第二章 气云爆炸事故机理及模型

7.2 事故后果模拟预测
易燃易爆物料泄漏的本重大危险源发生事故的原因之一，对物料发生泄漏的可能进行预测具有一定的必要性。

运用事故后果模拟分析，在理论推导和实验分析的基础上，建立事故后果模拟数学模型，运用计算机系统预现事故的后果影响范围，以便企业有针对性地建立事故应急预案，实施有效的防范措施。

爆炸性气体以液态储存，如果瞬间泄漏后遇到延迟点火或泄漏到空气中，遇到火源，则可能发生蒸气云爆炸。

导致蒸气云形成的力来自容器内含有的能量或可燃物含有的能量，或两者兼而有之。

“能”的主要形式是压缩能、化学能或热能。

一般说来，只有化学能和热能才能单独形成蒸气云。

以危险性较大的丙烷储罐为例，丙烷的燃烧热为50290kJ/kg，一只50m3的丙烷储罐中最大储存量约22000kg，假设剩余5000kg的物料发生燃爆事故，运用安全评估软件，对易燃液体泄漏发生燃爆的后果进行评估。

评估结果见表7.1。

表7.1 蒸气云爆炸模型评估结果
热通量在空间的分布曲线图
7.3 危害区域
根据对丙烷储罐泄漏后发生燃爆事故的模拟预测：
1、死亡半径为32.1米，该区域内的人员会发生死亡事故。

2、重伤半径为53.3米，该区域内的人员会发生重伤事故。

3、轻伤半径为103.8米，该区域内的人员会发生轻伤事故。

4、财产损失半径为140.6米，该区域内的设备、设施将受到严重破坏。

蒸气云爆炸后果预测模型的比较研究
张网;吕东;王婕
【期刊名称】《工业安全与环保》
【年(卷),期】2010(036)004
【摘要】介绍了3种蒸气云爆炸后果预测模型,分别是TNT当量模型、多能法、Baker-Strehlow模型.阐述了这些模型的基本原理,将3种模型进行了对比研究,并将3种模型的无量纲距离和超压关系绘制在了同一图中.对某一蒸气云的爆炸后果进行了预测,并对结果进行了分析,指出了不同模型的优缺点.
【总页数】3页(P48-49,52)
【作者】张网;吕东;王婕
【作者单位】公安部天津消防研究所火灾理论研究室,天津,300381;公安部天津消防研究所火灾理论研究室,天津,300381;公安部天津消防研究所火灾理论研究室,天津,300381
【正文语种】中文
【相关文献】
1.粗苯储罐蒸气云爆炸后果定量分析 [J], 王慧思;王保民
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3.天然气管道泄漏蒸气云爆炸后果评估方法研究 [J], 任丹
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5.隧道并行管道蒸气云爆炸后果与措施分析 [J], 刘奎荣;余东亮;廖柯熹;吴东容
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蒸汽云爆炸的伤害模型蒸汽云爆炸是由于以“预混云”形式扩散的蒸汽云遇火后在某一有限空间发生爆炸而导致的。

泄漏的油品如果没有发生沸腾液体膨胀蒸汽云爆炸现象或立即引发大火，溶剂油或燃料油等物质的低沸点组分就会与空气充分混合，在一定的范围聚集起来，形成预混蒸汽云。

如果在稍后的某一时刻遇火点燃，由于气液两相物质已经与空气充分混合均匀，一经点燃其过程极为剧烈，火焰前沿速度可达50～100m／s，形成爆燃。

对蒸汽云覆盖范围内的建筑物及设备产生冲击波破坏，危及人们的生命安全。

发生蒸汽云爆炸现象最起码应具备以下几个条件：①周围环境如树木、房屋及其它建筑物等形成具有一定限制性空间；②延缓了点火的过程；③充分预混了的气液两相物质与空气的混合物；④一定量的油品泄漏。

（2）爆源的TNT当量计算TNT当量计算公式：WTNT=WQf／QTNT式中：WTNT——易燃液体的TNT当量(kgTNT)；Wf——易燃液体的质量(kg)；Qf——易燃液体的燃烧热(MJ／kg)；QTNT--TNT的爆热，取4.52MJ／kg；TNT爆热为4.52MJ／kg，由于本项目中易燃物较多，根据相关原则取最大的易燃液体的燃烧热(MJ／kg)，故取溶剂油作为计算样本。

溶剂油燃烧热值为43.69MJ／kg。

l节油罐车溶剂油的TNT当量：W溶TNT=43.69×790×0.8×60／4.52=3.67×105 kgTNT（3）自由蒸汽云爆炸时的死亡半径根据易燃液体的TNT当量，并且考虑参与了爆炸，对形成冲击波有实际贡献的蒸汽云的量，结合油库区及周边布置情况分析，采取地面爆炸系数1.8，蒸汽云的TNT当量系数0.0 4，运用范登伯(VandenBerg)和兰诺伊(Lannoy)方程计算蒸汽云爆炸时死亡半径为：R=13.6×(1.8×0.04×WTNT／1000)0.37根据最大可能危险原则计算（石油副产品取溶剂油为样本）1节溶剂油罐车爆炸时的死亡半径为：R溶=13.6×(1.8×0.04×3.67×105／1000) 0.37=45.4m根据公司接卸设备能力，该专用线每次可接卸10个危险品罐车。

盛装气体的压力容器爆破事故后果模拟分析物理爆炸如压力容器破裂时，气体膨胀所释放的能量（如爆破能量）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。

以气态存在的压力容器，如空气、氧气、氢气等，其伤亡半径、财产损失半径计算如下：1、盛装气体压力容器爆破事故计算模型 1.1压缩气体与水蒸气容器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：3110)]1013.0(1[1⨯--=-pk pV E kk g （1-1）式中：g E ——气体的爆破能量，KJp ——容器内气体的绝对压力，MPaV ——容器的体积，m 3k ——气体的绝热指数，即气体的定压比热与定容比热之比常用气体的绝热指数数值如表1-1，k 值可按气体的分子组成近似的确定，双原子气体k=1.4，三原子气体和四原子气体k=1.2~1.3。

常用气体的绝热指数 表1-1对于常用压力下的干饱和蒸汽容器的爆破能量可按下式计算：V C E s s =式中s E ——水蒸汽爆破能量，KJV ——水蒸汽的体积，m 3s C ——干饱和水蒸汽爆破能量系数，KJ/m 3各种常用压力下的干饱和水蒸汽容器爆破能量系数如表1-2常用压力下干饱和水蒸汽容器爆破能量系数 表1-21.2将爆破能量换算成TNT 当量q爆破能量换算成TNT 当量q 。

因为1KgTNT 爆炸所放出的爆破能量为4320~4836KJ/Kg ，一般取平均爆破能量为4500KJ/Kg ，故其关系为：4500g TNTg E q E q ==（1-2）1.3爆炸的模拟比实验数据表明，不同数量的炸药发生爆炸时，如果距离爆炸中心的距离R 之比与炸药量q 三次方根之比相等，则所产生的冲击波超压相同，用公式表示如下：α==310)(q qR R 则0p p ∆=∆ （1-3）式中 R ——目标与爆炸中心的距离，m R 0——目标与基准爆炸中心的距离，m q 0——基准爆炸能量，TNT 当量，kgq ——爆炸时产生冲击波所消耗的能量，TNT 当量，kg p ∆——目标处的超压，MPa0p ∆——基准目标处的超压，MPaα——炸药爆炸试验的模拟比根据式（1-3）爆破能量与1000KgTNT 爆炸的模拟比为：31313101.0)1000()(q q q q ===α （1-4）1.4 1000KgTNT 爆炸时死伤半径、财产损失半径的计算超压准则认为，只要冲击波超压达到一定值便会对目标造成一定的破坏或损伤。

5.6.2爆炸伤害模型TNT当量算法计算过程丙烷储罐爆裂伤害范围计算项目液态丙烷储罐区设100m3储罐8台,如1台不慎发生爆裂,发生火灾爆炸,其气体泄漏量计算：设裂口直径20cm, 温度为303K, 压力为1.6MPa。

按液体泄漏, 不考虑液位高度。

A=0.12×3.14=3.14-2×10m2Q=C d A p[2(p-p0)/p]0.5=0.6×3.14-2×100×1600{[2×(1.6-0.1)×106/1600}0.5=1305kg/s如泄漏的液态丙烷的全部气化,由于静电(或其他点火源)发生爆炸, 其蒸汽云爆炸伤害模型中的TNT当量法进行分析W TNT= a·W f·Q f/ Q TNT式中：W TNT﹣蒸汽中的TNT当量W f﹣蒸汽中燃料的总质量，Kg；a﹣蒸汽爆炸的效率因子。

C3H8：3%Q f﹣蒸汽的燃烧热，KJ/kg Q fc4=49150 Q TNT﹣TNT的爆炸热，一般取4520 KJ/Kg⑵死亡半径公式：R0.5=13.6（W TNT/1000）0.37⑶财产损失半径公式：R=4.6·W TNT1/3/【1+(3175/W TNT)2】1/6贮罐区汽化丙烷的量以上式估算泄漏量1305kg计算。

W TNT=1.8·a·W f· Q f/Q TNT=1.8×3%×1305×49150/4520=766.28Kg注：1.8是地面爆炸系数死亡半径计算:R0.5=13.6×(W TNT/1000)0.37=13.6×(766.28/1000)0.37=12.34≈12.30(m) 财产损失半径：R=4.6·W TNT1/3/【1+(3175/W TNT)2】1/6=4.6×766.281/3/【1+(3175/766.28)2】1/6=32.12≈32.10（m）根据以上计算，则丙烷储罐区丙烷储罐如发生破裂泄漏,以泄漏口直径20cm计,发生火灾爆炸，其死亡半径为12.30米，财产损失半径为32.10米。

爆炸评价模型及伤害半径计算1、蒸气云爆炸（VCE ）模型分析计算（1）蒸气云爆炸（VCE ）模型当爆炸性气体储存在贮槽内，一旦泄漏，遇到延迟点火则可能发生蒸气云爆炸，如果遇不到火源，则将扩散并消失掉。

用TNT 当量法来预测其爆炸严重度。

其原理是这样的：假定一定百分比的蒸气云参与了爆炸，对形成冲击波有实际贡献，并以TNT 当量来表示蒸气云爆炸的威力。

其公式如下：W TNT =式中W TNT ——蒸气云的TNT 当量，kg ； β——地面爆炸系数，取β=1.8；A ——蒸气云的TNT 当量系数，取值范围为0.02%～14.9%； W f ——蒸气云中燃料的总质量：kg ； Q f ——燃料的燃烧热，kJ/kg ；Q TNT ——TNT 的爆热，QTNT=4120～4690kJ/kg 。

（2）水煤气储罐蒸气云爆炸（VCE ）分析计算由于合成氨生产装置使用的原料水煤气为一氧化碳与氢气混合物，具有低闪点、低沸点、爆炸极限较宽、点火能量低等特点，一旦泄漏，极具蒸气云爆炸概率。

若水煤气储罐因泄漏遇明火发生蒸气云爆炸（VCE ），设其贮量为70%时，则为2.81吨，则其TNT 当量计算为：取地面爆炸系数：β=1.8； 蒸气云爆炸TNT 当量系数，A=4%； 蒸气云爆炸燃烧时燃烧掉的总质量， Wf=2.81×1000=2810（kg ）；水煤气的爆热，以CO 30%、H 2 43%计（氢为1427700kJ/kg,一氧化碳为10193kJ/kg ）：取Q f =616970kJ/kg ；TNT 的爆热，取Q TNT =4500kJ/kg 。

将以上数据代入公式，得W TNT 死亡半径R 1=13.6(W TNT /1000)=13.6×27.740.37 =13.6×3.42=46.5(m)重伤半径R 2，由下列方程式求解：△P 2=0.137Z 2-3+0.119 Z 2-2+0.269 Z 2-1-0.019 Z 2=R 2/(E/P 0)1/3 △P 2=△P S /P 0式中：△P S ——引起人员重伤冲击波峰值，取44000Pa ； P 0——环境压力（101300Pa ）； E ——爆炸总能量（J ），E=W TNT ×Q TNT 。