7火灾事故后果分析技术

备注： 由于将喷射火假设有5个点热源，所以某点 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。同时又由于喷射火焰长 度、形状受到喷射速度、喷射口形状和大小、风 速等多种因素影响。喷射火焰对目标的热辐射强 度计算存在大量的不确定性，为简化计算,假设喷 射火沿喷射中心线的全部点火源集中在某一点处, 如下图所示。
经计算，热辐射通量为48 275.80J；所以单个热 768.7 源的热辐射强度与距离的关系式为I 2 。
x
喷射火简化模型 • 所以，距离假设点热源x处的目标的入射热辐射强 度即为：
5 768.7 • 总辐射强度与距离的关系是为： I 。 2 x
q I 5 4 x 2
2.4 伤害面积的计算
第一章 池火灾
由于油罐破裂或运输意外,造成泄漏事 故,当遇到点火源,极可能发生池火灾。灾害 一旦发生,人员暴露在火灾的热辐射下,将会 受到严重的伤害。 池火灾通过热辐射方式影响周围环境， 当热辐射强度足够大时，可使周围物体燃 烧或变形，强烈的热辐射可能烧毁设备， 并造成人员伤亡。
池火灾实例
1999年，山西省某化工厂5000m3直径 为28.5米的汽油储罐发生火灾，顶部塌陷后 发展为池火灾，池液半径为12.25 m。顿时 周围一定范围内笼罩在强烈的热辐射中。 此事故造成16人死亡，百余人受伤，直接 经济损失5千万元，是一个典型的池火灾事 故。
根据上述计算公式,则气体流动属于声速流动, 在常温下其泄漏速度为Q0=0.868Kg/s
2.3 热辐射强度的计算
在将喷射火焰看成由沿喷射中心线上 的5个点热源组成的前提下。某点热源i到距 离该点x处某一目标点的热辐射强度为：
式中： 为点热源 i至目标点z处的热辐射强度， W/m2； 为辐射率，一般取0.2； x为点热源到目标点的距离，m。
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, 表1中给出了不 同热辐射通量造成不同的损失。根据表1中 不同损失入射通量的阙值,结合下述公式可 以确定喷射火造成不同灾害的半径和面积。
表1 辐射危害程度一览
表1 辐射危害程度一览
案例分析
本例中危险单元为输油管道，且无防护 堤。假定泄漏的液体无蒸发、已充分蔓延且 地面无渗透。泄漏量为1000kg，环境温度为 30℃。原油的性质为：比重0.85~0.89；相对 密度0.780~0.970（液）；闪点是6.67~32.22 ℃；自燃点350℃；爆炸极限1.1~6.4%（V）； 沸点300~325℃；火焰温度1100℃；热值418 70kJ/kg。
火灾事故后果分析
概述——历史上著名的火灾
火灾事故后果分析研究目的
火灾事故是工业重大危险事故里的主 要类型，对人的生命、财产和环境有巨 大的危害。火灾事故后果分析作为安全 评价的一种类型，对事故后果进行分析 及预测，为预测火灾、爆炸和中毒事故 造成的后果提供准确有效的数据，大大 缩短了灾害后果评估时间，提高灾害后 果评估精度，对预防、减少人员伤亡和 财产损失有积极影响，因此对火灾事故 进行事故后果分析是十分有必要的。
图1 模拟油罐燃烧热辐射的三维图
图2 包含烟气情况下的模拟油罐燃烧热辐射的三维图
图3 热辐射截面图模拟
热辐射计算所得热辐射曲线
经验公式计算法与FDS软件模拟 计算法之比较
两组数据对比可看出，计算数据更具有规律性，模拟 数据具有多变性和不对称性，但二者对于最大热辐射强度 的数值点的走向上是趋于一致的；通过对几个重要数值点 据在大部分时线完全拟合。 结论： a) 传统计算方法方便实用，可以规律性地获取相关数据，便 于掌握和预测油罐燃烧情况的总体情况。 b) FDS模拟对于火焰的动态变化情况更具实际意义，同时在 数值上对经验公式起到补充和完善作用。 c) 通过两种方法的结合，可以更全面准确地掌握油罐燃烧的 热辐射强度数据，更准确地预测油罐火灾的燃烧特性，对 实战具有重要的指导意义。
伤害半径： 伤害面积：
• 式中：I为热辐射强度，W/m2；q为点 热源热辐射通量，W； 为辐射率， 一般取0.2。
喷射火火灾危险区域的划分
• O代表喷射火源； • 区域SR代表“操作设备全部损坏，人员1％死亡／l0s、 100％死亡／1min”； • 区域So代表“在无火焰、长时间辐射下，木材燃烧；人 员重大损伤／l0s、100％死亡／1min”； • 区域SY代表“有火焰时，木材燃烧，塑料熔化；人员1 度烧伤／10s、l％死亡／1min”。
第二章 喷射火
喷射火事故后果分析中存在大量的不 确定性,分析困难较大。本文是运用喷射火 焰对目标的入射热辐射强度计算模型,确定 喷射火事故灾害损失面积,再根据城市街区 平均人口密度和平均财产密度确定事故中 人员伤亡数量和财产损失数量。在目前技 术和管理水平下这种方法是一种较好的方 法,并能为其他相关事故后果分析提供思路。
2.1 事故分析前假设
为了便于计算，首先我们把把整个喷 射火看成是由沿喷射中心线上的所有点热 源组成，每个点热源的热辐射通量相等。 （一般将喷射火焰看成由沿喷射中心线上 的5个点热源组成）
2.2 燃气泄漏速度的计算
当满足 时气体流动属于声速流动， 其泄漏速度为：
当满足 时，气体呈亚声速流动，其 泄漏速度为：
式中：V———质量燃烧速度，kg/(m2· s)； ρ———液体体积质量，kg/m3。 计算结果为：单位面积燃烧速度为0.0254 kg/(m2· s)
1.1.2 火焰高度计算
当液池为一个半径r的圆形池时，火焰高度按下述公 式计算：
式中：h—火焰高度，m； r—液池半径，m，半径为12.25 m； ρ0—周围空气的体积质量，取值1.16 kg/m3； g—重力加速度，取值9.8 m/s2。 计算结果为：火焰高度可达22.41 m（在大型火灾实 验中，火焰形状并不清晰，因为在火焰周围存在大量 的烟，所以上述火焰高度计算仅是理想情况下的估算 值）。
火灾的分类
火灾时或失去控制蔓延的一种灾害性燃烧现 象，是各种灾害中发生最频繁且最具毁灭性的一 种。火灾的种类很多，通常包括森林、建筑、油 类以及可燃气体和粉尘爆炸所引起的火灾。这里 主要针对易燃易爆的气体或液体泄漏后遇到引火 源被点燃而着火燃烧而引起火灾和固体类物质起 火成灾进行火灾事故后果分析。 由此，我们将火灾分为池火灾、喷射火、火 球、突发火和固体火灾五类。
1.1.4 目标入射热辐射强度的计算
假设全部辐射热量都由液池中心释放出来， 在距离液池中心点X（m）的某一点的入射热辐射 强度(目标入射热辐射强度)为：
式中：I—入射热辐射强度，W/m3； tc—热传导系数，在无相对理想数据时，可 取值1； X—目标点到火源（罐壁）的距离，m。
1.1.5 对比热辐射危害程度表ຫໍສະໝຸດ Baidu
备注： 以上两式中p0为环境压力,Pa; p为管道内 燃气压力,Pa; k为气体绝热指数（即定压比热 CP与定容比热CV之比; Q0为泄漏速度,kg/s; Cd为气体泄漏系数（当裂口形状为圆形时取 1.00,三角形时取0.95,长方形时取0.90; M为气 体摩尔质量,kg/Kmol; T为气体温度,K; A为裂 口面积,m2; R为气体常数,J/mol· K。

假设某市某街区经调查三个时间段的平均 人员密度分别为:ρ1、ρ1′、ρ1″ (人/m2),财产密度 为ρ2(元/m2)。根据下列公式可以计算喷射火事 故财产损失程度和人员伤亡数量,具体公式如下:
目前，对池火灾事故后果分析的方法大体有两
经验公式计算法步骤
1.1.1 燃烧速度的计算
由于燃烧速度极不稳定且不断变化，因 此取燃烧中期平均燃烧速度为准。不同直 径油罐液体表面上单位面积的燃烧速度为：
式中：Vb———直线燃烧速度，mm/s； D———油罐直径，m。
直线燃烧速度与质量燃烧速度的转换利用公 式：
池火灾事故后果分析方法
类： 一类是经验公式计算法 这种计算方法方便实用，简单易行，可以规 律性地获取相关数据，便于掌握和预测油罐燃烧情 况的总体情况。 一类是FDS软件模拟法 FDS (Fire Dynamics Simulator) 是美国国家技 术标准局（NIST）建筑火灾实验室开发的基于场模 拟的火灾模拟软件，该软件采用先进的大涡模拟技 术，得到众多实例验证，在火灾安全工程领域应用 广泛。
上述目标入射热辐射强度公式，反映 了热辐射能量与受害目标到火源距离之间 的关系。当入射热辐射通量是一个定值时， 可以计算出受害目标与火源之间的伤害距 离，参照辐射危害程度（表1），计算得 到：当I1=37.5 kW/m2时,X1=11.4m； I2=25.0 kW/m2时,X2=14.1m；I3=12.5 kW/m2时,X3=19.9m；I4=4.0kW/m2 时,X4=35.1m；I5=1.6 kW/m2时,X5=55.5 m。
1.1.3 液池燃烧时的总辐射量
液池燃烧时的总辐射量按下述公式计算：
式中：Q—总辐射量，W； η—效率因子，介于0.13至0.35之间;(根据试验 数据，对于大型油盘火灾，由于烟的屏蔽作用，使得 辐射分数随着油盘直径的增加而下降，该计算中取平 均值0.24); Hc—最大发热量，J/mol，取43 728.8 J/mol。 计算结果为：由该式计算得总热辐射量Q=61.9×103 kW。
喷射火事故后果分析结果为： 以喷射火源为中心，以10.12米为半径内的 S R =321.84m 2 的区域内操作设备全部损坏，人 员 1 ％死亡／ l0s 、 100 ％死亡／ 1min ；在以喷 射火源为中心，以10.12米到12.4米为半径 SO=160.92m2的环形范围内人员重大损伤／l0s、 100 ％死亡／ 1min, 在一喷射火源为中心，以 12.4 米到 17.54 米为半径的 SY=482.76m2 的环形 区域内人员1度烧伤／10s、l％死亡／1min 。
热辐射计算所得热辐射曲线
1.2 FDS模拟热辐射计算
FDS采用NIST的FDS火灾模拟器通过大涡模拟 来进行地面油罐火灾发展过程的可视化仿真。选取 油罐为中心的100 m3空间进行模拟，持续燃烧20s， 取以油罐中心横截面来观察热辐射以及数据导出， 经Smokeview截图可看出火焰不停变动但总体趋势 稳定，故取中心截面火焰1/2高度处5~15 s的平均值 为导出数据（选取相同距离热辐射最大值）， Smokeview模拟视图见图1~3：图1、2是FDS模拟油 罐燃烧热辐射的三维图，图2是包含烟气情况下的 辐射图。图3为热辐射截面图。
城市燃气管道喷射火事故实例
2003年，山东省潍坊市某输送天然气的 中压A级管道发生破裂，遇明火被点燃后发 展为喷射火灾事故,造成了一定量的人员伤 亡和财产损失。经测定，管道内燃气压力 为0.4MPa,外界大气压为1.01×105Pa,温度 为常温，裂口为圆形,且面积约为0.4cm2。
喷射火事故后果分析步骤
2.5 损失估算
城市燃气输送不同于长输燃气输送,城市燃气管道遍布 城市每个街区,其人口密度和财产密度很大,事故一旦发生, 极有可能造成重特大人员伤亡和财产损失。因此对城市燃 气管道喷射火灾害进行损失估计具有重要的实际意义。由 于城市人口流动很大,交通状况随时间和街区的不同而不 同,例如商业文化街、火车站、汽车站等区域人员密度很 大;时间上,在上下班高峰期街道人员密度很大,而夜晚人员 密度则很小。所以城市街区人员密度不易确定,但可以针 对街区不同的实际情况通过成立调查小组进行实地调查确 定。调查街区人员密度可分三个时间段进行:上下班时间 (7∶00-9∶00、11∶00-13∶00、17∶00-19∶00)、白天其 他时间(5∶00-7∶00、9∶00-11∶00、13∶00-17∶00、 19∶00-21∶00)、夜晚时间(21∶00-5∶00)。最后可以将调 查结果统计处理,得到各个时间段街区的人员密度。而街 区管道周边的财产密度也可以调查得到,不同的是财产密 度趋于稳定,受不确定性因素影响较小。值得注意的是财 产密度应包括路边停放和路上行驶的车辆。