经济损失与间接经济损失的比例为1 4的关系 可从直接损失推算出间接损失和事故总经济损失 利用爆炸破坏情况推算离爆炸中心一定距离处的冲击波超压 p MPa 或爆炸坑 漏斗 的大小 进而推算爆炸物的TNT当量 15 2007年5月16日下午2时33分 按下爆破按钮 甘肃电力投资集团公司所属的永昌电厂1 5号机组共用的3座冷却塔在运行了40年后轰然倒地 爆破拆除工作取得成功 关停小火电机组 第一爆 的成功实施 标志着甘肃全力完成 十一五 关停小火电机组 实施节能减排的计划全面展开 1 平衡推算法 2 代替推算法 代替推算法是利用具有密切联系 或相似 的有关资料和数据来推算所需的资料和数据的方法 例如 对新建装置的安全预评价 可使用与其类似的已有装置的资料和数据对其进行评价 在安全评价中 人们常常通过类比同类或类似装置的检测数据进行评价 3 因素推算法 因素推算法是根据指标之间的联系 从已知因素的数据推算有关未知指标数据的方法 例如 已知系统事故发生概率P和事故损失严重度S 就可利用风险率R与P S的关系来求得风险率R 4 抽样推算法 抽样推算法是根据抽样或典型调查资料推算系统总体特征的方法 这种方法是数理统计分析中常用的方法 以部分样本代表整个样本空间来对总体进行统计分析的一种方法 5 比例推算法 比例推算法是根据社会经济现象的内在联系 用某一时期 某一地区 某一部门或某一单位的实际比例 推算另一类似时期 类似地区 类似部门或类似单位有关指标的方法 例如 控制图法的控制中心线是根据上一个统计期间的平均事故率来确定的 国外行业安全指标通常也都是根据前几年的年度事故平均数值来确定的 6 概率推算法 概率是指某一事件发生的可能性大小 事故的发生是一种随机事件 任何随机事件 在一定条件下是否发生是没有规律的 但其发生概率是一客观存在的定值 因此 根据有限的实际统计资料 采用概率论和数理统计方法可求出随机事件出现各种状态的概率 用概率值来预测系统未来发生事故的可能性大小 以此来衡量系统危险性的大小和安全程度的高低 任何事物在其发展过程中 从其过去到现在以及延伸至将来 都具有一定的延续性 这种延续性称为惯性 利用惯性可以研究事物或一个评价项目 工程 或系统的未来发展趋势 1 惯性的大小惯性越大 影响越大 反之 则影响越小 一个生产经营单位 如果疏于管理 违章作业 违章指挥 违反劳动纪律的现象严重 则事故就多 若任其发展则会愈演愈烈 而且有加速的态势 惯性会越来越大 对此 必须立即采取相应对策 破坏这种格局 亦即中止或改变这种不良惯性 才能防止事故的发生 3 1 3惯性原理 2 互相联系与影响 一个项目 工程 或系统的惯性是这个系统内的各个内部因素之间互相联系 互相影响 互相作用并按照一定的规律发展变化的一种状态趋势 因此 只有当系统稳定 受外部环境和内部因素的影响产生的变化较小时 其内在联系和基本特征才可能延续下去 该系统所表现的惯性发展结果才基本符合实际 但是 绝对稳定的系统是没有的 因为事物发展的惯性在外力作用时可使其加速或减速甚至改变方向 这样就需要对一个系统的评价进行修正 即在系统主要方面不变 而其他方面有所偏离时 应根据其偏离程度对所出现的偏离现象进行修正 任何一个事物在发展变化过程中都存在着从量变到质变的规律 同样 在一个项目 工程 或系统中 许多有关安全的因素也都存在着从量变到质变的规律 在评价一个项目 工程 或系统的安全时 也都离不开从量变到质变的原理 许多定量评价方法中 有关等级的划分 一般都应用了从量变到质变的原理 如 道化学公司火灾 爆炸危险指数评价法 第七版 中 关于按F EI 火灾 爆炸指数 划分的危险等级 从1至 159 经过了 60 61 96 97 127 128 158 159的量变到质变的不同变化层次 即分别为 最轻 级 较轻 级 中等 级 很大 级 非常大 级 而在评价结论中 中等 级及其以下的级别是 可以接受的 而 很大 级 非常大 级则是 不能接受的 3 1 4量变到质变原理 3 2安全评价模型概述 评价模型不是直接研究现实世界的某一现象或过程的本身 而是设计出一个与该现象或过程相类似的模型 通过模型间接地研究该现象和过程 3 3 1安全评价模型简介1 形象模型 形象模型是系统实体的放大或缩小 如建造舰船和飞机用的模型 作战计划用的沙盘 土木工程用的建筑模型等 2 模拟模型 模拟模型是在一组可控制的条件下 通过改变特定的参数来观察模型的响应 预测系统在真实环境条件下的性能和运动规律 如 在水池中对船模进行航行模拟试验 飞机模型在风洞中模拟飞行过程 在实验室条件下利用计算机模拟自动系统的工作过程等 3 数学模型 数学模型也称符号模型 它是用数学表达式来描述实际系统的结构及其变量间的相互关系的 如化工装置利用ICI蒙德法进行单元评价时 其火灾 爆炸 毒性指标由下式来描述 式中 D为DOW ICI全体指标 B为物质系数 M为特殊物质危险性 P为一般工艺危险性 S为特殊工艺危险性 Q为量危险性 L为配置危险性 T为毒性危险性 评价模型不是直接研究现实世界的某一现象或过程的本身 而是设计出一个与该现象或过程相类似的模型 通过模型间接地研究该现象和过程 设计评价模型最本质的一条就是抓住 相似性 具体地说 就是在两个对象之间可以找到某种相似性 两个对象之间就存在着 原型 模型 关系 对于庞大 复杂的系统 如社会系统或军事技术系统 要做实验很难或根本不可能做 而评价模型可以取而代之 评价模型是现实系统的抽象或者模仿 是由那些与分析的问题有关的部分或者因素构成的 它表明了这些有关部分或因素之间的关系 3 2 2安全评价模型的特点 使用评价模型的优点在于 1 使现实系统被简化 易理解 2 可操作性强 一些参数的改变比在实际中要容易 3 敏感度大 可显示出哪些因素对系统影响更大 而且可通过不断改进 寻求更符合现实特性的模型 以此指导建立现实系统 并使之达到最佳状态 4 通过模拟试验满足系统要求 耗资少 评价模型是描述现实系统的 因此必须反映实际情况 由于它是抽象的 因而又高于实际 且又便于研究实际系统的共性 从而有助于解决被抽象的实际系统中的问题 同样 评价模型也能指导其他有这些共性的实际问题的解决 评价模型是现实系统的一个抽象表示形式 如果搞得太复杂甚至和实际情况一样 就失去利用评价模型的意义 一般总是做一个比实际对象远为简单的模型 同时又希望在实际中使用它来预测及解释一些现象时有足够的精确度 任何一个实际现象总要涉及大量的因素 或变量 但确定导致其现象产生的本质因素时 往往只要抓住其主要因素即可 用字母 数字及其他符号来体现变量以及它们之间的关系 是最一般 最抽象的模型 它使人们一点也想像不出原来所代表的现实是什么 符号模型通常采用数学表达的形式 由于数学模型中的参数和变量最容易改变 因此最容易操作 数学模型在系统工程和运筹学等方面是十分重要的 所涉及的模型 事故后果分析包括两大部分 损伤模型 效应模型 1 效应模型 effectmodels 效应模型是发生灾害时呈现的物理现象 所造成的物理效应 可以用某些数学模型来计算 这些物理现象包括泄漏和扩散 2 损伤模型 vulnerabilitymodels 损伤模型是描述火灾 爆炸 毒性物质对人或设备的伤害或损毁情况 泄漏概念内外两侧存在压力差不允许流动的部位 通过孔 毛细管等缺陷渗出 漏失允许流动的部位 流动量超过允许量两个条件 通道和压差 泄漏物质分类气态 液态和固态 工业泄漏主要设备管道装置 挠性连接器 过滤器 阀 压力容器或反应器 泵 压缩器 储罐 冷冻或加压气体容器 火炬燃烧装置或放散管等 3 3泄露模型 影响泄漏扩散的主要因素介质的相态 气态或液态 储存条件 压力液化储存 冷冻液化储存 常态液体储存和常态气体储存 弥散限制 泄漏源周围有无防液堤 泄放形式 连续泄漏 瞬时泄漏和有限时间泄漏 泄漏源模型泄漏源模型根据泄漏源位置 形式与特征的不同 分为3种类型 密封元件的渗漏模型储罐或管道的泄漏模型泄压元件的泄放模型 3 3泄露模型 危险物质泄漏与扩散方式 小孔泄漏情况 3 3泄露模型 蒸汽和液体以单相或两相状态从容器中泄漏出来 3 3泄露模型 2010年舟山北部海域化工品泄漏应急演练 3 3泄露模型 3 3泄露模型 3 3泄露模型 3 3泄露模型 3 3泄露模型 3 3 1液体经过孔洞泄漏的泄漏量计算 3 3泄露模型 3 3 1液体经过孔洞泄漏的泄漏量计算 3 3泄露模型 考虑到因惯性引起的截面收缩以及摩擦引起的速度减低 引入孔流系数C0 其定义为实际流量与理想流量的比值 则经小孔泄漏的实际质量流量为 3 3 1液体经过孔洞泄漏的泄漏量计算 3 3泄露模型 Q为单位时间内流体流过任一截面的质量 称为质量流量 单位为kg s 1 1 修圆小孔 2 厚壁小孔或器壁连有短管 3 3 1液体经过孔洞泄漏的泄漏量计算 3 3泄露模型 在很多情况下 难以确定泄漏孔口的孔流系数 为保持足够的安全裕度 确保估算出最大的泄漏量和泄漏速度 C0值可取为1 对于修圆小孔 如图 1 孔流系数C0值约为1 对于薄壁小孔 壁厚 d 2 当雷诺数Re 105时 C0值约为0 61 若为厚壁小孔 d 2 壁厚 4d 或者在容器孔口处外伸有一段短管如图 2 C0值约为0 81 例2 1 下午1 00 工厂的操作人员注意到输送苯的管道中的压力降低了 于是立即将压力恢复为690Pa 下午2 30 操作人员发现了一个管道上直径为6 35mm的小孔并立即进行了修补 请估算流出苯的总量 苯的密度按照879 4kg m3计算 假设小孔在下午1 00到下午2 30之间 即90min内一直存在 3 3泄露模型 3 3 2液体经过储罐上的孔洞泄漏的泄漏量计算 储罐上的小孔泄漏 3 3泄露模型 若小孔截面积为A 则质量流量Q为 如果储罐通过呼吸阀或弯管与大气连通 则 3 3 2液体经过储罐上的孔洞泄漏的泄漏量计算 储罐上的小孔泄漏 3 3泄露模型 若储罐的横截面为A0 则液位高度随时间变化率为 边界条件 随时间变化的质量流量 3 3 2液体经过储罐上的孔洞泄漏的泄漏量计算 储罐上的小孔泄漏 3 3泄露模型 任意时刻的质量流量Q为 例2 2 如图所示为某一盛装丙酮液体的储罐 上部装有呼吸阀与大气连通 在其下部有一泄漏孔 直径4cm 已知丙酮的密度为800kg m 3 已知丙酮的密度为 1 最大泄漏量 2 泄漏质量流量随时间变化的表达式 3 最大泄漏时间 4 总泄漏量随时间变化的表达式 3 3泄露模型 3 3 3液体经过管道上的孔洞泄漏的泄漏量计算 3 3泄露模型 Kf为管道或管道配件导致的压差损失 对于流经管道的液体 f是雷诺数Re和管道粗糙度 的函数 对于湍流 可以用Colebrook方程表示 f Fanning摩擦系数L 管道长度 m d 管道直径 m 3 3 3液体经过管道上的孔洞泄漏的泄漏量计算 3 3泄露模型 Colebrook方程 对于粗糙管道中完全发展的湍流 f独立于雷诺数 在雷诺数数值很高处 f接近于常数 对于这种情况 上式简化为 对于光滑的管道 0 3 3 3液体经过管道上的孔洞泄漏的泄漏量计算 3 3泄露模型 对于管道附件 阀门和其它流动阻碍物 方法一 方法二 2 K方法 在管道进口和出口 3 3 3液体经过管道上的孔洞泄漏的泄漏量计算 3 3泄露模型 3 3 4气体蒸汽经过孔洞泄漏的泄漏量计算 3 3泄露模型 在工程上 通常将气体或蒸气近似为理想气体 其压力 温度 密度等参数遵循理性气体状态方程 气体或蒸气在小孔内绝热流动 其压力 密度关系可用绝热方程或称等熵方程描述 绝热指数 是等压热容与等容热容的比值 气体或蒸气经小孔泄漏 轴功为0 忽略势能变化 泄漏质量流量 3 3 4气体蒸汽经过孔洞泄漏的泄漏量计算 3 3泄露模型 气体或蒸气经小孔泄漏 轴功为0 忽略势能变化 泄漏质量流量 结合理想气体状态方程 3 3 4气体蒸汽经过孔洞泄漏的泄漏量计算 3 3泄露模型 气体或蒸气经小孔泄漏 Pc为临界压力 高压气体或蒸气经小孔泄漏时 临界压力点 流速 音速 实际流速与压力关系 流量系数 由物质泄漏时的强度而定 亚音速即当 音速即当式中 P 容器内介质压力 Pa Po 外界环境压力 k 气体绝热指数 常在1 1 1 67 公式2 公式3 3 3 4气体蒸汽经过孔洞泄漏的泄漏量计算 3 3泄露模型 气体或蒸气经小孔泄漏 Pc为临界压力 例 在某生产厂有一空气柜 因外力撞击 在空气柜一侧出现小孔 小孔面积为19 6cm2 空气柜中的空气经此小孔泄入大气 已知空气柜中的压力为3 5 105Pa 绝热指数 1 4 求空气泄漏的最大质量流量 3 3 4气体蒸汽经过孔洞泄漏的泄漏量计算 3 3泄露模型 例 在某生产厂有一空气柜 因外力撞击 在空气柜一侧出现小孔 小孔面积为19 6cm2 空气柜中的空气经此小孔泄入大气 已知空气柜中的压力为3 5 105Pa 绝热指数 1 4 求空气泄漏的最大质量流量 解 先判断空气泄漏的临界压力 3 3 5气体经过管道泄漏的泄漏量的计算 3 3泄露模型 对于绝热和等温情形 定义马赫数很方便 其值等于气体流速与大多数情况下声音在气体中的传播速度之比 声速可以用以下热力学关系确定 对于理想气体 3 3 5气体经过管道泄漏的泄漏量的计算 3 3泄露模型 1 绝热流动 内部有蒸汽流动的绝热管道 3 3 5气体经过管道泄漏的泄漏量的计算 3 3泄露模型 1 绝热流动 3 3 5气体经过管道泄漏的泄漏量的计算 3 3泄露模型 3 3 5气体经过管道泄漏的泄漏量的计算 3 3泄露模型 对大多数问题 管长L 内径d 上游温度T1和压力P1以及下游压力P2都是已知的 要计算质量通量G 步骤如下 确定摩擦因数 确定T2 计算总的质量通量G 3 3 5气体经过管道泄漏的泄漏量的计算 3 3泄露模型 长管或沿程压差大 气流流速可能接近声速 达到声速时 气体流动就叫做塞流 气体在管道的末端达到声速 如果下游压力下降到低于塞压Pchocked 那么通过管道的流动将保持塞流 流速不变且不依赖于下游压力 3 3 5气体经过管道泄漏的泄漏量的计算 3 3泄露模型 已知管长L 内径d 上游温度T1和压力P1 要计算质量通量G 步骤如下 确定摩擦因数 确定Ma1 确定Pchocked 确认处于塞流情况 计算总的质量通量Gchocked 3 3 5气体经过管道泄漏的泄漏量的计算 3 3泄露模型 2 等温流动 对于大多数典型问题 已知管长L 内径d 温度T和上游压力P1 确定质量通量G 步骤如下 确定摩擦因数 确定Ma1 计算总的质量通量G 3 3 6两相流液体泄漏量的计算 3 3泄露模型 不考虑液位的影响 均匀两相流动的泄漏速度可按下式计算 3 3 6两相流液体泄漏量的计算 3 3泄露模型 不考虑液位的影响 均匀两相流动的泄漏速度可按下式计算 发生两相流时FV0 2时 可以认为不会形成液池 当FV1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 当FV很小时 可以当做液体计算 3 3 6两相流液体泄漏量的计算 3 3泄露模型 气化时所需要的热由液体达到常压下的沸点所提供 液相部分的温度由储存时的温度降至常压下的沸点温度 这种现象称之为闪蒸 闪蒸发生的速度很快 其过程可以假设为绝热过程 过热液体中的额外能量使液体蒸发 并使其温度降到新的沸点 蒸发气量q与液体泄漏量W的比值q W称为闪蒸率 3 3 7易挥发液体的泄漏量的计算 3 3泄露模型 液体蒸发为气体的摩尔扩散通量 若液体在某一饱和温度T下的饱和蒸汽压为psat 蒸发物质在大气中分压为p 则 一般情况下 则上式可简化为 流体蒸发的质量流量为其摩尔扩散通量N与蒸发面积A及蒸发物质摩尔质量M的乘积为 3 3 7易挥发液体的泄漏量的计算 3 3泄露模型 例 有一露天桶装乙醇翻到后 致使2m2内均为乙醇液体 当时大气温度为16 乙醇的饱和蒸汽压为4kPa 乙醇的传质系数kc为 求乙醇蒸发的质量流量 3 4 1泄漏物质扩散方式及影响因素 3 4扩散模型 物质连续泄漏形成的典型烟羽 泄漏出来的物料将在浓度梯度和风力的作用下在大气中扩散 通过扩散模式可估算泄漏物质的影响范围及危险性质 程度 3 4 1泄漏物质扩散方式及影响因素 3 4扩散模型 物质瞬时泄漏形成的烟团 3 4 1泄漏物质扩散方式及影响因素 3 4扩散模型 地面情况对垂直风速梯度的影响 扩散方式影响因素 风速 大气稳定度 地面条件 建筑物 水 树 泄漏处离地面的高度 物质释放的初始动量和浮力 大气稳定度表示空气是否易于发生垂直运动 即对流 假如有一团空气在外力作用下 产生了向上或向下的运动 可能出现三种情况 如果空气团受力移动后 逐渐减速 并有返回原来高度的趋势 这时的气层对该空气团是稳定的 如果空气团受力作用 离开原位就逐渐加速运动 并有远离原来高度的趋势 这时的气层对该空气团是不稳定的 如果空气团被推至某一高度后 既不加速 也不减速 保持不动 这时的气层对该空气团是中性的 3 4 1泄漏物质扩散方式及影响因素 3 4扩散模型 泄漏物质的初始加速度和浮力影响烟羽的特性 扩散方式影响因素 风速 大气稳定度 地面条件 建筑物 水 树 泄漏处离地面的高度 物质释放的初始动量和浮力 增加泄漏高度将降低地面浓度 3 4 2泄漏物质扩散模型 3 4扩散模型 湍流统计理论认为 由于存在湍流脉动作用 粒子在各方向 如图中y方向 的脉动速度随时间而变化 因而粒子的运动轨迹也随之变化 若平均时间间隔足够长 则速度脉动值的代数和为零 如果从原点释放出许多粒子 经过一段时间T之后 这些粒子的浓度趋于一个稳定的统计分布 湍流扩散理论 K理论 和统计理论的分析均表明 粒子浓度沿y轴符合正态分布 正态分布的密度函数f y 的一般形式为 式中 为标准偏差 是曲线任一侧拐点位置的尺度 为任何实数 3 4 2泄漏物质扩散模型 3 4扩散模型 图中的f y 曲线即为 0时的高斯分布密度曲线 它有两个性质 一是曲线关于y 的轴对称 二是当y 时 有最大值 即 这些粒子在y 轴上的浓度最高 如果 值固定而改变 值 曲线形状将变尖或变得平缓 如果 值固定而改变 值 f y 的图形沿0y轴平移 不论曲线形状如何变化 曲线下的面积恒等于1 分析可见 标准偏差 的变化影响扩散过程中污染物浓度的分布 增加 值将使浓度分布函数趋于平缓并伸展扩大 这意味提高了污染物在y方向的扩散速度 3 4 2泄漏物质扩散模型 3 4扩散模型 1 大空间点源扩散 高斯扩散公式的建立有如下假设 风的平均流场稳定 风速均匀 风向平直 污染物的浓度在y z轴方向符合正态分布 污染物在输送扩散中质量守恒 污染源的源强均匀 连续 3 4 2泄漏物质扩散模型 3 4扩散模型 2 高架点源扩散 3 4 2泄漏物质扩散模型 3 4扩散模型 2 高架点源扩散 地面全部反射时的地面浓度 实际中 高架点源扩散问题中最关心的是地面浓度的分布状况 尤其是地面最大浓度值和它离源头的距离 令z 0 可得高架点源的地面浓度公式 上式中进一步令y 0则可得到沿x轴线上的浓度分布 3 4 2泄漏物质扩散模型 3 4扩散模型 3 地面点源扩散 对于地面点源 则有效源高度H 0 当污染物到达地面后被全部反射时 可令式 5 22 中H 0 即得出地面连续点源的高斯扩散公式 若取y与z等于零 则可得到沿x轴线上的浓度分布 3 4 2泄漏物质扩散模型 3 4扩散模型 1 帕斯奎尔 Pasquill 和吉福特 Gifford 提出的扩散参数估算方法 扩散参数 y z的估算 2 我国GB3840 91 制定地方大气污染物排放标准的技术方法 采用如下经验公式确定扩散参数 y z 式中 1 1 2及 2称为扩散系数 这些系数由实验确定 在一个相当长的x距离内为常数 可从GB3840 91的表中查取 3 4 2泄漏物质扩散模型 3 4扩散模型 湍流微分方程 选取直角坐标系的x轴方向与平均风速方向一致 z轴为铅直向上 则 假定各方向湍流扩散系数为常数 以c代表平均浓度 以u代表平均风速 则式上可简化为 3 4 2泄漏物质扩散模型 3 4扩散模型 无边界瞬时点源扩散模型 初始条件 t 0时x y z 0处 c x 0处 c 0 边界条件 t 时 c 0 源强为Q的无风瞬时泄漏点源的浓度分布c x y z t 为 在有风条件下 烟团随风移动 并因空气的稀释作用不断膨胀 t时刻烟团中心点坐标为 ut 0 0 则式 3 85 经坐标变换即得到源强为Q的有风瞬时泄漏点源的浓度分布 3 4 2泄漏物质扩散模型 3 4扩散模型 无边界连续泄露点源扩散模型 初始条件 x y z 0时 c 边界条件 x y z 时 c 0 源强为Q的无风连续泄漏点源的浓度分布c x y z t 为 若连续泄漏点源的源强Q为常量 则任意一点的浓度仅是位置的函数 而与时间无关 则有 无风条件 u 0 则 3 4 2泄漏物质扩散模型 3 4扩散模型 无边界连续泄露点源扩散模型 若流场稳定 则空间某一泄漏物质浓度恒定 不随时间改变 有风条件下 u 1m s 1 风力产生的平流输送作用要远远大于水平方向上的分子扩散作用 有 有风时 连续泄漏点源的扩散为烟羽形状 沿风向方向 任一x z平面的泄漏物质总量等于源强Q 则 初始条件 x y z 0时 c 边界条件 x y z 时 c 0 源强为Q的有风连续泄漏点源的浓度分布c x y z t 为 3 4 2泄漏物质扩散模型 3 4扩散模型 有边界点源扩散模型 有风连续地面点源的烟羽扩散模型 无风时瞬时泄漏点源的烟团扩散模型 有风源高为H连续点源的烟羽扩散模型 3 4扩散模型 3 5 1火灾模型和火灾损失 1 火灾模型 火灾对周围环境的影响主要在于其辐射热 若辐射热足够大 会引起包括生物体在内的其他物体燃烧 但火灾辐射热的影响范围一般均在距火焰200m左右的近火源区域 对较远区域影响不大 辐射热损害可由单位表面积在受辐射时间内所接受的能量或单位面积上得到的辐射功率来计算确定 易燃 易爆的气体或液体泄漏后遇到引火源就会着火燃烧 它们的燃烧方式有池火 喷射火 火球和爆燃 固体火灾以及突发火五种 3 5火灾 爆炸及毒物损伤模型 掌握 热辐射破坏准则 热通量准则 以热通量作为衡量目标是否被破坏的参数 目标接受到的热通量大于或等于临界热通量 目标被破坏 否则 目标不被破坏 适用范围为热通量作用的时间比目标达到热平衡所需要的时间长 热通量是指单位时间 单位面积发射或接收的热能 通常以q表示 单位是W m2 热强度准则 以目标接收到的热强度作为目标是否被破坏的唯一参数 目标接收到的热强度大于或等于临界热强度时 目标被破坏 否则 目标不被破坏 适用范围为作用于目标的热通量持续时间非常短 以至于目标接收到的热量来不及散失掉 热强度是指热通量与热通量作用时间的乘积 通常用Q表示 热辐射破坏准则 热通量 热强度准则 当热通量准则或热强度准则的适用条件均不具备时 应该使用热通量 热强度准则 热通量 热强度准则认为 目标能否被破坏不能由热通量或热强度一个参数决定 而必须由它们的组合来决定 如果以热通量q和热强度Q分别作为纵坐标和横坐标 那么 目标破坏的临界状态对应q Q平面有一条临界曲线 q Q 热辐射破坏准则 烧伤等级 热辐射破坏准则 不同热辐射水平下人的的暴露极限 热辐射破坏准则 稳态火灾下不同热通量的伤害效应 热辐射破坏准则 瞬间火灾作用下人的伤害准则 热辐射破坏准则 一些物品点燃所需热辐射通量 10分钟暴露 热辐射破坏准则 1 池火 池火 可燃液体液面上的自然燃烧 泄漏到地面上 堤坝内液体的燃烧 敞开的容器内液体的燃烧 水面上液体燃烧 池火模型一般按圆形液面计算 所以其他形状的液池应换算为等面积的圆池 无边界阻挡的连续泄漏 随着液池面积扩大燃烧速度加快 当燃烧速度等于泄漏速度时 液池直径达到最大 最大直径可按下式计算 D 液池直径 m Q 液体泄漏流量 kg s mf 液体单位面积燃烧速率 kg m2 s 池火可用以下几个参数来描述 燃烧速度 广泛采用液体单位面积燃烧速率计算公式 不考虑液池大小对燃烧速率的影响 当液池中的可燃液体的沸点高于周围环境温度时 液体表面上单位面积的燃烧速度为 2 1 当液体的沸点低于环境温度时 如加压液化气或冷冻液化气 其单位面积的燃烧速度为 2 2 表2 1一些可燃液体的燃烧速度 考虑了液池大小的公式 半理论公式 参数由大量固体和液体实验关联 能得到与实验非常一致的结果 表明随着池直径增加单位面积燃烧速率增加 几种液体的燃烧参数 火焰高度无风时 有风时 a 空气密度 kg m3g 重力加速度 9 8m s2 u 10m高处风速 m s uc 特征风速 如果u uc 则u uc取1 公式表明 液池直径越大火焰越长 有风时火焰长度有所减少 但是 火焰向下风方向倾斜 加重了下风方向的热辐射危害 还可能危及附近高大设备 火焰高度 设液池为一半径为r的圆池子 其火焰高度可按下式计算 2 3 式中 h 火焰高度 m r 液池半径 m 0 周围空气密度 kg m3 g 重力加速度 9 8m s2 dm dt 单位表面积燃烧速度 kg m2 s 火焰高度 火焰在风作用下向下风扩展 风向上直径为 与原液池直径之差称为后拖量 火焰倾斜角可以按下式计算 v 空气动粘度 m2 s 火焰倾角 计算火焰倾角的公式中 下面的简单关系式被认为能给出最好效果 Hoftijzer关系模型 热辐射通量 液池燃烧时放出的总热辐射通量为 2 4 式中 Q 总热辐射通量 W 效率因子 可取0 13 0 35 热辐射通量池周围距池中心x处的热辐射强度为 式中 q 接受点热辐射通量 W m2 E 池火表面热辐射通量 W m2 vF 几何视角因子 大气透射率 假设燃料燃烧的能量从圆柱状池火焰的侧面和上面均匀向外辐射 则池火焰表面热辐射能量为 f 热辐射系数 范围从0 13到0 35 保守取值0 35 考虑黑烟以及一氧化碳 水蒸气等 火焰表面热辐射能量可按下式计算 Ef 火焰可见部分最大发射能量 取140kW m2 Es 火焰黑烟部分最大发射能量 取20kW m2 上式适用于含大量黑烟的碳氢化合物燃烧 视角因子 接受体所能接受的发热体辐射能量的分数 取决于发射体和接受体的形状 距离和相对角度 计算式非常复杂 L 视角因子计算 大气透射率 考虑水蒸气 二氧化碳等对热辐射的吸收 常用的一种计算方法是 另一种常用计算公式 上面两式的计算结果非常接近 作为保守的估计 取 1也可 点源模型 假设全部热量由池中心点发出 使用上式时通常可假定大气透射率为1 目标入射热辐射强度 假设全部辐射热量由液池中心点的小球面辐射出来 则在距离池中心某一距离 x 处的入射热辐射强度为 2 5 式中 I 热辐射强度 W m2 tc 热传导系数 在无相对理想的数据时 可取值为1 x 目标点到液池中心距离 m 高压气体从裂口高速喷出后被点燃 就形成喷射火 喷射火的长度可以认为等于喷口到燃烧浓度下限的长度 热量认为是从中心轴线上一系列相等的辐射源发出 每一点源的热通量为 f 燃烧效率因子 取0 35 n 假设的点源数 Q 泄漏流量 kg s 则距离点源距离xi处某点接受的热辐射通量为 Xp 发射因子 取0 2 总热通量是各点辐射的和 2 喷射火 2 喷射火 加压的可燃物质泄漏时形成射流 如果在泄漏裂口处被点燃 则形成喷射火 喷射火辐射热计算方法是一种包括气流效应在内的喷射扩散模式的扩展 把整个喷射火看成是由沿喷射中心线上的全部点热源组成的 每个点热源的热辐射通量相等 热辐射通量点热源的热辐射通量按下式计算 2 6 式中 q 点热源热辐射通量 W 效率因子 取0 35 V0 泄漏速度 kg s Hc 燃烧热 J kg 几点注意 该模型没有考虑风的影响 因为一般喷射速度比风速大得多 在低压喷射时 风速的影响比较明显 在下风向接受热量会更多 如果风使喷射火焰偏离了轴线 则该模型不适用 从理论上讲 喷射火的火焰长度等于从泄漏口到可燃混合气燃烧下限 LFL 的射流轴线长度 对表面火焰热通量 则集中在LFL 1 5处 对危险评价分析而言 点热源数n一般取5就可以了 点热辐射强度 射流轴线上某点热源i到距离该点x处一点的热辐射强度为 2 7 式中 Ii 点热源i至目标点x处的热辐射强度 W m2 f 辐射系数 可取0 2 x 点热源到目标点的距离 m 目标入射热辐射强度 某一目标点处的入射热辐射强度等于喷射火的全部点热源对目标的热辐射强度的总和 即 2 8 式中 n 计算时选取的点热源数 一般取n 5 3 火球和爆燃 火球 也称为沸腾液体扩展蒸气爆炸 Boilingliquidexpandingvapourexplosion 简称BLEVE 当压力容器受外界热量的作用使槽壁强度下降并突然破坏 储存的过热液体或液化气体突然释放并被点燃 形成巨大火球 火球的危害主要是热辐射而不是爆炸冲击波 强烈的热辐射可能造成严重的人员伤亡和财产损失 3 火球和爆燃 3 火球和爆燃 低温可燃液化气由于过热 容器内压增大 使容器爆炸 内容物释放并被点燃 发生剧烈的燃烧 产生强大的火球 形成强烈的热辐射 火球半径为 2 9 式中 R 火球半径 m M 急剧蒸发的可燃物质的质量 kg 火球持续时间 式中 t 火球持续时间 s 2 10 M 火球中消耗的可燃物的质量 kg 对于单罐储存 M取罐容量的50 对于双罐储存 M取罐容量的70 对于多罐储存 M取罐容量的90 火球在燃烧时一般会升离地面 其高度也有模型描述 保守的估计可以认为火球没有离开地面 常见火球模型 距火球在地面投影处x的热辐射通量为 火球表面热辐射通量为 上式实际是假定火球在持续时间内辐射热量恒定不变 f是燃烧辐射分数 是容器压力的函数 常数f1 0 27 f2 0 32 P为容器内压力 MPa 在没有可靠数据时f可取0 3 视角因子 考虑最简单最保守的情况 所以 忽略火球高度 火球燃烧时释放出的辐射热通量 式中 Q 火球燃烧时的辐射热通量 W 效率因子 取决于容器内可燃物质的饱和蒸气压p 0 27 p0 32 目标接受到的入射热辐射强度 式中 tc 传导系数 保守取值为1 x 目标距火球中心的水平距离 m 2 11 2 12 4 固体火灾 固体火灾的热辐射参数按点源模型估计 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 即 2 13 式中 Ir 目标接受到的辐射强度 W m2 f 辐射系数 可取f 0 25 Mc 燃烧速率 kg s 5 闪火 泄漏的可燃气体 液体蒸发的蒸气在空中扩散 遇到火源发生突然燃烧而没有爆炸 此种情况下 处于气体燃烧范围内的室外人员将会全部烧死 建筑物内将有部分人被烧死 突发火后果分析 主要是确定可燃混合气体的燃烧上 下极限及其下限随气团扩散变化的范围 为此 可按气团扩散模型计算气团大小和可燃混合气体的浓度 还要考虑不同条件下气雾内的人群数量 闪火 闪火是可燃蒸气云的非爆炸燃烧 燃烧速度虽然很快但比爆炸慢得多 危害主要是热辐射而没有冲击波 有关闪火的后果分析研究还很不充分 一般可以认为蒸气云浓度在气体爆炸上 下限之间的范围为闪火范围 闪火的热辐射也可以采用适当的模型描述 但考虑到蒸气云本身的形状已经难于确定 而闪火持续时间又很短 因此一般后果分析可不考虑其热辐射效应 只考虑闪火范围内的伤害 一般可认为闪火范围内的室外人员将全部烧死 建筑物内将有部分人被烧死 在缺乏资料时 可以认为室内的死亡率为0 6 热辐射伤害概率模型 热辐射伤害也常用概率模型描述 概率与伤害百分率的关系为 当Pr 5时 伤害百分率为50 2 火灾损失 火灾通过热辐射的方式影响周围环境 当火灾产生的热辐射强度足够大时 可使周围的物体燃烧或变形 强烈的热辐射可能烧毁设备甚至造成人员伤亡等 火灾损失估算建立在辐射强度与损失等级的相应关系的基础上 表3 2为不同入射强度造成伤害或损失的情况 从表中可看出 辐射强度较低时 火灾致人重伤需要一定的时间 这时人们可以逃离现场或掩蔽起来 表2 2热辐射的不同入射强度所造成的损失 表3 2为不同入射强度造成伤害或损失的情况 从表中可看出 辐射强度较低时 火灾致人重伤需要一定的时间 这时人们可以逃离现场或掩蔽起来 2 爆炸模型 2 爆炸模型爆炸是物质的一种非常急剧的物理 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 它通常是借助于气体的膨胀来实现 1 爆炸过程很快2 爆炸点压力急剧升高 产生冲击波3 发出响声4 周围介质发生震动 爆炸特征 按爆炸性质可分为物理爆炸和化学爆炸 物理爆炸 爆炸发生仅是介质的状态参数变化 状态参数 温度 压力 体积 化学爆炸 爆炸介质的化学性质发生变化 三要素 放热 气体产物 快速 掌握 1 物理爆炸的能量 发生物理爆炸 如压力容器破裂时 气体膨胀所释放的能量 即爆破能量 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有关 因为有的介质以气态存在 如空气 氧气 氢气等 有的介质以液态存在 如液氨 液氯等液化气体 高温饱和水等 容积与压力相同而相态不同的介质 在容器破裂时产生的爆破能量也不同 而且爆炸过程也不完全相同 其能量计算公式也不同 1 压缩气体与水蒸气容器的爆破能量 当压力容器中介质为压缩气体 即以气态形式存在而发生物理爆炸时 其释放的爆破能量为 2 14 式中 Eg 气体的爆破能量 kJ p 容器内气体的绝对压力 MPa V 容器的容积 m3 k 气体的绝热指数 即气体的定压比热与定容比热之比 表2 3常见气体的绝热指数 从表中可看出 空气 氮 氧 氢及一氧化氮 一氧化碳等气体的绝热指数均为1 4或近似为1 4 若将k 1 4代入式 3 14 中 则 2 15 令 2 16 则式 3 15 可简化为 Eg CgV 2 17 式中 Cg 常用压缩气体爆破能量系数 kJ m3 表2 4常见的几种压力下的气体容器爆破能量系数 k 1 4时 将干饱和蒸气的绝热指数k 1 135代入式 3 14 中 可得干饱和蒸气容器爆破能量为 2 18 用上式计算有较大的误差 因为它没有考虑蒸气干度的变化和其他的一些影响 但它可以不用查明蒸气热力性质而直接进行计算 因此可供危险性评价参考 常见的几种压力下的干饱和蒸气容器的爆破能量可按下式计算 式中 Es 干饱和蒸气的爆破能量 kJ V 干饱和蒸气的体积 m3 Cs 干饱和蒸气的爆破能量系数 kJ m3 2 19 表2 5常见的几种压力下的干饱和蒸气容器爆破能量系数 2 介质全部为液体时的容器爆破能量 通常将液体加压时所做的功作为常温液体压力容器爆炸时释放的能量 计算公式如下 2 20 式中EL 常温液体压力容器爆炸时释放的能量 kJ p 液体的压力 绝 Pa V 容器的体积 m3 t 液体在压力p和温度t下的压缩系数 Pa 1 3 液化气体与高温饱和水的容器爆破能量 液化气体和高温饱和水一般在容器内以气液两态存在 当容器破裂发生爆炸时 除了气体的急剧膨胀做功外 还有过热液体激烈的蒸发过程 在大多数情况下 这类容器内的饱和液体占有容器介质质量的绝大部分 它的爆破能量比饱和气体大得多 计算时考虑气体膨胀做的功 过热状态下液体在容器破裂时释放出的爆破能量可按下式计算 掌握 式中 E 过热状态液体的爆破能量 kJ H1 爆炸前饱和液体的焓 kJ kg H2 在大气压力下饱和液体的焓 kJ kg Sl 爆炸前饱和液体的熵 kJ Kg S2 在大气压力下饱和液体的熵 kJ kg T1 介质在大气压力下的沸点 kJ kg W 饱和液体的质量 kg 饱和水容器的爆破能量按下式计算 Ew CwV 2 22 式中 Ew 饱和水容器的爆破能量 kJ V 容器内饱和水所占的容积 m3 Cw 饱和水爆破能量系数 kJ m3 其值见表3 6 表2 6常用压力下饱和水爆破能量系数 2 爆炸冲击波及其伤害 破坏作用 压力容器爆炸时 爆破能量在向外释放时以冲击波能量 碎片能量和容器残余变形能量三种形式表现出来 后两者所消耗的能量只占总爆破能量的3 15 大部分能量的作用是产生空气冲击波 1 爆炸冲击波 冲击波是由压缩波叠加形成的 是波阵面以突进形式在介质中传播的压缩波 容器破裂时 容器内的高压气体大量冲出 使它周围的空气因受到冲击而发生扰动 使其状态 压力 密度 温度等 发生突跃变化 这种扰动传播的速度大于被扰动的介质的声速 其在空气中的传播就成为冲击波 在离爆破中心一定距离的地方 空气压力会发生迅速的变化 而且变化幅度大 冲击波伤害 破坏作用的衡量准则 超压准则 冲量准则 超压 冲量准则等 超压准则认为 只要冲击波超压达到一定值 便会对目标造成一定的伤害或破坏 超压波对人体的伤害和对建筑物的破坏作用见表2 7和表2 8 表2 7冲击波超压对人体的伤害作用 表2 8冲击波超压对建筑物的破坏作用 2 冲击波的超压 2 冲击波的超压 2 冲击波的超压 2 冲击波的超压 2 冲击波的超压 2 冲击波的超压 2 冲击波的超压 冲击波波阵面上的超压与产生冲击波的能量有关 同时也与波阵面距离爆炸中心的远近有关 冲击波的超压与爆炸中心距离的关系为 2 23 式中 p 冲击波波阵面上的超压 MPa R 距爆炸中心的距离 m n 衰减系数 衰减系数在空气中随着超压的大小而变化 在爆炸中心附近为3 4 3 当超压在数个大气压以内时 n 2 小于1个大气压时 n 1 5 实验数据表明 不同数量的同类炸药发生爆炸时 如果 2 24 则 p p0 2 25a 即满足一定位置关系的不同数量的同类炸药所产生的冲击波超压相同 式中 R 目标与爆炸中心距离 m R0 目标与基准爆炸中心的相当距离 m q0 基准炸药量 TNT kg q 爆炸时产生冲击波所消耗的炸药量 TNT kg p 目标处的超压 MPa p0 基准目标处的超压 MPa a 炸药爆炸试验的模拟比 式 3 25a 也可写成 p R p0 R0 2 25b 表2 91000kgTNT爆炸时的冲击波超压 综上所述 计算压力容器爆破时对目标的伤害 破坏作用 可按下列程序进行 首先根据容器内所装介质的特性 分别计算出其爆破能量E 将爆破能量E换算成TNT当量qTNT 1kgTNT爆炸所放出的爆破能量为4230 4836kJ kg 一般取平均爆破能量为4500kJ kg 故其关系为 2 26 求出爆炸的模拟比a 即 2 27 求出在1000kgTNT爆炸试验中的相当距离R0