池火灾 蒸汽云爆炸模型

2、火灾、爆炸事故后果模拟分析
罐区所储存物料中，丙酮的闪点最低，燃爆概率较其它物料高，因此在本评价中选取100m 3丙酮储罐进行火灾、爆炸事故后果模拟分析。

1）丙酮泄漏后造成火灾、爆炸所需要的时间
丙酮易燃，如果发生泄漏，其蒸气极易与空气形成爆炸性混合物，在存在引火源的条件下，引起燃烧爆炸事故。

丙酮液体泄漏可根据流体力学中的柏努力方程计算泄漏量。

当裂口不规则时，可采取等效尺寸代替；当泄漏过程中压力变化时，则往往采用如下经验公式：
gh
P P A C Q d 2)
(20+-=ρ
ρ
式中：
Q ：液体泄漏速率，㎏/s ；
C d ：液体泄漏系数，选择情况参照表5.7，取0.50； A ：裂口面积，1/4×（0.05×20%）2×3.14=0.0000785m 2； ρ：泄漏液体密度，㎏/m 3，丙酮密度取800㎏/m 3； p-p 0:0Pa ；(设备内为常压) g ：重力加速度，9.8m/s 2； h ：裂口之上液位高度，3.0m 。

泄漏系数C d 的取值通常可从标准化学工程手册中查到。

下表为常用的液体泄漏系数数据。

附表4.15 液体泄漏系数Cd
丙酮储罐的泄漏主要因为管道法兰、阀门密封面的破损等原因造成的。

储存过程中由于法兰、阀门密封面的破损，裂口尺寸取管径的20％，设事故管道的直径为DN50。

通过计算可知，丙酮储罐接管管径破损20%时的泄漏速率为Q=241g/s。

丙醇的爆炸下限为2.5％，分子量为58.09，储罐泄漏时，假设泄漏时泄漏的液体全部蒸发为气体，以泄漏点周围1m3区域范围内形成可燃性混合气体计，系统中的丙醇蒸气体积分数及质量浓度比在20℃时的换算公式：
Y=L×M/2.4
=2.5×58.09/2.4
=60.51g/m3
因此，当泄漏点1m3区域范围泄漏出来的可燃物质丙酮达到60.51g时，就会达到混合性爆炸气体的爆炸下限。

所以，泄漏出来的丙酮液体气化后0.251秒钟内可在泄漏点1m3范围内形成爆炸性混合气体。

以下是不同管径破损20％时，在泄漏点1m3范围内形成爆炸性混合气体所需要的时间，其它易燃液体泄漏后形成爆炸性气体所需时间可参照丙酮。

附表4.16 丙酮储罐接管不同管径破损泄漏后形成爆炸性气体所需时间
2)丙酮泄漏后出现火灾、爆炸事故造成的伤害范围 （1）池火灾
罐区内丙酮储罐泄漏后丙酮流到地面形成液池，遇火源燃烧形成池火。

假设丙酮泄漏后，控制措施完全失效，其泄漏的时间足够长，防火堤内全部充满液体。

其液池的当量半径r 可由下式计算。

2
1
)(
π
S
r =
S —防火堤有效面积（防火堤面积与储罐占地面积之差）
，m 2；
r —液池半径，m ；
其防火堤的参数见下表。

附表4.17 丙酮储罐的防火堤参数
①火焰高度
设液池为一半径为r ＝13.79m 的圆池子，其火焰高度按下式计算：
()6
.02102/84⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡=gr d
d r h t m ρ
式中：
—火焰高度，m ；
r —液池半径，m ；
0ρ—周围空气密度，kg/m
3
，1.293kg/m 3；
g
—重力加速度，9.8kg/s 2
dt
dm /—燃烧速率，kg/（m 2·s ），查有表丙酮的燃烧速率
h
为0.018kg/（m 2·s ）（注：以重油燃烧速率为参考）
经过计算得h ＝16.6m ②热辐射通量
液池燃烧时，火焰放出的总热辐射通量：
()1
72261
.02
0+⎪
⎭
⎫ ⎝⎛+=
dt dm H
dt
dm rh
r
q C
ηππ
式中：
0q —总热辐射通量，W/m
2
；
η—效率因子，可取0.13～0.35，取η＝0.15；
Hc —液体的燃烧热，丙酮的燃烧热
3.079x107J/kg ；
经计算得丙酮泄漏后总热辐射通量为：q 0=1.83×107W ③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 ）m 处的入射热辐射强度为：
()(
)
2
04.x t q x q c
π=
式中：
)(x q —目标接受到的热通量，W/㎡；
0q —火焰表面总热辐射通量，W ；
c t —热传导系数，在无相对理想的数据时，可取值为
1；
x —目标点到液池中心的距离，m ；
经计算知目标接受到的热通量为：
q(x)＝0.145689×107X -2（W ／m 2）＝1456.89X -2（kW ／m 2）
根据热辐射强度，确定不同的距离情况下的热辐射强度分布情况，具体见下表。

附表4.18 不同距离情况下的热辐射强度分布表
④火灾损失
火灾通过辐射热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。

根据上式热辐射强度公式，则得：X=[0
q t c /(4π
)(x q )]
0.5
,将上表
中的数值)(x q （37.5、25、12.5、4、1.6）代入上式中，结果如下表。

附表4.19 丙酮储罐池火灾所造成的伤害与对应的安全距离一览表
从表中可看出，在较小辐射等级时，致人重伤需要一定的时间，
这时人们可以逃离现场。

通过计算可知，当丙酮储罐发生泄漏导致池火灾时，在离火源中心约30.18m的距离之外人是较安全的。

因此企业应对原料罐区实行适时监控，定期检测、评估，加强储罐区的检查，做到早发现、早控制，防止事故的扩大和蔓延。

（2）丙酮蒸气云爆炸（VCE）
①爆炸当量
丙酮储罐评价计算量取储罐的最大储量的10%(蒸发量)即W f =10×103kg进行计算。

TNT当量计算式为：
W TNT =1.8αW f Q f /Q TNT
式中：1.8—地面爆炸系数
α—蒸气云当量系数，α=0.04
Q f—丙酮总爆热,Q f=30797kJ/kg
Q TNT—TNT的爆热，Q TNT =4520kJ/kg
因此，W TNT =1.8×0.04×10×103×30797/4520=4906kg
②死亡半径R1、重伤半径R2、轻伤半径R3
死亡半径指人在冲击波作用下头部遭受撞击致死的半径，死亡半径R1由下式确定：
死亡半径R1=13.6(W TNT /1000)0.37 =24.5m
重伤半径指处于死亡半径与该半径之间的人员如缺少防护，则绝大多数人员将遭受严重伤害，极少数人可能死亡或受轻伤,重伤半径R2由下列方程式求解：
重伤半径R2由下列方程组求解：
△P s =0.137Z-3 +0.119 Z-2 +0.269 Z-1－0.019 （1）
Z = R2 /（E/P0）1/3（2）
△P s = 44000/P0（3）
式中：E—爆源总热能
P0—环境压力
经计算得R2 =66m
轻伤半径指处于重伤半径与该半径之间的人员如缺少防护，则绝大多数人员将遭受轻微伤害，少数人将受重伤或平安无事，死亡的可能性极小。

轻伤半径R3由下列方程式求解：
轻伤半径R3由下列方程组求解：
△P s =0.137Z-3 +0.119 Z-2 +0.269 Z-1－0.019 （1）
Z = R3 /（E/P0）1/3（2）
△P s = 17000/P0（3）
经计算得R3 =118m
③对于爆炸性破坏，财产损失半径（建筑物破坏）R财的计算式为：
R财 =KⅡW TNT1/3 /[1+（3175/ W TNT）2]1/6
式中：KⅡ——二级破坏系数，KⅡ=5.6
计算得 R财=95 m
④蒸气云爆炸伤害半径小结
将上述计算结果列入下表中：
附表4.20 100m3丙酮蒸气云爆炸的伤害—破坏半径（m）
贮罐泄漏物蒸气云的爆炸事故是极小概率事件，是可以预防的，但是其爆炸的后果是十分严重的。

用数学模型计算分析测算表明：一
旦100m3丙酮储罐泄漏后蒸发出10%量的蒸气云发生爆炸，其后果将是十分严重的。

储罐区的爆炸在上述数学模型计算中是以一只丙酮储罐泄漏后蒸发出10%量的蒸气云作为研究对象，它的严重后果足以说明问题，整个罐区因爆炸而引起的后继严重后果，企业应当引起重视。