第四章量化风险分析

1、LOGO第四章第四章 量化风险分析量化风险分析 量化风险分析量化风险分析是安全评价中的定量部分，其主要内是安全评价中的定量部分，其主要内容包括容包括: :事故后果分析（简称为事故后果分析（简称为后果分析后果分析）, ,即估计重大即估计重大灾害发生后会产生哪些不良的影响，以及这些不良影响灾害发生后会产生哪些不良的影响，以及这些不良影响所造成的伤亡和损害的严重性；估某一事件发生的概率所造成的伤亡和损害的严重性；估某一事件发生的概率或频率；估计个人风险（或频率；估计个人风险（IRIR）和社区风险（）和社区风险（SRSR），并以），并以图、表显示出来。图、表显示出来。 本章着重讨论事故后果分析，并简要

2、说明估计个本章着重讨论事故后果分析，并简要说明估计个人风险和社区风险的估计及其图示方式。人风险和社区风险的估计及其图示方式。 第一节第一节 后果分析后果分析 效应模型效应模型 重大灾害的重大灾害的事故事故 损伤模型损伤模型 重大灾害的事故后果分析包括两大部分：后果分析后果分析 （1）效应模型（effect models）：效应模型是发生灾害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、汽化和扩散模型来计算。这些物理现象包括泄漏、汽化和扩散。（2）损伤模型（vulnerability mod

3、els）：损伤模型是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。描述火灾、爆炸、毒性物质对人或设备的伤害或损毁情况。危险物质危险物质 气体气体 两相两相 液体液体 喷射口喷射口乱流分乱流分 气体气体 中性浮力中性浮力 沉重气体沉重气体 蒸腾蒸腾 气体气体 液体（雨）液体（雨） 喷射口喷射口 乱流分乱流分 汽汽 图图5-1 危险物质泄漏与扩散模型危险物质泄漏与扩散模型 易燃易爆物质或易燃易爆物质或毒性物质从容器、管路、毒性物质从容器、管路、阀门、法兰等泄出后，阀门、法兰等泄出后，可能呈现气态（气体或可能呈现气态（气体或蒸气）、液态和气蒸气）、液态和气-液液两态三种型态。液态物两

4、态三种型态。液态物质泄漏出的液体常在地质泄漏出的液体常在地上形成油池或者因为液上形成油池或者因为液体大量汽化而形成气云；体大量汽化而形成气云；气气-液两相泄漏是过热液两相泄漏是过热液体从泄漏口骤然喷到液体从泄漏口骤然喷到大气中，蒸气与液体混大气中，蒸气与液体混合，液体中较细小的颗合，液体中较细小的颗粒可能悬浮在空中形成粒可能悬浮在空中形成雾滴，较大的颗粒则下雾滴，较大的颗粒则下落，然后蒸发汽化。气落，然后蒸发汽化。气态泄漏的气体或蒸气由态泄漏的气体或蒸气由于密度与比重不同，呈于密度与比重不同，呈现上升或沉降两种扩散现上升或沉降两种扩散形式。形式。 一一 、效应模型、效应模型1 1、泄漏模型、泄

5、漏模型危险物质的泄漏有两种情况：危险物质的泄漏有两种情况： 一种是一种是从安全角度考虑而设计从安全角度考虑而设计的，当发生紧急状况时，的，当发生紧急状况时，设备上的安全装置就会自行泄漏，如安全阀跳脱的泄漏等；设备上的安全装置就会自行泄漏，如安全阀跳脱的泄漏等； 另一种则是另一种则是设备故障时的意外泄漏设备故障时的意外泄漏, ,如储槽破裂等。如储槽破裂等。后者才是重大危害管理的重点，但也要防范前者扩大成灾后者才是重大危害管理的重点，但也要防范前者扩大成灾害。在估计泄漏量时，最主要的问题是泄漏口大小的估计。害。在估计泄漏量时，最主要的问题是泄漏口大小的估计。若是安全设备的泄漏，可直接取阀径或管径；

6、若是其他意若是安全设备的泄漏，可直接取阀径或管径；若是其他意外事故的大量泄漏，要根据实际情况估计。外事故的大量泄漏，要根据实际情况估计。(1)(1)气态物质（气体与蒸气）泄漏气态物质（气体与蒸气）泄漏 气态泄漏发生在加压气体的容器或长管道、加压储槽槽顶的释气态泄漏发生在加压气体的容器或长管道、加压储槽槽顶的释压阀、液体油池的沸腾或蒸发、可燃性物质受热分解等情况。气体或压阀、液体油池的沸腾或蒸发、可燃性物质受热分解等情况。气体或蒸气的泄漏公式原理可由蒸气的泄漏公式原理可由伯努利定律、连续性公式和气体状态公式等等导出。导出。 计算从泄出口流出的气体泄漏速度计算从泄出口流出的气体泄漏速度可根据下式计

7、算可根据下式计算: : RTMApCGdp (公式公式1） Gp气体泄漏速度，即单位时间的泄漏物质的质量,kg/s；Cd气体的泄漏系数（圆形取1，三角形取0.9，长方形取0.85）；A 泄漏口面积,m2；流量系数,无量纲；T气体温度,K；R理想气体普适比例常数,R=8.3145 J/（molK）；M气体的分子质量,kg/mol。流量系数流量系数由物质泄漏时的强度而定：由物质泄漏时的强度而定：亚音速亚音速 即当即当 音速音速 即当即当 式中，式中，P P容器内介质压力容器内介质压力,Pa,Pa；PoPo外界环境压力外界环境压力, ,；k k气体绝热指数（气体绝热指数（ ），常在），常在1.11.

8、671.11.67。1021kkkPPkkkPPPPkk10202112 (公式公式2） 1021kkkPP12)1(12kkkk (公式公式3) rpcc当气体从释压阀泄出时，其气体的泄漏率可用下式计算：当气体从释压阀泄出时，其气体的泄漏率可用下式计算： 式中，式中， G Grvrv释压阀泄出的气体泄漏速度释压阀泄出的气体泄漏速度,kg/s,kg/s；Q Qf f 热通量热通量,J/s,J/s；h hfgfg 在释放压力时的汽化潜热在释放压力时的汽化潜热,J/kg,J/kg。 热通量是危险物质储存容器发生火灾时所接受的热。气态热通量是危险物质储存容器发生火灾时所接受的热。气态物质的泄漏还要考

9、虑它是绝热还是等温状况，并分辨是否有紧急物质的泄漏还要考虑它是绝热还是等温状况，并分辨是否有紧急泄漏状况发生。泄漏状况发生。fgfrvhQG (公式公式4） (2) (2) 液体泄漏液体泄漏 以大气压力储存的液体容器或管路破裂，或加压的液体在正常沸点以大气压力储存的液体容器或管路破裂，或加压的液体在正常沸点下的泄漏，都属纯液体泄漏。计算这种泄漏，常利用下的泄漏，都属纯液体泄漏。计算这种泄漏，常利用伯努利方程和连续伯努利方程和连续性公式性公式。容器内是等温状态时，计算方法较简单，可导出泄漏液体的强度。容器内是等温状态时，计算方法较简单，可导出泄漏液体的强度值（作为时间的函数），从原先的强度值呈直

10、线退减。如果容器内是绝热值（作为时间的函数），从原先的强度值呈直线退减。如果容器内是绝热状态时，计算方法比较复杂，因为在泄漏时，有一些液体会汽化。如果考状态时，计算方法比较复杂，因为在泄漏时，有一些液体会汽化。如果考虑这些蒸发的液体，必需进一步计算绝热泄漏物的强度。虑这些蒸发的液体，必需进一步计算绝热泄漏物的强度。 液体泄漏速度可用下式计算：液体泄漏速度可用下式计算： 210)(22ghPPACGdL (公式公式5) G GL L 液体泄漏速度液体泄漏速度,kg/s,kg/s；C Cd d 泄漏系数泄漏系数, ,无单位；无单位；A A 泄漏口面积泄漏口面积,m,m2 2；液体密度液体密度,kg

11、/m,kg/m3 3；P P液体储存压力液体储存压力,Pa,Pa；P Po o外界环境压力外界环境压力,Pa,Pa；g g 重力加速度；重力加速度；9.8m/s9.8m/s2 2h h 泄漏口上方液体的高度泄漏口上方液体的高度表表1 1 液体泄漏系数液体泄漏系数CdCd的取值的取值 雷诺数 （Re） 泄漏口形状 圆形（多边）三角形 长方形 100 0.65 0.60 0.55 100 0.5 0.45 0.4 (3) (3) 两相泄漏两相泄漏 两相泄漏发生在加压储槽或者装有温度在介质正常两相泄漏发生在加压储槽或者装有温度在介质正常沸点以上的液体的管道破裂；此外，释压阀因失控而紧沸点以上的液体的

12、管道破裂；此外，释压阀因失控而紧急排放或粘稠的泡沫液体急泻而出，也有这种现象。计急排放或粘稠的泡沫液体急泻而出，也有这种现象。计算两相泄漏量，可使用下式算两相泄漏量，可使用下式。 222ERMsubdpGGCG (公式公式6) G G2p 2p 两相泄漏速度两相泄漏速度,kg/ (m,kg/ (m2 2s)s)；C Cd d 泄漏系数泄漏系数, ,无单位；无单位；G Gsub sub 超冷液体的泄漏速度超冷液体的泄漏速度,kg/ (m,kg/ (m2 2s)s)；G GERM ERM 饱和液体的泄漏速度饱和液体的泄漏速度,kg/( m,kg/( m2 2s)s)。 N N 参数参数, ,无单位

13、，参见式无单位，参见式 式中，式中，P P 存储介质压力存储介质压力,Pa,Pa；P Pp p储存温度时的蒸气压储存温度时的蒸气压, ,； 液体密度液体密度,kg/m,kg/m3 3。)(2psubPPG (公式公式7） 就饱和液体而言，若泄漏管径大于就饱和液体而言，若泄漏管径大于0.1m0.1m（长度超过直径（长度超过直径的的1010倍），达到平衡时，泄漏速度为倍），达到平衡时，泄漏速度为 式中，式中，h hfgfg汽化潜热汽化潜热,J/kg,J/kg；V Vfgfg由液体变成蒸气的量由液体变成蒸气的量,m,m3 3/kg/kg；T T储存介质温度储存介质温度; ;C Cp p液体比热容液体

14、比热容,J/,J/（kgkgK K）。）。21pfgfgERMTCVhG (公式公式8) 当泄漏管径小于当泄漏管径小于0.1m0.1m，两相不平衡，即，两相不平衡，即 时，时，用下式来表示：用下式来表示： 式中，式中，L L 管路至开口的长度管路至开口的长度,m,m；L LC C 0.1m 0.1m CLL0CpfgdffgERMLLTCVCPhG222 (公式公式9） 例5-1 试计算丙烷在试计算丙烷在25250 0C C、5 510105 5 P Pa a状况下，从状况下，从10mm10mm的泄漏口泄漏的速的泄漏口泄漏的速度。丙烷的绝热指数为度。丙烷的绝热指数为1.151.15，蒸气压（，

15、蒸气压（2525）为）为8.38.310105 5 P Pa a 。解：因为存储压力低于丙烷的蒸气压，此泄漏必是纯气体泄漏。可使用因为存储压力低于丙烷的蒸气压，此泄漏必是纯气体泄漏。可使用气体泄漏公式。又，气体泄漏公式。又，P/PP/P0 0=5.0/1.0=5,=5.0/1.0=5,大于大于 =1.74=1.74，故属音速泄，故属音速泄漏。泄露口按圆形计算，其直径为漏。泄露口按圆形计算，其直径为0.01m0.01m，泄漏系数，泄漏系数C Cd d取取1 1，丙烷的分子，丙烷的分子量为量为4444，温度为，温度为298K298K，代入公式，代入公式( (公式公式3 3）及及( (公式公式1 1

16、）121kkk68. 0115. 1215. 11215. 0215. 2121kkkkskgRTMAPCGdp/58. 3685. 02983145. 84410501. 0452公式公式3 3：P P容器内介质压力容器内介质压力,Pa,Pa；PoPo外界环境压力外界环境压力, ,；k k气体绝热指数（气体绝热指数（C Cp p/C/Cr r ），），常在常在1.11.67。公式公式1 1：Gp气体泄漏速度，即单位时间的泄漏物质的质量,kg/s；Cd气体的泄漏系数（圆形取1，三角形取0.9，长方形取0.85）；A 泄漏口面积,m2；流量系数,无量纲；T气体温度；R理想气体普适比例常数,R=8

17、.3145 J/（molK）；M气体的分子质量,kg/mol。例5-2设某一未绝缘丙烷储槽的表面积是设某一未绝缘丙烷储槽的表面积是5 m5 m2 2，暴露于，暴露于槽外油池火焰。试计算经由释压阀泄出的丙烷泄漏速槽外油池火焰。试计算经由释压阀泄出的丙烷泄漏速度。度。 已知：环境系数已知：环境系数F=1.0F=1.0 丙烷汽化潜热丙烷汽化潜热h hfgfg=333kJ/kg=333kJ/kg 热通量热通量=266.2kJ/s=266.2kJ/s解：由式由式( (公式公式4)4)得：得： G Grvrv= =Q Qf f/h/hfgfg=266.2/333=0.8kg/s=266.2/333=0.8

18、kg/sG Grvrv释压阀泄出的气体泄漏速度释压阀泄出的气体泄漏速度,kg/s,kg/s；Q Qf f热通量热通量,J/s,J/s；h hfgfg在释放压力时的汽化潜热在释放压力时的汽化潜热,J/kg,J/kg。例5-3试计算丙烷在试计算丙烷在2525、111110105 5PaPa的状况下，从储槽的状况下，从储槽10mm10mm宽的裂口泄漏的速度。泄漏口上方液体高度是宽的裂口泄漏的速度。泄漏口上方液体高度是2m2m。已知丙烷。已知丙烷密度为密度为490kg/ m490kg/ m3 3，在，在2525时的蒸气压为时的蒸气压为8.38.310105 5PaPa。解：因槽内压力为因槽内压力为11

19、1110105 5PaPa 。泄漏一开始是液体，使用式。泄漏一开始是液体，使用式( (公式公式5 5），P= 11P= 1110105 5Pa, PPa, P0 0= 1= 110105 5PaPa210)(22ghPPACGdL 215228 . 92490101112490401. 065. 01.5kg/sG GL L 液体泄漏速度液体泄漏速度,kg/s,kg/s；C Cd d 泄漏系数泄漏系数, ,无单位；无单位；A A 泄漏口面积泄漏口面积,m,m2 2；液体密度液体密度,kg/m,kg/m3 3；P P液体储存压力液体储存压力,Pa,Pa；P Po o外界环境压力外界环境压力,Pa

20、,Pa；g g 重力加速度；重力加速度；9.8m/s9.8m/s2 2h h 泄漏口上方液体的高度泄漏口上方液体的高度2 2 、蒸发（、蒸发（flashflash）与汽化）与汽化液体在：液体在：a.常温与加压下常温与加压下(如丁烷如丁烷)；b.高温加压下（如受热的环已烷）高温加压下（如受热的环已烷）1在大气温度与压力下是挥发性的液体，如丙酮。在大气温度与压力下是挥发性的液体，如丙酮。 2低温大气压力下是冷冻液化气体，如液化天然气。低温大气压力下是冷冻液化气体，如液化天然气。 3 从封闭容器泄出的物质如果是液体，那么就会发生汽化，再形成蒸汽云。汽化率决定此蒸汽云的形成。在考虑由液体喷溅而形成的蒸

21、汽云时，要分辨三种情况：液体的汽化在以上三种情况是液体的汽化在以上三种情况是不相同不相同的的: : 第一种情况第一种情况，液体因为过热，在喷泄初期，会迅速蒸腾起来，液体因为过热，在喷泄初期，会迅速蒸腾起来，汽化率高，蒸汽中包含一部分的液体颗粒，其余的过热液体因汽化率高，蒸汽中包含一部分的液体颗粒，其余的过热液体因汽化潜热消失渐渐冷却，汽化率变低。汽化潜热消失渐渐冷却，汽化率变低。a a类过热液体是加压液类过热液体是加压液化的气体；化的气体；b b类过热液体是加温达到其平常沸点之上的液体。类过热液体是加温达到其平常沸点之上的液体。 第二种情况第二种情况的液体在泄出后接近平衡状态，所以汽化相对比较

22、的液体在泄出后接近平衡状态，所以汽化相对比较迟缓。迟缓。 第三种情况第三种情况是超低温冷冻的液化气体，泄出后接触大气温度，是超低温冷冻的液化气体，泄出后接触大气温度，起初会迅速汽化，然后逐渐温和的汽化。起初会迅速汽化，然后逐渐温和的汽化。(1) (1) 过热液体蒸发模型过热液体蒸发模型 过热液体在泄漏到大气之后，初期的汽化激烈，而后剩过热液体在泄漏到大气之后，初期的汽化激烈，而后剩下的液体在正常沸点继续汽化。汽化的第二阶段是次要的，下的液体在正常沸点继续汽化。汽化的第二阶段是次要的，可忽略不计。预估初期蒸腾的标准公式是：可忽略不计。预估初期蒸腾的标准公式是： 由由公式公式1010可知可知FrF

23、r是液体在热平衡状况下汽化的百分比。是液体在热平衡状况下汽化的百分比。事实上，液体泄出后常因压力突然下降，激烈沸腾而有喷射事实上，液体泄出后常因压力突然下降，激烈沸腾而有喷射的现象。喷射的液体在空气中迅速汽化，汽化的比例不小，的现象。喷射的液体在空气中迅速汽化，汽化的比例不小，KletzKletz（19771977）假设喷射的液体百分比等于用蒸腾而形成蒸）假设喷射的液体百分比等于用蒸腾而形成蒸气的百分比。气的百分比。fgbprhTTCF)(公式公式10) F Fr r泄出液体汽化的百分比泄出液体汽化的百分比 ,%,%；C Cp p液体比热容（液体比热容（T T至至T Tb b的平均值）的平均值

24、）,J/,J/（kgkgk k）；）；T T液体的初期温度液体的初期温度,K,K；T Tb b液体大气沸点液体大气沸点,K,K；h hfyfy液体在温度液体在温度TbTb时的汽化潜热时的汽化潜热,J/kg,J/kg。(2) (2) 挥发性液体的汽化挥发性液体的汽化 挥发性液体在泄出后形成油池，其汽化率由液体的蒸气压和吹过挥发性液体在泄出后形成油池，其汽化率由液体的蒸气压和吹过油池表面上方的风速而定。地表及空气的热转移供给液体汽化潜热，避油池表面上方的风速而定。地表及空气的热转移供给液体汽化潜热，避免液体冷却。目前对不同的油池有不同的汽化模型，例如圆形油池的汽免液体冷却。目前对不同的油池有不同的

25、汽化模型，例如圆形油池的汽化率化率E E为：为：式中，式中，E E液体汽化率液体汽化率, ,g/sg/s；M M液体分子量液体分子量,kg/mol,kg/mol；PvPv液体蒸气压液体蒸气压,Pa,Pa；T T液体的绝对温度液体的绝对温度,K,K；U U平均风速平均风速,cm/s,cm/s；r r油池半径油池半径,cm,cm，89.178.011106 .3rUTMPEv (公式公式11） 或或式中，式中，q qG G来自地表的热通量来自地表的热通量,W/m,W/m2 2；K Ks s土壤的热传导率，土壤的热传导率，W/(W/(m mK K) )；T Tg g土壤的温度土壤的温度,K,K；T

26、T油池的温度油池的温度,K,K；s s土壤的热扩散率土壤的热扩散率,m,m2 2/s/s；t t泄出时间泄出时间,s,s。tTTKsqsgG)( (公式公式12） (3)(3)冷冻液化气体的汽化冷冻液化气体的汽化 冷冻液化气体，如液化天然气（冷冻液化气体，如液化天然气（LNGLNG），泄漏在地上后，初期会迅速汽），泄漏在地上后，初期会迅速汽化，然后汽化率随时间延长而不断衰减。计算化，然后汽化率随时间延长而不断衰减。计算LNGLNG这类的冷冻液化气体的汽化率这类的冷冻液化气体的汽化率有多种模型，下列是其中一种方法有多种模型，下列是其中一种方法: :初期汽化率初期汽化率 式中，式中， W W 1

27、1分钟内汽化量分钟内汽化量,g/cm,g/cm2 2； K K1 1 常数常数 T TS S 地面温度地面温度,K,K； T Tl l-液体温度液体温度,K,K； H Hv v - - 汽化潜热汽化潜热,J/kg,J/kg。vlsHTTKW21 (公式公式13） 后期稳定连续汽化率后期稳定连续汽化率 vlsHTTKE2 (公式公式14) 液体接触的地面液体接触的地面 K K1 1 K K2 2 一般土壤一般土壤 2.97 2.97 62.76 62.76 混混 凝凝 土土 3.14 3.14 62.76 62.76 沙沙 岩岩 5.44 5.44 108.78 108.78 E E 稳定汽化率

28、（稳定汽化率（g/cmg/cm2 2minmin）W W 1 1分钟内汽化量分钟内汽化量,g/cm,g/cm2 2；K K2 2 常数常数T TS S 地面温度地面温度,K,K；T Tl l -液体温度液体温度,K,K；HvHv - - 汽化潜热汽化潜热,J/kg,J/kg。 总之，液体和冷冻液化气体的汽化问题要考虑的总之，液体和冷冻液化气体的汽化问题要考虑的因素比较多。首先，当液体或液化气体泄漏时，要考因素比较多。首先，当液体或液化气体泄漏时，要考虑储存溶液的压力、液体的高度、泄出口的直径、泄虑储存溶液的压力、液体的高度、泄出口的直径、泄漏系数、液体密度等。从危险物质本身考虑，则需要漏系数、

29、液体密度等。从危险物质本身考虑，则需要知道它的热容、汽化潜热、汽化密度、粘度等。当液知道它的热容、汽化潜热、汽化密度、粘度等。当液态物泄出后，还要考虑影响热转移的因素：如地面的态物泄出后，还要考虑影响热转移的因素：如地面的渗透性、热传导率、周围温度、风速、太阳热辐射等。渗透性、热传导率、周围温度、风速、太阳热辐射等。最后计算汽化率时，要考虑泄漏时间。最后计算汽化率时，要考虑泄漏时间。例5-4计算液态丙烷从容器泄漏到大气中蒸腾的百分比。已知容计算液态丙烷从容器泄漏到大气中蒸腾的百分比。已知容器的温度为器的温度为2525，压力为，压力为111110105 5PaPa，丙烷的热容为，丙烷的热容为2.

30、45KJ/2.45KJ/（KgKgK K），沸点为），沸点为-42-42即即231K231K，汽化潜热为，汽化潜热为429 KJ/Kg429 KJ/Kg。解：使用使用公式公式1010， Fr=Cp =2.45 Fr=Cp =2.45 =0.38 =0.38fgbhTT)(429)231298(F Fr r泄出液体汽化的百分比泄出液体汽化的百分比 ,%,%；C Cp p液体比热容（液体比热容（T T至至T Tb b的平均值）的平均值）,J/,J/（kgkgk k）；）；T T液体的初期温度液体的初期温度,K,K；T Tb b液体大气沸点液体大气沸点,K,K；h hfyfy液体在温度液体在温度Tb

31、Tb时的汽化潜热时的汽化潜热,J/kg,J/kg。例5-5 设设LNGLNG意外泄漏在储槽外面的土地上，形成小油池。其表面积达意外泄漏在储槽外面的土地上，形成小油池。其表面积达3000m3000m2 2，试求一分钟之内，试求一分钟之内，LNGLNG的汽化量。的汽化量。已知：已知：T T=LNG=LNG油池温度油池温度=-164=-164 T Ts s土壤温度土壤温度=25=25 HvHvLNGLNG汽化潜热（在汽化潜热（在-164-164时），时），502kJ/kg502kJ/kg解：求第一分钟内求第一分钟内LNGLNG的汽化率，使用的汽化率，使用公式公式1414， =0.22g/ cm =0

32、.22g/ cm2 2/ /分分 3000m 3000m2 2LNGLNG的汽化量的汽化量 = 0.22g/cm= 0.22g/cm2 2/ /分分3000 m3000 m2 2 =6.6 =6.610106 6 g/cm g/cm2 2/ /分分vlsHTTKW212050001642597.22W W 1 1分钟内汽化量分钟内汽化量,g/cm,g/cm2 2；K K1 1 常数常数T TS S 地面温度地面温度,K,K；T Tl l 液体温度液体温度,K,K；H Hv v 汽化潜热汽化潜热,J/kg,J/kg。3 3、扩散模型、扩散模型 在泄漏口处，泄漏物质动能的大小。在泄漏口处，泄漏物质

33、动能的大小。 1 要考虑泄漏情况是瞬间泄漏还是连续泄漏。要考虑泄漏情况是瞬间泄漏还是连续泄漏。 2 要考虑泄漏物质的物理化学特性。要考虑泄漏物质的物理化学特性。 34 气候条件影响蒸气云的扩散模型，包括气候条件影响蒸气云的扩散模型，包括风风和和大气大气稳定度。稳定度。 危险物质从容器或管路泄漏出去之后， 在空气中的扩散情况受到多种因素的影响： 风风风影响扩散模型因素有：风向、风速、风的持续性、风的搅动程度。风影响扩散模型因素有：风向、风速、风的持续性、风的搅动程度。风速的大小与离地面的高度有关。风速的垂直分布以下式表示：风速的大小与离地面的高度有关。风速的垂直分布以下式表示： 式中，式中，Uz

34、Uz风速风速, ,m/sm/s； UrUr在参考高度的风速在参考高度的风速, ,m/sm/s； Z Z高度高度,m,m； ZrZr参考高度参考高度,m,m； 指数（指数（0.12-0.50.12-0.5）。）。 指数指数在不稳定状况是在不稳定状况是0.250.25，在稳定状况是，在稳定状况是0.500.50。对重大危险。对重大危险源的风险分析，参考高度可取源的风险分析，参考高度可取10m10m高。高。rrzZZUU ZZr (公式公式15） 大气稳定度及其分类大气稳定度及其分类 所谓所谓大气稳定度大气稳定度（atmospheric stabilityatmospheric stability）

35、是）是大气压制或有利于乱流垂直运动的程度。大气压制或有利于乱流垂直运动的程度。 大气稳定度是影响气体散布的主要因素。其重要大气稳定度是影响气体散布的主要因素。其重要性质有下：性质有下： 、气温递减率气温递减率：距地表愈高，气温愈低；：距地表愈高，气温愈低； 、逆温现象逆温现象：气温随高度而增加的反常现象。：气温随高度而增加的反常现象。 、气温递减率、气温递减率 温度随着高度的增加而递减的比率称为温度随着高度的增加而递减的比率称为气温递减率气温递减率。温度随高度变化的改变率温度随高度变化的改变率 （式中（式中Z Z是高度）在绝热或是高度）在绝热或中性状况，约等于中性状况，约等于 或或 ，用，用

36、表示，表示，是气象学的一个基本常数。在绝热状下是气象学的一个基本常数。在绝热状下 ， 称为雷查德逊数（称为雷查德逊数（Richardson numberRichardson number）。）。 dZdTmC 01. 0mCdZdT1001dZdT0dZdT、逆温现象、逆温现象 逆温现象有两种情况：逆温现象有两种情况： 一种是一种是地表逆温地表逆温又称辐射逆温（又称辐射逆温（surface inversionsurface inversion），），通常在夜晚发生。通常在夜晚发生。 另一种是另一种是高处逆温高处逆温（elevated inversionelevated inversion），发

37、生在距地），发生在距地表较高的大气中（约表较高的大气中（约600-700600-700米高），地表逆温层压制地表的米高），地表逆温层压制地表的气体泄漏物向上扩散，而高处逆温层也抑制向上扩散的气云。气体泄漏物向上扩散，而高处逆温层也抑制向上扩散的气云。 另外，在另外，在海陆交接地区海陆交接地区和和人口稠密的市区人口稠密的市区，因海陆交互作用，因海陆交互作用，以及热岛效应以及热岛效应, ,对大气稳定度也有不小影响。对大气稳定度也有不小影响。大气稳定度的分类有两种：大气稳定度的分类有两种： 一种一种将大气稳定度分为：将大气稳定度分为： 不稳定状况不稳定状况 气温退减状况气温退减状况 中性状况中性状况

38、 稳定状况稳定状况 包括逆温状况包括逆温状况 这种分类用来定义这种分类用来定义suttonsutton公式中的标准差。公式中的标准差。（LeesLees，19861986） 另一种另一种大气稳定度分类，是由大气稳定度分类，是由PasquillPasquill所创所创（19611961）。）。表表5-25-2将大气稳定度分为将大气稳定度分为A A、B B、C C、D D、E E、F F六种。六种。A A层极不稳定情况，层极不稳定情况，B B层不稳定情况，层不稳定情况，C C层略不层略不稳定情况，稳定情况，D D层中性情况，层中性情况，E E层略稳定情况，层略稳定情况，F F层稳定层稳定情况。情况

39、。 此外，影响气云扩散的因素还有此外，影响气云扩散的因素还有地形、地势地形、地势。例如在蒸气云扩散途径中有山坡或建筑物，会造成气例如在蒸气云扩散途径中有山坡或建筑物，会造成气流偏向、停滞，产生小区域风速和风向的变化。流偏向、停滞，产生小区域风速和风向的变化。表表5-2 5-2 PasquillPasquill稳定度分类稳定度分类 地表风速（10m高） 日照程度 夜晚 强 中 弱 略阴或4/8云 3/8云 m/s 2 A A-B B - - 2-3 C E F 3-5 B B-C C D E 5-6 C C-D C D D 6 C D D D D （1 1）. . 烟气和喷气的扩散模型烟气和喷气

40、的扩散模型 烟气（烟气（PlumePlume）则是一种连续性、持续较久的物则是一种连续性、持续较久的物质扩散方式，如从烟囱，或从大油池挥发液体的汽化质扩散方式，如从烟囱，或从大油池挥发液体的汽化所形成的气云。所形成的气云。 喷气（喷气（PuffPuff）为瞬间、高运动量的泄漏方式，通为瞬间、高运动量的泄漏方式，通常是从小喷射口强力喷出。常是从小喷射口强力喷出。 地面地面瞬间点瞬间点发生源的浓度发生源的浓度C C是是 式中，式中，C C气云在位置气云在位置x x，y y，z z的浓度的浓度,kg/m,kg/m3 3； G G瞬间释出质量瞬间释出质量,kg,kg； x,y,zx,y,z释出源到释出

41、源到x x，y y，z z轴向的距离轴向的距离(m)(m)， x x：风向，：风向，y y：逆风风向：逆风风向（水平面上垂直于风向），（水平面上垂直于风向），z z：垂直方向；：垂直方向； x,y,zx,y,z轴向的标准差或扩散系数（轴向的标准差或扩散系数（m m），气象学上的常数。），气象学上的常数。zyx,2222223221exp22,zyxzyxzyxGlzyxC (公式公式16） 在地面在地面持续点持续点发生源的浓度发生源的浓度C C是是 式中，式中，C C气云在位置气云在位置x,y,zx,y,z的浓度的浓度,kg/m,kg/m3 3； G G持续质量泄漏速度持续质量泄漏速度,kg/

42、s,kg/s； U U风速风速, ,m/sm/s。222221exp,zyzyzyUGzyxC (公式公式17） 在在较高处持续点较高处持续点发生源的浓度发生源的浓度C C（图（图5-35-3）是）是 式中，式中，C C气云在位置气云在位置x,y,zx,y,z的浓度的浓度,kg/m3,kg/m3； G G持续质量泄漏速度持续质量泄漏速度,kg/s,kg/s； H H地面上发生源高度加上烟气上升距离地面上发生源高度加上烟气上升距离,m,m； yzyzy,xy,x轴向的扩散系数轴向的扩散系数,m,m； U U风速风速, ,m/sm/s。2222222exp2exp2exp2,zzyzyHzHzyU

43、GzyxC (公式公式18） 图5-2 较高处持续点发生源的高斯分 上两式上两式公式公式1717与与公式公式1818仅适用于扩散时间小于或仅适用于扩散时间小于或等于等于1010分钟分钟的情况。如果扩散时间的情况。如果扩散时间超过超过1010分钟分钟，那么，那么点发生源下风浓度比较低，因为这时风向可能发生转变。点发生源下风浓度比较低，因为这时风向可能发生转变。扩散时间在扩散时间在1010分钟到分钟到2 2小时的散步浓度，可用下式计算：小时的散步浓度，可用下式计算： (公式公式19） 17. 0 tC 此外还需注意的是，瞬间与连续点发生源的此外还需注意的是，瞬间与连续点发生源的 各不相同。常设定瞬

44、间点发生源的各不相同。常设定瞬间点发生源的 。上列各公式使。上列各公式使用的一些气象学参数，可参考用的一些气象学参数，可参考表表5-35-3及及图图5-35-3与与图图5-45-4。zyx,yx 图5-3 逆风散布系数与距离之间的关系逆风散布系数距 离（）返回 图5-4 垂直散布系数与距离之间的关系 垂直散布系数距 离（）返回例5-6（AlChemAlChem，CPQRACPQRA，19891989）ClCl2 2从地面上高从地面上高1 1米处以泄漏速度米处以泄漏速度0.3kg/s0.3kg/s泄漏到下风泄漏到下风120120米，逆风米，逆风1010米。米。垂直高度垂直高度2 2米的地方，试求

45、米的地方，试求ClCl2 2在该处的浓度。在该处的浓度。已知：风稳定度为已知：风稳定度为D D 风速（在风速（在1010米高）为米高）为5m/s5m/s （大气系数）为（大气系数）为0.250.25（公式公式1515的指数）的指数）解：由由公式公式1515 =3.3m/s3.3m/s 由由表表5-25-2 9.5m 9.5m25. 01025rrzZZUU90. 0128. 0 xy85. 093. 0 . 0 xz 5.5m U Uz z风速风速,m/s,m/s； U Ur r在参考高度的风速在参考高度的风速,m/s,m/s； Z Z高度高度,m,m； Z Zr r参考高度参考高度,m,m；

46、 指数（指数（0.12-0.50.12-0.5）。）。由由公式公式1818计算计算C CC C（x,y,zx,y,z） 实际情况发生的气云扩散常与上述的喷气或咽气模型不完全实际情况发生的气云扩散常与上述的喷气或咽气模型不完全一样，而是接近于两者之间。对此问题解决的办法是同时使用两一样，而是接近于两者之间。对此问题解决的办法是同时使用两种模型分别计算，再取结果比较差的数据。种模型分别计算，再取结果比较差的数据。2222222)(exp2exp2exp2zzyzyHZHZyUG)3 . 3)(5 . 5)(5 . 9(23 . 0225 . 9210exp22225 . 5212exp5 . 52

47、12exp35103 .10mkg = C C气云在位置气云在位置x,y,zx,y,z的浓度的浓度,kg/m,kg/m3 3； G G持续质量泄漏速度持续质量泄漏速度,kg/s,kg/s； H H地面上发生源高度加上烟气上升距离地面上发生源高度加上烟气上升距离,m,m； y yz zy,xy,x轴向的扩散系数轴向的扩散系数,m,m； U U风速风速,m/s,m/s。另一种简便的办法是用下列方法选用估计模型：另一种简便的办法是用下列方法选用估计模型： 当当 ，使用喷气模型，使用喷气模型，t tc c是气体全部汽化或泄漏的时是气体全部汽化或泄漏的时间间 当当 ，使用咽气模型，使用咽气模型 ，t t

48、c c是气体全部汽化或泄漏的是气体全部汽化或泄漏的时间时间 ，没有一个现有模型完全适用，没有一个现有模型完全适用此外，风速低于此外，风速低于2m/s2m/s时，也不适合使用咽气模型时，也不适合使用咽气模型xcUt2xcUt5xcxUt52（2 2）. . 沉重气体的扩散模型沉重气体的扩散模型 沉重气体在刚泄漏后会有沉降现象，不一定只是沉重气体在刚泄漏后会有沉降现象，不一定只是因为它比空气重，还与其他因数有关。因为它比空气重，还与其他因数有关。 影响沉重气体形成的影响沉重气体形成的因素因素主要有四个：主要有四个：气体的分子量；气体的分子量；气体泄漏时的温度；气体泄漏时的温度；泄漏口四周的气体温、

49、湿度；泄漏口四周的气体温、湿度；有无喷射现象。有无喷射现象。1气体的分子量气体的分子量2气体泄漏时的温气体泄漏时的温度度3泄漏口四周的气泄漏口四周的气体温、湿度体温、湿度 4 有无喷射现象有无喷射现象 沉重气体在刚泄漏后会有沉降现象，不一定只是因为它比空气重，还与其他因数有关。 影响沉重气体形成的因素主要有四个： 沉重气体在泄漏后的行为可分为三个阶段（沉重气体在泄漏后的行为可分为三个阶段（图5-5 AIChemAIChem ECPQRAECPQRA）：）：初期的混合；有加速度喷泻，卷入四周被冷凝的小初期的混合；有加速度喷泻，卷入四周被冷凝的小水珠，扩散稀释的现象；水珠，扩散稀释的现象；重力沉降

50、；重力沉降；回复中性浮力气云情况。回复中性浮力气云情况。初期的加速和稀释过度期释出源12重力沉降45受到周围空气搅动的影响 图图5-5 沉重气云散布后的各个阶段沉重气云散布后的各个阶段 沉重气体在第一阶段沉重气体在第一阶段初期的混合阶段较难预测的是：初期的混合阶段较难预测的是：喷出喷出多少小液滴；多少小液滴；卷入或带走多少四周的小水珠。在第二阶段中气云本卷入或带走多少四周的小水珠。在第二阶段中气云本身的质量或其密度与空气密度差决定重力沉降。应用伯努利身的质量或其密度与空气密度差决定重力沉降。应用伯努利（BernoulliBernoulli）定理，可得：）定理，可得： 式中，式中，R R蒸气云半

51、径蒸气云半径,m,m； K K1 12 2 气云与空气间的密度之差气云与空气间的密度之差,kg/m,kg/m3 3； a a空气的密度空气的密度,kg/m,kg/m3 3； g g重力加速度，重力加速度，kg/skg/s2 2； H H蒸气云的高度，蒸气云的高度，m m。aKgHKR (公式公式20） 现在已发表的沉重气云扩散模型约有现在已发表的沉重气云扩散模型约有4545种，可分为三种，可分为三大类：大类：箱形模型箱形模型(box model)(box model)或板状模型或板状模型(slab (slab model)(model)(也称为也称为top-hattop-hat模型者模型者)

52、)；K-K-理论模型理论模型( (旋涡扩散旋涡扩散性模型性模型)(K-theory model)(K-theory model)；物理模型物理模型(physical(physical或或scale)scale) 。 物理模型物理模型采用风洞或水槽试验采用风洞或水槽试验, ,模拟沉重气体扩散情模拟沉重气体扩散情况况, ,特别是气云遇到障碍物或不规则地形地势的情况。由特别是气云遇到障碍物或不规则地形地势的情况。由于大气稳定度和风速分布模拟较难，在制程安全评价中，于大气稳定度和风速分布模拟较难，在制程安全评价中，很少能用这种模型。很少能用这种模型。 箱型模型箱型模型和和K-K-理论模型理论模型都是数

53、学模型。这些模型或多都是数学模型。这些模型或多或少设定一些假设，常见的或少设定一些假设，常见的假设假设有：有：扩散的气云在平坦的地形或水面上移动。扩散的气云在平坦的地形或水面上移动。地面或水面的起伏程度一致不变地面或水面的起伏程度一致不变地面或水面的热性质一致不变地面或水面的热性质一致不变在风或气云移动的途径中没有障碍物，如护墙、储槽、建在风或气云移动的途径中没有障碍物，如护墙、储槽、建物等。物等。在扩散的过程中，气云没有发生化学性或物理性变化。在扩散的过程中，气云没有发生化学性或物理性变化。气云在飘飞路线上，不考虑各地点的浓度的差异。气云在飘飞路线上，不考虑各地点的浓度的差异。 此外，此外，

54、箱型理论箱型理论中有些模型又还假设：中有些模型又还假设：气云的上端是平坦的；气云的上端是平坦的；气云的速度或浓度在假设的圆柱或箱型模型内是一致不变的；气云的速度或浓度在假设的圆柱或箱型模型内是一致不变的；以重力描述气云沉降速度。以重力描述气云沉降速度。箱型模型箱型模型估计气云半径、平均高度、平均温度等，其估计气云半径、平均高度、平均温度等，其缺点缺点是：是：没有考虑建筑物以及地形的影响；没有考虑建筑物以及地形的影响；不能估计出最高浓度与平均浓度间的关系；不能估计出最高浓度与平均浓度间的关系；没有考虑泄漏物质随时间而变化的性质。而且，真正的气云很没有考虑泄漏物质随时间而变化的性质。而且，真正的气

55、云很少是圆柱形或上端平坦的。少是圆柱形或上端平坦的。 与箱型模型比较起来，与箱型模型比较起来，K-K-理论模型理论模型就复杂多了。就复杂多了。K-K-理论模型以质量守恒定律为基础，以二次方或三次方的理论模型以质量守恒定律为基础，以二次方或三次方的公式表示质量、动量与能量关系。常包括一些非线性偏公式表示质量、动量与能量关系。常包括一些非线性偏微分公式，使用电脑解决问题，有时还用到有限元法。微分公式，使用电脑解决问题，有时还用到有限元法。其结果以三纬空间的圆形显示。其结果以三纬空间的圆形显示。 这种模型不要作地面平坦及无障碍物等的假设，它这种模型不要作地面平坦及无障碍物等的假设，它考虑到地形、地势

56、的影响因数，并描绘建筑物四周的气考虑到地形、地势的影响因数，并描绘建筑物四周的气流流动情况。它假设质量转移与浓度升降率成正比，与流流动情况。它假设质量转移与浓度升降率成正比，与旋涡扩散旋涡扩散(eddy diffusion)(eddy diffusion)成正比关系。成正比关系。实施沉重气云模型的预测，所需的基本资料和输入参数包括：实施沉重气云模型的预测，所需的基本资料和输入参数包括：(1)(1)叙述泄漏率、油池分布和汽化所需的资料叙述泄漏率、油池分布和汽化所需的资料 泄漏危险物质的物理性质：如分子量、密度、温度、沸点、汽化潜泄漏危险物质的物理性质：如分子量、密度、温度、沸点、汽化潜热等。热等

57、。 与危险物质接触的地面的物理性质：如热容、热传导率等与危险物质接触的地面的物理性质：如热容、热传导率等 泄漏的性质：如型式（瞬间、连续性、或随时间而变化）、大小泄漏的性质：如型式（瞬间、连续性、或随时间而变化）、大小（体积或体积变化率）、发生源（点、线、油池、较高处）、释出（体积或体积变化率）、发生源（点、线、油池、较高处）、释出种类（动量喷口（种类（动量喷口（jetjet）、浮力咽气、）、浮力咽气、flashflash汽化等）、泄漏时的初汽化等）、泄漏时的初态（与空气稀释、小液滴）。态（与空气稀释、小液滴）。(2)(2)气云扩散模型所需的资料气云扩散模型所需的资料 地形、地势、地面温度、水

58、珠进入气云的情况。地形、地势、地面温度、水珠进入气云的情况。 气象资料：如风速、风向、大气稳定度、空气温度、湿度、气压等气象资料：如风速、风向、大气稳定度、空气温度、湿度、气压等(3)(3)模型的参数模型的参数 在在y y和和z z方向的标准差（方向的标准差（K-K-理论模型用到）。如果是理论模型用到）。如果是瞬间泄漏就要用瞬间泄漏就要用x x方向的标准差。方向的标准差。 蒸气发生率和发生源半径。蒸气发生率和发生源半径。 重力分布常数。重力分布常数。 空气被带走的系数（板状模型用到）。空气被带走的系数（板状模型用到）。 气云边线和上端表面的形状和大小范围。气云边线和上端表面的形状和大小范围。

59、强力和自由对流热转移系数强力和自由对流热转移系数 使用沉重气云模型主要预估气云的半径、浓度、飘飞到某使用沉重气云模型主要预估气云的半径、浓度、飘飞到某一地点的时间以及气云的危害范围。气云的危害范围是危险的一地点的时间以及气云的危害范围。气云的危害范围是危险的外泄物质在达到其燃烧（或爆炸）下限（外泄物质在达到其燃烧（或爆炸）下限（LFLLFL）以上的下风范）以上的下风范围。围。 有一个比较简便的预估方法称为比例定律：有一个比较简便的预估方法称为比例定律： 式中，常数是根据气体的物理性质及气候状况而定。式中，常数是根据气体的物理性质及气候状况而定。公式公式2020没没有考虑风和其他因数的影响。有考

60、虑风和其他因数的影响。 aKgHKR (公式公式20） 3气云的质量常数气云的半径 英国英国CanveyCanvey Island Island报告书报告书(HSE,1981)(HSE,1981)使用下式计算蒸气云的半径：使用下式计算蒸气云的半径： 式中，式中， r r气云的半径；气云的半径； M M气云的质量。气云的质量。 此式是假设气云的此式是假设气云的半径与其高度之比为半径与其高度之比为5 5：1 1。这一比例与。这一比例与19741974年英年英国环已烷大爆炸案的气云相吻合（国环已烷大爆炸案的气云相吻合（Lees 1980Lees 1980）。）。 英国政府卫生安全署（英国政府卫生安全