模拟泄漏

模拟泄漏（共8篇）

模拟泄漏 篇1

飞机是现代最为便捷和安全的交通运输工具之一, 但由于其科技含量高、结构复杂, 细小的疏忽就可能带来机毁人亡的严重后果。深入研究飞机火灾的特点, 分析事故的影响范围、伤害程度, 制定合理有效的救援方案对于提高机场消防员的业务水平、减少消防员伤亡率、增加乘客的生存几率具有重要的意义。

笔者尝试采用数值计算和FDS软件仿真对失事客机燃油泄漏火灾事故进行数值模拟, 分析了火灾的发展及其后果, 为ARFF (Airport rescue and fire fighting, 机场应急救援和消防) 人员提供此类飞机火灾消防救援的参考。

1 客机火灾事故场景的设定

民航客机的种类繁多, 不同机型的机体材料大致相同, 但是尺寸、可携带燃油量等参数差异较大, 这些参数对于飞机火灾的模拟具有较大影响。笔者选用我国的主力机型波音737-800系列客机作为仿真对象, 其主要参数如表1所示。

飞机在起飞和着陆阶段与地面撞击的事故比例较高, 占到所有事故的65%~75%, 因此事故现场假设为737-800型客机起飞过程冲出跑道, 左侧发动机与地面撞击起火爆炸, 同时左翼折断, 油箱破裂, 大量燃油泄漏到地面燃烧, 火焰威胁机身及其内部乘员。

2 航空煤油泄漏池火的计算模型

2.1 燃油泄漏池火概述

事故飞机冲出跑道, 航空煤油泄漏, 在地面蔓延扩展, 遇到不平地面的阻隔形成具有一定厚度的油池, 一旦着火即形成受限型油池火。飞机泄漏的航空煤油热值高、危险性大, 是此次火灾事故的主要危险源。选用单位面积热释放速率较高的JP-5型航空煤油, 其燃烧特性如表2所示。航空煤油的泄漏位置及泄漏量与受限型油池火的热辐射分布与规模关系密切, 燃油泄漏量、泄漏面积、泄漏位置等因素决定了消防策略、飞机机体结构完整性以及机内乘员的逃生与营救。

2.2 燃油泄漏池火的位置与面积

实际中, 失事飞机燃油泄漏可能发生在飞机的各个区域, 泄漏位置往往和受撞击的油箱位置相关, 燃油泄漏后在地面的形状受到地形、障碍物和风向的影响, 呈不规则形状。考虑撞击后油箱瞬间泄漏且逐渐向救援地点蔓延这一最坏情况, 设定泄漏位置处于左翼折断处的下方地面, 从泄漏点开始沿地表向外扩散, 燃油泄漏面积与泄漏时间的关系如图1所示, 表达式如式 (1) 所示。

式中:r为泄漏池火的等效半径, m;t为泄漏时间, s;ρ为航空煤油密度, g/m3;g为重力加速度, 9.8m/s2;m为泄漏质量, kg。

假设该波音737-800型客机失事前载有25 000L燃油, 忽略燃油的蒸发以及风引起的质量转移, 按照最大油面计算, 如式 (2) 所示。不同地面的最小液层厚度如表3所示。

式中:Smax为最大油面面积, m2;V为燃油总体积, L;Hmin为最小液层厚度, m;假设飞机失事地点的为粗糙地面, 按照表3, 取Hmin=0.025m, 取V=25 000L, 计算得最大油面面积Smax=1 000m2。

2.3 池火高度计算

根据Mudan池火火焰高度计算模型, 在不考虑风速情况下, 计算公式如式 (3) 所示。

式中:H为火焰高度, m;r为液池当量半径, m;mf为单位面积燃烧速率, kg/ (m2·s) ;ρa为空气密度, kg/m3。

由表2可知, JP-5型航空煤油的单位面积燃烧速率为mf=0.054kg/ (m2·s) , 周围空气的密度取ρa=1.29kg/m3, 航空煤油泄漏池火的当量半径, 则计算得到泄漏池火火焰高度为H=36.25m。

2.4 总热辐射通量

航空煤油泄漏火灾通过热辐射的方式影响周围环境, 其后果可通过热辐射通量来衡量。燃油泄漏池火的总热辐射通量由式 (4) 计算。

式中:Q总为总热辐射通量, kW;r为池火当量半径, m;η为燃烧效率因子, 一般取0.35;H为火焰高度, m;Hc为燃烧热, kJ/kg;mf为单位面积燃烧速率, kg/ (m2·s) 。

根据表2, JP-5型航空煤油的燃烧热Hc=43 000kJ/kg, 将上述计算结果代入, 可得泄漏航空煤油的总热辐射通量Q总=313 290.573kW。

2.5 热辐射伤害计算

航空煤油泄漏池火热辐射造成的伤害情况取决于热辐射强度, 并有相应的损失等级。距离泄漏燃油池火中心距离按照式 (5) 计算。

式中:R为目标位置距泄漏燃油池火中心的距离, m;tc为空气导热系数, 通常状况取1;I为目标位置热辐射强度, kW。热辐射损伤关系如表4所示。

根据表4数据, 将热辐射的伤害区域分为4个等级, 计算式如式 (6) ~式 (9) 所示。

死亡区 (I>37.5kW/m2) :

重伤区 (I>25kW/m2) :

轻伤区 (I>12.5kW/m2) :

感觉区 (I>4kW/m2) :

由式 (5) 的计算结果求得各个伤害区域的半径为:R死亡=25.79m, R重伤=31.59m, R轻伤=44.67m, R感觉=78.97m。

实际扑救过程中, 消防员配备了消防战斗服, 综合考虑人体耐受的临界热辐射强度和消防战斗服的防护性能, 取17.8kW/m2作为消防员的安全临界量。计算得到消防员的安全距离为37m, 若考虑风速, 处于下风向时热辐射的影响位置更大, 则这一距离会有所增加。

3 基于FDS数值模拟

3.1 FDS仿真模型的建立

根据波音737-800的结构尺寸, 在AutoCAD软件中建立其三维实体模型, 以dfx格式导出至PyroSim软件, PyroSim会自动用多个长方体组合近似逼近代替飞机的圆形部分, 泄漏燃油按等效面积折算为FDS易于处理的矩形, 转换为FDS输入文件格式, 见图2、图3所示。

如图2、图3所示, 模拟空间尺寸为200m×200m×150m。假设外界环境温度为20℃, 不考虑日照辐射的影响。根据ICAO (International Civil Aviation Organization, 国际民航组织) 颁布的《国际民用航空公约》附件十四规定, 机场救援与消防勤务的工作目标必须是在最佳能见度和地面条件下, 不超过3min的应答时间内到达每条运行跑道的任一点。应答时间是从向救援与消防机构的首次呼救至应答救援的第一辆 (或几辆) 车到位并按保障等级规定的喷射率的至少50%施放灭火泡沫之间的这段时间。仿真时间设置为200s, 主要分析在机场有效应答时间内失事飞机燃油泄漏火灾的发展情况。

3.2 FDS模拟结果分析

由Smokeview中显示的仿真结果可知, 客机燃油泄漏火灾的发展过程大致如图4所示。

首先油雾着火并延续15~30s。然后渗漏燃油着火并逐渐增加强度, 很可能引燃机身。经过2~3min, 火势将达到猛烈的程度。随着渗漏的燃油被逐渐消耗, 最强烈的火势逐渐减弱, 这一过程延续的时间会很长。

飞机燃油泄漏池火在地面蔓延, 因此分析地表燃油池火火焰辐射的累积强度, 由此推算热辐射安全距离。对于消防员能承受的安全临界量17.8kW/m2, 热辐射安全距离为46m, 如图5所示。

客机燃油泄漏起火后能在极短时间内燃烧猛烈, 火势迅速向机身蔓延并能够在短时间内烧毁机翼, 引起机翼内燃油箱发生连续爆炸, 某一处的火灾可能会迅速蔓延至整个机身并使飞机破裂。如图6的模拟结果看, 10s内客舱位置的累积热辐射强度就达到了引起乘客不适的4kW/m2。随着火势的逐渐增大, 有毒烟气会从烧穿的机体蔓延至客舱, 机体材料的燃烧也会积累大量的热辐射, 在此种情形下乘客生还的几率很小。

4 结论

(1) 通过数值模拟结果可知, 失事客机燃油泄漏火灾在非常短的时间内便可达到致命的强度, 对近战内攻的消防人员存在严重的威胁;失事客机燃油泄漏火灾的强度主要受其所携带的燃油数量影响;在此种情形下, 乘客生还的可能性很小, 机场ARFF应当在ICAO规定的应答时间内赶到失事现场, 在短时间内控制90%以上的火势, 以便为舱内的乘客创造可供生存的条件;针对燃油泄漏池火, 可采用沙土筑坝堵截、强水流堵截疏导、增设泡沫管枪等方法控制火势, 切断火势蔓延。同时, 消防战斗员应该保证足够的安全距离, 对燃油洒落但暂时还没有起火的区域, 也要周期性地用泡沫加以覆盖, 防止渗入地表的航空煤油发生爆炸。

(2) 飞机失事起火事件发生概率低, 但一旦发生, 其破坏程度高、政治影响大, 后果不堪设想。通过分析失事飞机火灾的燃烧过程及相关参数变化, 可以确定火灾热辐射的影响范围、火势和烟雾的蔓延情况, 直观地反映出飞机不同部位起火的特点。机场消防救援人员可据此制定合理有效的扑救策略, 通过日常训练提高消防业务水平, 将火灾伤亡程度减小到最低。

参考文献

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模拟泄漏 篇2

应急救援演练方案

编制人：xxxxx

审核人：xxxxx

活动议程 1、6月25日9:00-9:45，各观摩单位进场 2、6月25日9:55，领导进入主席台，各观摩单位就坐 3、6月25日10:00，领导致辞 4、6月25日10:05，演练开始 5、6月25日10:05-10:30，实施演练 6、6月25日10:30-10:35，各参演单位列队,领导讲话 7、6月25日10:35-10:40，领导退场，各参演单位退场

活 动 方 案

为进一步加强xxxxx应急救援体系建设，增强安全事故的抢险救援能力，依据《安全生产法》、国务院关于《进一步加强安全生产应急救援体系建设的实施意见》（安委办〔2010〕25号）等法律法规要求，结合“安全生产月”活动，组织实施模拟天然气泄漏事故应急演练。

一、演练目的

（一）锻炼队伍。提高各救援队伍作为社会联动力量在紧急情况下妥善处置事故的能力。

（二）磨合机制。完善应急管理相关部门、单位和人员的工作职责，提高协调配合能力。

（三）宣传教育。普及应急管理知识，提高参演和观摩人员风险防范意识和自救互救能力。

二、演练原则

（一）符合相关规定。按照国家《安全生产法》、《危险化学品安全管理条例》、国务院关于《进一步加强安全生产应急救援体系建设的实施意见》（安委办〔2010〕25号）法律、法规、标准及有关规定组织开展演练。

（二）切合实际。结合生产安全事故特点和可能发生的事故类型组织开展演练。

（三）注重能力提高。以提高指挥协调能力、应急处置能力为主要出发点组织开展演练。

（四）确保安全有序。在保证参演人员及设备设施安全的条件下组织开展演练。

三、演练类型及内容

（一）演练类型：现场综合演练

（二）演练内容：模拟天然气泄漏事故处置。

四、演练时间及要求

2016年6月25日上午10:05启动演练，10:40演练结束。

五、演练组织机构及职责

此次演练由xxxxx安全生产委员会、xxxxx县人民政府和xxxxx有限公司主办，xxxxx协办。设总指挥部、现场指挥部、警戒疏散组、检测组、消防组、救护组、抢修组、应急器材保障组。

——现场管理相关职责：

1.警戒疏散组：事故发生后，立即对事故现场周围区域的道路实施交通管制，在事故现场周围设置警戒线，禁止无关人员和车辆进入事故现场，并紧急疏散周边区域作业人员。

2.检测组：负责到达现场后第一时间佩戴防护装具进入现场，对现场情况进行侦察并第一时间汇报指挥部。3.消防组：佩戴呼吸器进入现场设置水枪阵地，对现场进行灭火工作并掩护救护组进行人员搜救。4.救护组：佩戴呼吸器赶到现场搜救中毒人员，将现场中毒人员转移到安全区（上风口、救护站），对中毒人员进行现场救治，可采取人工呼吸、心肺复苏术抢救，并根据中毒人员情况，按中毒程度送往医院救治。

5.抢修组：佩戴空气呼吸器和对讲机到井口泄漏点，查明泄漏原因，并采取措施切断泄漏，并确认无泄漏。6.应急器材保障组：负责应急救援器材和应急物资的配备协调工作，事故处理完毕后，清点器材数量，防止遗留在事故现场。

六、模拟现场设置

本次演练地点设置在别古庄工区西侧空地上，模拟京58储气库C井场华2-3井口泄漏事件。其现场实际照片详见图1：

图1：演练场地现场实际照片

本次演练场地长70米、宽60米，场区平面中部为演练作业区，南侧为主席台，东侧为观摩区，详见演练场地平面图，见图2

图2：演练场地平面布置图

七、任务分配

xxxxx县公安局：设立警戒区域，疏散周边群众； xxxxx县消防大队：消防车喷水，稀释有毒气体浓度，降温和防止起火爆炸。

xxxxx救援队：对现场伤员进行救治。

xxxxx救援队：现场对风向及事故点周围进行检测。xxxxx救援队：对井口泄漏点进行抢修。xxxxx县卫生局：对中毒人员进行抢救。xxxxx卫生局：对中毒人员进行抢救。

xxxxx县人民政府：成立由主管县长任指挥长，安监、公安、消防、卫生等部门负责同志和xxxxx有限公司主管领导参加的现场指挥部，对事故救援工作进行现场指挥。xxxxx有限公司主管领导任现场执行指挥，发布实施现场指挥部命令。

市消防支队：受市安委会指派牵头成立总指挥部，对事故救援工作进行统一指挥调度。

xxxxx救援队：携带有关器材设备现场值守。xxxxx救援队：现场备勤。xxxxx救援队：现场备勤。其他参演队伍：现场备勤。

八、演练程序

场景（9:55）：各应急救援队伍主席台前列队。各观摩单位就坐，领导同志进场入座。……音乐起…… ……音乐停……

解说：各位领导、各位来宾： 解说：朋友们、同志们： 解说：大家上午好

解说：本月是全国第十四个安全生产月，按照xxxxx政府，xxxxx县政府、xxxxx有限公司的工作安排，紧紧围绕 “加强安全法治，保障安全生产”这一安全主题为中心，开展本次应急救援演习活动。

解说：这次演习，选定井口设备损坏造成含硫天然气泄漏事故，引发人员中毒，来进行应急救援工作。工作人员布置的模拟现场，就是这次演习的区域。

解说：整个演习背景是：某储气库井口损坏，大量含硫天然气泄漏，造成人员中毒，周边群众安全受到威胁。

解说：为使本次演习活动开展得扎实有效，即将开始的演习动用了大量的应急救援器材和救援车辆，使本次应急救援更加切合实际。

解说：下面有请领导讲话 场景：xxxxx局长致主持词词。场景：xxxxx县领导致辞。

解说：下面演练开始，请各参演队伍离场准备。……音乐起……

（各参演队伍带队离场）……音乐停……

解说：演习开始了！看！2016年6月25日京58储气库C井场，渤海钻探井下作业分公司施工人员正在进行华2-3井修井作业，华北分公司人员在现场监护。上午9时，华2-3井突然发生井口泄漏，施工人员立即撤离，撤离过程中，3名施工人员因硫化氢中毒晕倒在现场。

解说：事故发生后，企业负责人立即拨打了119、110和120急救电话并向xxxxx县安监局报告了事故情况。xxxxx县政府成立了由张兵县长任指挥长的现场指挥部，赶赴现场对事故救援工作进行统一指挥。xxxxx安委会指定由市消防支队牵头成立了总指挥部，对事故救援工作进行统一调度。

场景：xxxxx县公安局对事故现场进行警戒封锁，对周边群众进行疏散。

对白：指挥长：请xxxxx救援队立即进入现场抢救伤员。

xxxxx：明白。

场景：xxxxx救援队队员佩戴空气呼吸器，进入现场将伤员救出。

解说：xxxxxxxxxx救援队赶到现场后，立即佩戴正压式空气呼吸器进入现场，每两人一组迅速将3名伤员抬至安全地点。

场景：医护人员在伤员救治区实施抢救措施。解说：卫生应急队伍到达现场后，携带急救设备进入伤员救治区实施抢救。首先确定现场环境是否安全，迅速对伤员进行减伤分类，并在伤员身体明显部位配置与病情相对应颜色的分拣标识。按照病情轻重缓急的原则对呼吸、心跳骤停的患者进行心肺复苏。在救治的同时，由领队将现场患者的数量、病情等情况报告给急救中心（现场三名患者，病情十分危急发生呼吸心跳骤停，卫生应急队正在进行现场抢救）。完成现场救治后，xxxxx队员立即配合医生将伤员抬上救护车，救护车驶离现场，送往救治医院，同时由卫生应急救援队的医护人员电话告知医院做好接收准备。对白：指挥长：请xxxxx救援队进入现场检测风向和气体浓度。

xxxxx：明白。

场景：xxxxx救援队佩戴空气呼吸器，携带风向仪和可燃气体探测仪进入现场检测。

解说：与此同时，xxxxx救援队佩戴空气呼吸器，携带风向仪和可燃气体探测仪进入现场对风向、气体浓度进行检测。

对白：xxxxx：经检测，现场可燃气体浓度****,风向*** 指挥长：继续监测。

对白：指挥长：请消防大队向井口实施喷水作业。场景：xxxxx县消防大队赶赴现场，消防车喷水（喷雾）解说：现在支援抢险的是xxxxx县消防大队，消防战士正在连接水带，启动消防车，准备向井口上方喷水。喷水的主要作用是稀释有毒气体浓度，降温和防止起火爆炸，喷淋应保持到抢修作业结束。（喷水XX秒）

对白：指挥长：请xxxxx立即携带卡具进场封堵泄漏点。场景：xxxxx救援队抢险人员6人佩戴正压呼吸器，每两人携带一半卡具，另外两人各携带2条螺栓到采气树前。

解说：在消防水喷淋保护下，井下作业公司组织6名井控抢险队员，对井口泄漏点法兰安装卡具，加固法兰。

解说：该卡具的用途是加固泄漏部位，防止泄漏高压气体伤人，同时为下步压井作业做好准备。

解说：本次现场抢修作业由xxxxx承担，负责带压封堵、模拟压井。

场景：井下技服抢修人员安装卡具上螺栓。解说：xxxxx……介绍。

场景：当看到卡具安装完毕，人员撤出后，下令连接压井管线。

对白：指挥长：立即连接压井管线。场景：抢险人员连接压井管线。

解说：此次压井采取先封堵再进行正挤压井的方式。在压井管汇中加入塑料球和碎胶皮，塑胶球和碎胶皮随压井液进入井筒后，向井口泄漏点堆积，随着泵压的逐步升高，将泄漏部位封堵住。

场景：抢险人员连接压井管线。

解说：井下作业公司组织抢险队员连接直径73毫米压井管线，并用防爆铜锤砸紧连接由壬。

场景：连接压井管汇。

解说：压井管线连接好后，继续连接压井管汇。场景：压井管汇连接完成后，向泵工打手势示意，泵工启泵试压，对采气树至泵车间压井管线试压至25MPa。

解说：压井管汇连接完成后，泵工启动泵车对采气树至泵车间压井管线试压至25MPa。场景：模拟打开泵车侧生产1#、2#阀门，然后打开1#主阀门。

解说：打开泵车一侧1#、2#阀门，然后打开1#主阀门，导通压井流程。

场景：启动泵车，进行正挤压井作业。解说：泵工启动泵车，进行正挤压井作业。

场景：抢险队员在压井管汇中加入塑料球及碎胶皮。解说：与此同时，抢险队员在压井管汇中加入塑料球及碎胶皮。

场景：观察井口溢流情况，再次进行正挤压作业。解说：根据井深及油管直径计算，泵入30立方米压井液后，挤压井结束。观察、确认井口无溢流。泵工开泵，再挤入压井液20立方米。

场景：检测人员对环境进行检测。

解说：此时压井已经成功，检测人员对环境进行检测，确认作业环境安全。至此，抢修作业结束。

场景：抢修结束，宋迪向指挥长汇报。

对白：宋迪：现场抢修作业已完成，井口泄漏得到有效控制，请指示。

指挥长：现场应急状态解除。清理现场，清点人员器材后，参演单位迅速于主席台前集合。

解说：本次演习内容全部实施完毕。解说：各参演单位正在清点人员器材。……音乐起…… 人员于主席台前集结。……音乐停……

解说：下面请张显强局长做重要讲话。场景：张显强局长讲话。

解说：谢谢张局长，xxxxx2016年天然气泄漏事故演习圆满结束。

解说：请各位领导离场 ……音乐起……

九、其他事项

xxxxx卫生局、xxxxx县卫生局参演救护车和医护人员负责对演练中发生意外对有关人员及时抢救。

十、演练期间的安全提示

（一）演练所用临时用电设备、烟雾弹应经安全主管部门认可，经批准后方可使用；

（二）演练期间，抢险人员应注意安全，防止摔伤、滑倒、触电等伤害；

工业厂房煤气泄漏火灾的模拟研究 篇3

随着工业化发展的不断提高, 工业用火、用电、用气和化学物品的应用也日益广泛, 工业建筑物火灾的危险性和危害性大大增加, 伴随而来的火灾发生的频率也越来越高, 尤其在工业厂房内, 一旦有火灾发生就会对人员的生命财产造成直接的危害, 严重的情况下会导致巨大的人员伤亡和财产损失。

例如以简化的厂房空间为研究对象, 借助大型专业化计算流体力学软件FLUENT, 对单室内由于煤气泄漏引起的火灾及烟气蔓延过程进行数值模拟, 得到了火场中温度场和燃烧产物二氧化碳浓度场的直观显示, 为人们了解火灾发生和发展的过程提供了新的方法和手段, 也为工业建筑防火设计和消防安全评估提供了新的科学工具, 是消防安全工程学和性能化设计的重要基础。

2 本文设定的场景与几何建模

实验房间几何尺寸为长6.0m, 宽3.3m, 高4.5m, 房间墙壁有一高1.2m, 宽2.0m的窗户, 窗户对面是一高2.0m, 宽0.8m的房门, 在一侧壁中央位置距地面高1.0m有一处煤气泄漏点, 本文考虑的泄漏危险源是沿墙铺设的煤气汇流排管道有一处泄漏, 形成直径为1cm的圆形泄漏喷口, 泄漏流量为0.1413m3/h (即泄漏速度为0.5m/s) , 泄漏煤气的主要成分为甲烷。如图2.1所示为在GAMBIT几何建模软件中建立的实验房间几何模型。

2.1 实验房间几何模型

3 建立数学物理模型

火灾的场模拟理论基础是基于质量守恒、动量守恒、能量守恒、化学组分平衡的微分方程, 而场模拟的过程就是对这些方程组进行数值求解。然而这些方程组是不封闭的, 为了使方程组封闭, 就必须引入湍流的附加方程, 然后借助计算机对封闭方程组进行求解, 就可以得出火灾过程中各种参数的详细空间分布及其随时间的变化。

3.1 湍流平均量方程

火灾中燃烧的湍流过程影响着整个流体的流动, 要想求解方程组就必须正确处理湍流过程。计算湍流粘性系数Ut的方法就是所谓的湍流模型, 湍流模型种类很多, 本文引用应用范围较广的k-epslion双方程模型:

3.2 边界条件

FLUENT软件包含了更为广泛的边界条件设置类型, 本文仅结合所研究的实际问题进行讨论。

(1) 流体进口边界条件:本文对于着火厂房设置了两个流体进口, 一个是燃料进口, 另一个是空气进口。其中甲烷的泄漏速度为0.5m/s, 温度为300K;窗户进风速度始终为0.5m/s, 温度300K。

(2) 流体出口界面:本文场景中厂房的房门为出流口。

(3) 壁面:本文的研究中采用绝热、无渗透、无滑移壁面。

4 模拟结果及分析

数值模拟计算采用FLUENT软件进行, 使用分离解方法。求解过程中, 燃烧控制方程具有较好的收敛记录。

高温烟气对人体的危害如果烟气层面高于人眼的特征高度时 (人眼的特征高度通常为1.2～1.8m, 一般取1.5m) , 其烟气层的热辐射强度就会伤害人, 而当烟气层面低于人眼的特征高度时, 对人的危害将是直接烧伤或由于吸入热气体而对呼吸系统的破坏。由60s时图4.1可以看出, 房间窗户下沿1.8m处烟气温度已经达到180℃左右, 此时可对人体造成辐射伤害, 在房间中后部烟气高度已接近1.5m, 将对人体构成直接伤害。所以, 人置身于煤气泄漏的火场时, 要在短时间内逃离, 以防热烟气层的沉积造成高温烟气的辐射、灼伤而阻碍逃生。

CO2浓度在60秒时有明显的增长趋势。主要是厂房空间内原有的氧气和窗户的进风使煤气燃烧充分, 生成较多的CO2, 几乎在短时间内就弥漫了厂房的上半层空间, 图4.2可以看出, 厂房的大部分空间已经弥漫了浓度较高的CO2, 并且在生成CO2的同时消耗了大量的氧气, CO2对人体的危害主要是窒息作用。

结论

采用专业化计算流体力学软件FLUENT对工业厂房的煤气泄漏火灾进行了模拟, 把火灾数值模拟技术应用于实际, 实现了火场中的物理量, 如温度、生成物组分二氧化碳浓度随泄漏时间变化的直观显示, 为厂房内危险区域的划分及灾害控制提供了参考依据, 也为厂房结构空间的性能化设计和煤气泄漏火灾的防治提供了理论依据。

摘要：火灾模拟研究是现代火灾安全工程学研究的基础性方法。本文以工业厂房为研究对象, 以火灾燃烧理论为基础, 利用大型专业化计算流体力学软件FLUENT, 对由煤气泄漏所引发的室内火灾发展过程进行了形象化数值模拟, 得到火灾场景中不同物理量随时间的变化规律, 为现实生活中火灾的防治和救援提供理论依据。本文的研究还在火灾安全教育、消防指挥、建筑性能化设计以及人员应急疏散等方面具有较强的应用价值。

关键词：工业厂房,煤气泄漏,火灾模拟,烟气流动

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[5]梁锋.建筑火灾烟雾的危害及控制[J].公共安全, 2004, Vol.4, No.1.

模拟泄漏 篇4

针对危险化学品、生化制剂、放射性或核物质 (CBRN) 事故, 事故情景模拟是研究公众保护策略的一个关键内容, 其中有毒气体泄漏是CBRN事故中的一种典型的事故类型[1]。一旦发生毒物泄漏事故, 除了可能造成巨大的人员伤亡和财产损失外, 还可能牵涉到大批人员的紧急疏散[2,3,4,5]。国内外学者针对不同场景下的人员疏散开展过大量研究, 如Togawa提出了许多关于群体运动的技术观点和经验数据[6];国际海事组织 (IMO) 自1995年起即要求在滚装船体设计阶段就测试其人员疏散效果[7];Weston[8]和Dotson K.J.[9]等人曾对区域疏散效率的影响因素进行了研究, 认为公众对政府预警信息发布方式的熟悉程度, 以及挨家挨户的通知方法有助于提高疏散效率, 但疏散过程中的交通事故、事故致死人员数量、疏散活动致伤人员数量、自发性的疏散人员、拒绝疏散的人员和疏散过程中的抢劫或犯罪行为, 会对疏散效率产生不利影响。西方国家研究区域疏散时, 一般仅考虑有交通工具的情况, 很少考虑人员步行疏散情景, 因而相关疏散时间估算和疏散模拟就转化交通流模拟问题。总体上讲, 有关建筑物火灾、核物质泄漏等技术灾难, 飓风、地震、洪水和森林大火等自然灾害引起的疏散问题已有大量研究文献, 但针对危险化学品泄漏、高含硫化氢气田井喷等事故诱发的大规模人员疏散问题研究文献相对较少, 相关文献内容一般都是事后调查访谈资料, 或仅涉及其中某个局部问题的内容, 如最佳疏散路线选择等[10]。

本文针对危险化学品泄漏、高含硫化氢气田井喷等事故诱发的大规模人员疏散问题进行研究, 通过SLAB模型模拟有毒气体泄漏扩散, 并在此基础上分析疏散范围和估算疏散规模, 以期为制定合理的应急疏散方案提供参考。

1 方法

1.1 重气扩散模拟模型

疏散区域和疏散人数的确定与有毒气体泄漏扩散的影响范围相关, 气体在大气中的扩散过程可以通过各种模型进行模拟。据统计, 在因毒物泄漏造成的人员伤亡中, 约有90%与重气泄漏有关, 现阶段可用的重气扩散模拟模型包括拉格朗日模型、三维数值模型和浅层模型[11,12], 其中, 浅层模型计算最为快速, 相关参数易于获取, 适合开展事故发生后的快速预测、疏散区域识别与辅助决策支持。

浅层模型典型代表是SLAB模型, 可以模拟连续泄漏、间断性泄漏、瞬时泄漏的情况, 获得有毒气云随时间空间的分布[3]。SLAB模型中可采用稳态烟羽模式和瞬时阵喷模式两种大气扩散模式[13], 其模拟过程包括泄漏源识别与扩散初始化、计算气体扩散和计算时均浓度三个阶段, 如图1所示。泄漏源识别决定模拟过程采取何种扩散模式, 对于持续时间较长的泄漏源, 一般选择稳态烟羽模式;对于持续时间有限的泄漏源, 泄漏初期和持续期的模拟一般也选择稳态烟羽模式, 当泄漏源终止时转而选择瞬时烟团模式模拟气体随后的扩散过程;对于瞬时性泄漏, 一般采用瞬时烟团模式计算整个扩散过程。

1.2 疏散范围的确定

疏散范围影响疏散规模, 针对毒气泄漏事故的人员疏散, 目前确定疏散区域的方法主要有先期隔离距离和防护距离[14,15]和应急计划区 (Emergency planning zone, EPZ) [16,17]。其中疏散区域边界确定时, 需要知道多大浓度对人生命安全和健康构成危险, 常见的“临界”浓度的确定方法包括急性暴露准则级别 (Acute Exposure Guideline Levels, AEGL) 浓度, 紧急响应计划指南 (Emergency Response Planning Guidelines, ERPG) 浓度以及立即威胁生命及健康浓度 (Immediately Dangerous to Life or Health concentration, IDLH) 法。其中, IDLH方法实际上属于一种梯阶式方法, 即优先使用人体急性毒性数据, 接着是使用动物吸入的急性毒性数据, 最后使用动物经口急性毒性数据。如果相关的急性毒性数据不足或没有, 则考虑使用慢性毒性数据或类比某种具相似毒性效应的化学品。为便于修订, 首先使用二次毒理数据, 一旦初步确定IDLH浓度, 将其与现有IDLH浓度和其他浓度相比较 (如现有的短期暴露指标和爆炸下限) [18]。因此疏散区域外边界可以选择立即威胁生命及健康浓度, 即1倍或2倍的IDLH浓度可能扩散的最远距离为半径来确定。

2 基于SLAB模型的毒气泄漏扩散模拟

某山东企业集团地处烟台市区, 其中MDI光气生产设备为潜在有毒气体释放源。据统计, MDI生产系统1km范围内潜在最大疏散人口估计超过80573人; (1~2) km范围内潜在最大疏散人口估计超过105300人。光气为剧毒物质, 立即威胁生命安全健康浓度 (IDLH) 为2ppm。本次模拟初始条件分别为圆孔泄漏源、离地高度20m、泄漏源压力0.2MPa、连续泄漏10min、原料气温度280K、大气温度283K、相对湿度75%、大气稳定程度5、地表粗糙度为14, 其中泄漏孔径分别为50mm和100mm, 大气风速分为0.5、1、1.5和2m/s情况进行模拟。

2.1 结果分析

利用SLAB模型模拟可以获得扩散条件下不同浓度气体最远扩散距离、不同浓度有毒气云抵达不同地点所需时间及在该地点的超过此浓度的持续时间。表1所示为上述条件下, 2倍、1倍和0.5倍光气IDLH浓度最远扩散距离, 从表中可知, 不同浓度光气最远扩散距离可能超过光气大泄漏时的先期隔离距离, 泄漏源周边居民有疏散要求。如果选择1倍光气IDLH浓度最远扩散距离作为疏散区域边界确定依据, 则在泄漏孔径100mm, 大气风速1.5m/s的情况, 疏散区域半径应不小于1397m。表2所示为不同泄漏孔径, 光气在不同风速影响下, 指定地点处浓度最先达到2倍、1倍和0.5倍IDLH浓度的时间, 以及超过该浓度的持续时间。从表中可知, 对于100mm泄漏孔, 大气风速1.5m/s的情况下, 下风向距泄漏源1000m的人员如果不想吸入1倍IDLH浓度的光气, 其可用疏散时间不超过846s。

2.2 影响区域划分

通过扩散模拟获得有毒气体浓度的时间空间分布数据后, 可计算不同地点的毒负荷并按照毒负荷[19]的大小将伤害范围划分成致死区、重伤区、轻伤区和吸入反应区[20,21]。致死区、重伤区、轻伤区和吸入反应区的划分可辅助确定疏散方案, 决定是否疏散以及确定具体的疏散时机。图2中所示即为上述示例中泄漏孔径100mm, 大气风速1.5m/s时, 通过扩散模拟获得在泄漏15min和35min后光气影响区域情况。图中由里及外色块分别表示光气毒害死亡、重伤和轻伤分区。从图中可以看出, 随时时间推移, 光气不断沿下风向扩散, 致死区、重伤区和轻伤分区的范围随之发生变化。

3 区域疏散分析

3.1 业务流程和数据流程分析

3.1.1 业务流程分析

根据前述各章节中对毒气泄漏事故情景下的区域疏散分析需求分析, 可以将完整的区域疏散分析过程划分为事故基本信息获取、有毒气体影响范围分析与预测、区域疏散优化分析三个阶段, 如图3所示。

注:tarrive表示指定地点有毒气体浓度最先达到规定浓度的时间, 单位s;Δt表示指定地点有毒气体浓度超过规定值的持续时间, 单位s。

3.1.2 数据流程分析

区域疏散分析系统数据流程如图4所示, 接到毒气泄漏事故报警信息后, 系统中通过事故现场在地图上定位、利用视频查看现场情况和搜索危险源信息等功能, 访问相关数据库表, 实现相关信息的确认, 为气体扩散模拟和其他后续流程提供输入。

3.2 疏散范围分析与疏散规模估算

3.2.1 疏散范围

有毒气体扩散影响范围预测为区域疏散分析提供基础。系统中采用匙孔形疏散区域[17]确定方法, 其中扇形部分圆心角选择90°, 半径等于光气泄漏时防护距离, 小圆半径等于光气大泄漏时先期隔离距离。初步确定的疏散区域为扇形与圆形的并集。将初步确定的疏散区域与居民区图层, 即疏散亚区域进行叠加分析, 可以得出可能受影响的居民小区或疏散亚区域对象, 见图5中多边形所示区域。利用系统为用户提供的绘图工具, 区域疏散分析人员可以绘制出最终需要疏散的范围, 即图6中多边形所示区域。

3.2.2 疏散规模

根据确定的疏散范围与事故发生时间, 系统实现人口规模估算等, 可以确定各疏散亚区域或居民区中应疏散的人口数。图6中即为事故发生时间为早上8点时周边居民区应疏散人口数估计情况。表3为晚上12点时周边87个疏散亚区域中应疏散人口数估算结果, 初步估算87个亚区域应疏散人口数约为151478人。

若假定光气发生泄漏, 相应警报系统立即发出疏散警报, 即光气泄漏基本与疏散通知同步发生时, 利用基于SLAB模型、离散时间网络流的区域疏散分析模型和GIS网络分析技术建立的区域疏散分析系统原型可以模拟光气扩散过程和人员疏散过程, 如图7所示为光气泄漏扩散与周边人员疏散在泄漏事故发生后10min和30min的动态变化情况。从图中可以看出部分人员疏散时可能暴露在光气扩散形成的死亡区域。当人员在疏散过程中的累积毒负荷达到极限毒负荷时, 采取疏散策略并不可行, 应考虑采取就地避难的人员保护措施以减少人员伤亡。

4 结论

1) 介绍了现阶段可用的重气扩散模模型, 提出采用SLAB模型模拟有毒气体泄漏扩散, 并给出了气体扩散模拟实验的具体流程。然后介绍了针对CBRN事故的区域疏散分析系统的设计与实现, 给出了具体的技术路线和疏散分析流程。

2) 选择光气作为泄漏物, 在假定条件下模拟得出了2种泄漏孔径, 4种大气风速下的扩散结果, 包括3种浓度值的最远扩散距离, 指定地点达到规定浓度的时间和超过该浓度的持续时间, 以及不同时间下风向有毒气体影响区域的动态变化情况。模拟结果为疏散方案的制定提供了参考和依据。

3) 通过针对光气泄漏事故的算例测试了区域疏散分析系统的应用效果, 结果表明系统实现了最初的事故信息获取、划定事故影响区域、确定疏散范围并对疏散人口进行预测的目的, 为合理制定针对CBRN事故的应急疏散方案提供了技术支持。

4) 毒性气体泄漏后, 危险区域内的人员采取相应的保护措施可防止和减少人员中毒伤亡。究竟是就地避难还是应急疏散, 则需要通过对一系列的因素进行分析后作出综合的判断。如采用疏散措施时, 确定具体的疏散时机则显得尤为重要。

摘要：针对CBRN事故中的毒气泄漏场景进行研究, 采用SLAB模型模拟有毒气体的泄漏扩散, 并给出模拟流程。以山东某企业光气泄漏灾害应急疏散项目为例, 计算不同风速和泄漏孔径的毒气泄漏的最远扩散距离、到达时间与持续时间。通过模拟获得有毒气体浓度的时间空间分布数据, 得出致死区、重伤区和轻伤分区的范围变化情况。证明随时间的推移, 光气不断向下风向扩散。最后通过系统设计与程序运算, 实现了事故信息的获取、划定事故影响区域和疏散范围以及对疏散人口进行预测的目的。有毒气体扩散模拟与区域疏散分析对于合理制定针对CBRN事故的应急疏散方案具有重要意义。

模拟泄漏 篇5

1 LPG物料危险性分析

LPG是极度易燃的液化气体,属于甲类危险物质,其主要成分为丙烷、丁烷、丙烯以及丁烯等。常温常压下LPG为气态,经冷却加压后变为液态,其气态比空气重,易在低处聚集,与空气接触形成爆炸性混合物,遇火源发生爆炸、火灾,危害性极大。

2 LPG储罐泄漏事故种类

LPG是非常危险的物料,LPG储罐发生泄漏后,易发生喷火、沸腾液体扩张爆炸以及蒸气云爆炸等危险事故。

2. 1喷火［2］

加压的LPG泄漏时形成射流,如果在泄漏裂口处遇点火源,将形成喷射火灾,产生热辐射, 对其周围的人员和设备造成危害。

目标接受的热辐射通量通过式( 1) 计算:

式中,q为距离火焰x处的目标所受到的热源热辐射通量,k W/m2; f为热辐射率; x为目标距离火焰的距离,m; τ 为大气传输率。

2. 2沸腾液体扩张蒸气爆炸［2］

易燃易爆的液化气体容器在外部火焰的烤烘下可能会突然发生破裂,压力平衡被破坏,液体急剧气化,并随即被火焰点燃而发生爆炸,产生巨大的火球,危害及其严重。沸腾液体扩张蒸气爆炸的主要危险是火球产生的强烈热辐射伤害。

式中,q为目标与储罐水平距离x米处的热辐射强度,w /m2; SEP为火球表面热辐射能量; F为视角系数; τa为大气传递系数。

2. 3蒸气云爆炸［2］

蒸气云爆炸主要是易燃易爆气体( 如氢气、 天然气以及液化气体等) 泄漏后随着风向扩散, 与周围空气混合成易燃易爆混合物,在扩散过程中一旦遇到点火源,延迟点火,加之存在某些特殊原因和条件,火焰加速传播,产生爆炸冲击超压,发生蒸气云爆炸［1］。蒸气云爆炸的破坏作用主要有爆炸火球热辐射危害、爆炸冲击波危害,对爆炸区域周边人员、建筑物、装置以及储罐等设备具有极大的伤害、破坏危害,而爆炸冲击波的破坏作用以及破坏区域极大［2］。

式中,Δps为冲击波超压与环境压力的比值; Z为无量纲距离; Δps为冲击波超压,pa; pa为环境压力,pa; E为爆源总能量,k J; W为蒸气云中对爆炸冲击波有实际影响的质量,kg; Qc为燃料的燃烧热,KJ/kg。

3 LPG储罐泄漏模拟定量危险分析

3. 1应用实例

某大型石化企业厂内储运罐区,其中有24台LPG成品储罐,罐组内储罐之间的最小距离为10 m,罐组间的最小距离为38 m。储罐为球罐, 规格为3 000 m3,储存条件为常温,1. 77 MPa。

3. 2定量危险分析软件参数输入

运用定量危险分析软件对LPG球罐进行泄漏后事故后果分析。

LPG组分中,丙烷比丁烷具有更大的火灾、 爆炸危险,且其沸点低,挥发性强,燃烧热值大,因此本次分析选取丙烷为代表性危险物料。

根据工程经验,选取三种泄漏失效模式进行分析［3］:

1) 中泄漏,泄漏孔径为30 mm,持续泄漏时间假设为10 min;

2) 大泄漏,泄漏孔径为150 mm,持续泄漏时间假设为3 min;

3) 瞬时泄漏, LPG球罐发生瞬时灾难性破裂。

天气条件输入: 风速为1. 5 m/s,大气稳定度为D。

泄漏点假设在距地面高度8 m处。

3. 3 LPG泄漏扩散

3. 3. 1一般泄漏扩散

由图1可以看出: 泄漏孔径为30 mm时,浓度为9. 5 × 104mg / L的沿风向扩散最远距离为14 m, 浓度为2 ×104mg / L的沿风向最远扩散距离为45m, 浓度为1 ×104mg / L的沿风向扩散最远距离为49 m。

3. 3. 2大泄漏扩散

由图2可以看出: 泄漏孔径为150 mm时, 浓度为9. 5 × 104mg / L的沿风向扩散最远距离为60 m,浓度为2 × 104mg / L的沿风向最远扩散距离为293 m,浓度为1 × 104mg / L的沿风向扩散最远距离为348 m。

3. 3. 3灾难性破裂扩散

由图3可以看出: 泄漏孔径为150 mm时, 浓度为2 × 104mg / L的沿风向最远扩散距离为245

m,扩散范围为沿风向跨度430 m,浓度为1 × 104mg / L的沿风向扩散最远距离为325 m,扩散范围为沿风向跨度270 m。

3. 4定量危险分析

3. 4. 1喷火( JET FIRE)

1) 中泄漏喷火

2) 大泄漏喷火

由图4、图5以及表5可以看出: 不管是在火焰表面热通量、水平射流火焰长度、还是热辐射通量影响范围上,大泄漏( 150 mm) 风险后果均大于中泄漏( 30 mm) 。

3. 4. 2沸腾液体扩张蒸汽爆炸( BLEVE)

沸腾液体扩张蒸汽爆炸( BLEVE) 超压影响范围及定量分析结果见图6、图7和表6、表7。

通过模拟可知: BLEVE爆炸事故无论从火球热辐射伤害范围还是从爆炸超压冲击波影响范围看,其危害性远远大于中泄漏和大泄漏事故。

3. 4. 3蒸气云爆炸( VCE)

1) 中泄漏蒸气云爆炸

2) 大泄漏蒸气云爆炸

从图8、图9以及表8可以看出: 大泄漏发生蒸气云爆炸后,波及范围广,危害性大,死亡主要发生在下风向的450 ~ 659. 8 m范围内,重伤主要发生在下风向的425 ~ 688. 8 m范围内,轻伤主要发生在下风向的110 ~ 1 110 m范围内; 中泄漏发生蒸气云爆炸后,与大泄漏相比,波及范围小一些,死亡主要发生在下风向的64 ~ 97. 6 m范围内,重伤主要发生在下风向的59 ~ 101. 6 m范围内,轻伤主要发生在下风向的- 7. 1 ~ 167. 1 m范围内。

4安全对策

4. 1总图布置

1) LPG罐区与界区外周围设施的消防间距符合标准规范要求。

2) 消防环路宽度不低于6 m,道路转弯半径不低于9 m。

3) 罐区与变配电间、泵区防火间距符合标准规范要求。

4. 2 LPG的泄漏检测和报警

1) 在LPG罐区设置可燃气体探测器探头, 现场机柜室和中央控制室设气体报警系统。

2) 罐区设防爆手动报警按钮,发生火灾时报警信号接入设在现场机柜室的火气监控系统控制柜,操作人员巡检通道处设火灾报警笛和旋光报警器。

4. 3防火设计

罐区防火设计按照 《石油化工企业设计防火规范》( GB 50160—2008) 执行。

1) 储罐选型综合考虑储存介质性质、罐容、 操作条件以及当地的自然条件等因素。

2) 储罐选材充分考虑材质的强度、 韧性、 可焊性、质量稳定性、使用经验等。

3) 储罐内、外表面采取防腐措施。

4) 储罐主要进出口管道采用柔性连接以防地震、储罐基础沉降引起的管道断裂。

5) 罐区设防火堤,在储罐泄漏时,可控制火灾事故的扩大。

6 ) 安全阀、呼吸阀、阻火器等安全附件设置齐全。

4. 4通风

电缆夹层、配电间采用6次/h换气,采用阻燃玻璃钢轴流风,靠门、窗等自然进风。

4. 5应急预案

应制定应急救援方案,平时加强事故演练, 最大限度减少事故后果的严重程度［1］。

LPG罐区的其他安全设施设计应符合标准规范的要求。

5结语

1) 通过定量危险分析软件对储罐事故进行模拟计算,可以有效地指导企业以及消防部门制定重大事故的应急预案。

2) 由事故致因理论可知,应该杜绝人的失误和储罐的泄漏,从源头上杜绝事故的发生。

3) 在储罐的设计阶段就应该保证安全设施的设计,以期发生事故时,最大限度的减少事故对人、设备以及环境的危害影响［4］。

4) LPG储罐发生泄漏引发事故时,灾难性破裂模式发生的BLEVE爆炸事故危害后果远大于其它泄漏模式,应该引起足够的重视。

摘要：简要分析了LPG物料的危险性,介绍了LPG储罐泄漏事故引发的事故种类以及不同的数学计算模型。通过运用定量危险分析软件,针对火灾和爆炸不同级别的伤害力,着重分析了储罐泄漏的三种模拟情节以及不同事故(喷火、BLEVE、蒸气云爆炸)导致的影响范围,通过曲线图直观的演示了事故后果影响范围,并对比了不同孔径的泄漏事故后果,制定出相应的安全措施,以期从设计上杜绝泄漏事故的发生以及减缓事故的后果,最大限度的降低事故后果的影响。

关键词：LPG储罐,泄漏,定量危险分析

参考文献

[1]李育娟,於孝春,朱伯龄.液化石油气球罐区的风险评价[J].石油化工设备,2009,38(1):85-89.

[2]徐志胜.安全系统工程[M].北京:机械工业出版社,2007.

[3]童遂放,李竹霞.PHAST在LPG储存条件分析中的应用[J].中国安全生产科学技术,2007,3(4):88-90.

[4]姜巍巍,阎晓青.PHAST软件在环氧乙烷罐区事故后果分析中的应用[J].安全、健康和环境,2007,7(5):34-36.

模拟泄漏 篇6

关键词：二氧化硫,泄露,模拟计算,安全对策措施

化工厂火灾爆炸、人员中毒事故,很多是由于物料的泄漏引起的。导致泄漏的原因可能是腐蚀、设备缺陷、材质选择不当、机械穿孔、密封不良以及人为操作失误等。根据资料对国内外的事故分析,国外化工厂设备故障引发的事故占23.5%,管道泄漏引发的事故占 20.6%,阀门、法兰泄漏引发的事故占14.7%,共58.8%;国内化工厂管道破裂泄漏占4.1%,阀门、法兰泄漏占 6.1%,设备故障、缺陷占24.5%,共计34.7%。国内外总的由泄漏引发的事故平均约占整个事故总量的46.75%。

硫磺制酸生产工艺中存在危险有害物质,如液体硫磺、硫化氢、二氧化硫、三氧化硫、五氧化二钒、硫酸、盐酸、氢氧化钠等。发生具有毒性、腐蚀性、可燃性的化学品泄漏的可能性所占的比例相当大,一旦发生事故,将会给企业造成较大的人员伤亡和财产损失。

二氧化硫主要存在于焚硫、干吸和转化等工段中。二氧化硫具有毒性,对眼及呼吸道粘膜有强烈的刺激作用。轻度中毒时,皮肤或眼接触会发生炎症或灼伤;严重中毒可在数小时发生肺水肿、喉水肿、声带痉挛而致窒息。长期接触二氧化硫,可有头痛、头昏、乏力等全身症状以及慢性鼻炎、支气管炎、嗅觉和味觉减退、肺气肿等;少数工人会有牙齿酸蚀症。我国规定车间空气中二氧化硫最高允许浓度为15 mg/m3。

1 泄漏影响范围模拟分析

1.1 泄露事故参数

本项目硫酸生产中二氧化硫输送管道的管径为DN1800 mm、DN1600 mm、DN140 mm,绝对压力为121525 Pa,项目所在地区气象与环境参数如下:

平均温度为14.7 ℃;年平均风速为2.1 m/s;年主导风向为西、西南风向。

选取管径最大的DN1800 mm的二氧化硫管道进行模拟计算。

1.2 典型泄露事故情景的选取

根据泄露物种、泄漏源、泄漏事故规模、发生泄漏时的工作条件等因素,综合泄漏事故情景。

(1)泄露物种

泄露物种为二氧化硫气态。

(2)泄漏源

该项目中发生二氧化硫泄漏的地方为管道泄漏,主要是管道、法兰和接头处。

(3)泄漏事故规模

泄露事故规模通常划分为小型、中型、大型及特大型几个等级。重点考虑中型以上事故,即二氧化硫管道泄露事故。

结合对国内外二氧化硫管道输送安全技术状况及事故案例的调查,选取以下泄漏事故作为计算对象:

二氧化硫管道泄漏情况:管路系统出现孔径0.036 m的泄露孔,连续泄漏,泄漏时间按10 min计。

1.3 毒物危害等级

二氧化硫在空气中最高容许浓度为15 mg/m3,浓度超过15 mg/m3时,人员将受到高度危害。

1.4 计算方法

毒物泄漏扩散浓度分布及危害距离与面积模拟计算结果通过采用易燃、易爆、有毒物质泄露扩散模型公式[1,2],可以计算出发生二氧化硫泄露扩散事故时,二氧化硫浓度的分布及对人体健康造成危害的距离、面积。

本文选取安元科技-有毒有害物质泄漏扩散事故模拟评价与风险分析系统。

二氧化硫管道泄漏事故模拟取值如图1。

2 结果与讨论

2.1 计算结果

(1)泄漏模拟计算结果

泄漏速度=0.214 kg/s;

气体流动情况分析:音速流动。

(2)扩散模拟计算结果

下风向中毒危害距离=118.9 m;

横风向中毒危害距离=11.9 m。

(3)近地面有害物质浓度分布曲线如图2。

2.2 泄露造成的危害及应采取的安全对策措施

二氧化硫属成酸氧化物,是一种具有强烈的特殊臭味的刺激性气体,人若嗅之避之不及。故在硫酸生产、检修过程中,发生急性二氧化硫中毒死亡事故在国内报道中尚属罕见。本文选取一典型案例,教训极为深刻。案例如下:

某厂氯磺酸分厂硫酸工段在检修干燥塔过程中,因指挥协调不当及违章作业,发生一起急性二氧化硫中毒死亡事故。

(1)事故经过

因硫酸生产不正常,经分析认为系统有堵塞,讨论决定停车检修。作取样分析,办理好各种安全作业手续。检修过程中,因安全帽前端带子丢失,检修人员不慎将安全帽掉落到塔内,徒手难于捡取。因焙烧炉温已降至560 ℃以下,现场指挥人员指挥炉工启动风机,空烧升温。此时在干燥平台上的检修人员,戴上防毒面具爬进人孔,用钢筋弯勾勾取安全帽。由于干燥塔内毒物浓度过高,导致其中毒窒息,最终抢救无效死亡。

(2)事故原因分析

①违章指挥,违章操作。焙烧炉空烧时,大量二氧化硫有毒气体进入干燥塔内,使原作业环境完全改变。指挥者在人员尚未撤离检修现场、有害气体不能严密隔绝的情况下,擅自指挥空烧;操作者也在明知已开始空烧的情况下,未重新办理任何手续,再次进入干燥塔内勾取安全帽,冒险交叉作业,导致急性二氧化硫中毒窒息。严重违反了《化工安全生产禁令》、《进入容器、设备的八个必须》,是造成死亡事故发生的直接原因。

②组织不严密,安全管理不到位。分厂领导把此次检修只看成一般日常小项目检修,除在晨会上布置工作外,无详细的全面计划,未指定项目检修总指挥和安全负责人,入塔检修与空烧交叉进行。安全意识淡薄,组织协调不力,是造成事故发生的主要原因。

③隔离不严密。检修前未按规定加装盲板与焙烧炉安全隔绝,只是用插板隔离,导致二氧化硫气体从缝隙泄漏入干燥塔内,也是造成事故的主要原因之一。

④防护不当。据事故发生后采样分析,干燥塔内二氧化硫含量达13 000 mg/m3,远远超出了过滤式防毒面具的适用范围,防毒面具起不到安全防护作用;同时,安全帽平时保管不善,前绳带丢失,造成工作中安全帽掉落,为事故的发生留下了隐患。

从上述事故中应吸取的教训及采取的安全对策措施[3]如下所述:

(1)安全意识淡薄,习惯性违章指挥、违章作业

在焙烧炉未熄炉(压火保温)的情况下,未使用盲板进行安全隔绝、仅以插板代替;指挥者在检修人员未撤离现场的情况下,违章指挥交叉作业,致二氧化硫气体从缝隙中泄漏入干燥塔内。而操作者在明知已开始空烧、塔内作业环境改变的情况下,未按规定要求重新进行安全分析,仅凭经验和麻痹心理冒险蛮干,为了勾取安全帽,再次进入干燥塔内,导致了事故的发生。应从事故中吸取教训,从严强化安全监督检查工作,对化工检修应开展“危险预测”活动。通过识别危险物质、危险能量、危险环境、危险作为等在工作中发生意外的因素,提前采取有效对策,使预防工作从“出发型”向“发现型”转变,真正做到防患于未然。

(2)安全卫生防护知识匮乏,防护器材使用不当

据事故发生后采样分析:干燥塔内二氧化硫含量高达13 000 mg/m3,超过车间空气中二氧化硫的最高容许浓度(15 mg/m3的886倍;超过男性吸入量低中毒浓度(TCLO)4 mg/kg/1min的1137倍;超过人吸入最低致死浓度(TCLO)1000 mg/kg/10 min的4.5倍。)在如此高浓度的环境中,过滤式防毒面具已根本无法起到防护作用。故检修人员第二次进塔后,立即发生闪电性猝死。说明应加强职工安全卫生防护知识和劳动防护器材的选择、使用方法等方面的专业教育,避免防护不当造成的事故;平时还应加强劳动保护用品、器材的检查,杜绝安全器材中的不安全因素。

(3)加大安全投入,配备必要的安全防护器材[4]

为认真吸取血的教训,应配置氧气呼吸器和长管式呼吸器。同时,还应加强《化学事故应急预案》的演练,以备一旦发生事故时能迅速按预案开展救援工作。

(4)预防二氧化硫中毒措施

①对在有二氧化硫产生的场所作业的人员,应接受防中毒、急救安全知识教育。

②工作环境(设备、容器、井下、地沟等)氧含量必须达到20%以上,有毒有害物质浓度符合国家规定时,方能进行工作。

③在有二氧化硫气体存在的场所作业时,必须佩戴防护用具,并有人监护。

④生产过程尽量在密闭的设备和容器内进行,加强通风排毒设备,尾气要高空排放。

(5)事故应急救援措施和器材、设备[5]

①应建立事故柜应急器材柜,建议在作业场所按下表配备相应的应急器材。

续表

②应在生产区域内作业岗位附近设置便于取用的应急救援设备,并放置应急照明电筒和医疗救护用品等。

3 结 论

从对二氧化硫管道泄露影响范围模拟计算结果来看,在生产、检修过程中,一旦发生二氧化硫泄露,如果没有采取有效的防护措施,将会给企业造成较大的人员伤亡和财产损失。因此,在日常的生产和检修过程中,必须加强安全生产教育培训,严格执行安全生产操作规程,一旦发生生产安全事故,应及时采取相应的安全对策措施,才能避免事故造成更大的人员和财产损失。

参考文献

[1]王新,张延松,陈网桦,等.安全评价师(国家职业资格一级)[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2010:59-64.

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[4]王显政,杨富,王新,等.安全评价[M].北京:煤炭工业出版社,2005:273-294.

输油圆管弯头段泄漏流场数值模拟 篇7

据统计,目前世界上管道的50%已运行30年或者更长时间。我国约有62%的油气管道运行期超过20年,85%以上接近10年[1]。管道老化、锈蚀及人为破坏等,都会造成管道泄漏乃至破裂。如发现及维护不及时,将会造成巨大经济损失、污染环境,甚至对人民生命财产造成危害[2]。随着我国经济的持续发展,管道事业在我国具有巨大的发展潜力。由于管道泄漏问题的日益严重,利用高科技技术研制开发一套适合我国管道状况的检测与定位系统,能促进我国经济快速发展。管道泄漏检测是一门跨领域、多学科综合的技术,它涉及到流体力学、传热学等多个学科。目前管道泄漏检测技术对于复杂工况的检测都存在一定不足。如何有效的减少误报和漏报,及时准确地检测管道泄漏现象的发生,对管道安全运行及人民群众的生命财产安全具有重要意义[3,4,5,6]。

采用有限容积法,建立三维管道泄漏方程,分析了不同输送速度及泄漏孔径对泄漏后管内流场影响。可为进一步研究管道泄漏检测技术提供一定的理论指导。

1 控制方程

由于泄漏处流动复杂,计算时采用标准的k-ε双标准方程。有限容积法是处理此类问题的常用方法,由有限元方法得到体积分数方程,动量方程,能量方程。

体积分数方程

undefined (1)

式中undefined相到q相的质量输送;

undefined相到p相的质量输送。

如果相下标用12表示,如果第二相的体积分数被跟踪,每一单元中的密度为

ρ=α2ρ2+(1-α2)ρ1 (2)

动量方程

undefined

能量方程

undefined

式中 keff——有效的热传导率。

undefined

标准k-ε湍流方程

undefined

其中undefined

式中 μi——为湍动粘度;

Gk——由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;

Gb——由于浮力引起的湍动能k的产生项;

Prt——湍动Prandtl数;

gi——重力加速度在第i方向的分量;

β——热膨胀系数;

YM——代表可压湍流中脉动扩张的贡献。

边界条件:

入口边界undefined;

泄漏口边界undefined;

出口边界条件undefined。

2 数值模拟与结果分析

以某输油管道为例,管径为500 mm的90°水平弯管 ,弯径比8。模拟区域为弯管及其前后5 m管道。建立三维泄漏模型,几何模型见图1,采用局部加密技术对模拟区域进行单元划分。

对比图2可知,在没有发生泄漏时,管道正常运行时,弯管处压力等值线几乎是等间距。压强由外壁到内壁逐渐降低,输送速度增加越大,外侧压强与内侧压强的差值增大越大。由图3可知当弯头处存在泄漏口时,管内压力整体降低,且在泄漏口下方存在小范围高压区。由于管道中流体的速度方向不能及时改变,在泄漏口与其附近流体之间产生压差,该压差使流体从上游的高压区域流向泄漏处的低压区域。因为油流的惯性作用,在泄漏口没有流出的油流在分子的相互作用力下在泄漏口下方处速度几乎减为零,导致在泄漏口下方形成小范围高压区形成局部高压区。在泄漏口径一定时,输送速度增加该高压区范围和强度变大,对泄漏口下方产生的破坏力增加,导致管道的进一步破裂。距泄漏口一定范围,等值线分布变为等间距。由速度增大引起的压强变化导致管内等压线的形态变化不大。

参照表1可知:速度增大导致管内压强的增大,而泄漏百分量降低。当泄漏口径一定时,输送速度增加,管内压力增加。而泄漏量取决于管内压力,管内压力越大泄漏量越大。由图4和表2可知:泄漏口径增大,在泄漏口处泄漏量增加,需要上游和下游补充质量损失,这管内压强呈整体降低的趋势。口径越大泄漏口附近压强越小越明显,局部高压区的强度和范围减小,由泄漏导致的管道破坏降低。由表2可知随着泄漏口径的增加,泄漏百分比变化明显。

4 结论

通过模拟发现:(1)泄漏孔径一定时,当输送速度增加时,管内压强整体增大,泄漏口下方高压区范围和强度变大,泄漏百分量在减小。(2)当输送速度一定时,泄漏孔径增大,管内压强减小,泄漏量增加,高压区的强度及范围降低。由此利用科学方法及仪器研究弯管内压强的变化,可以确定管道穿孔的程度及位置。管内压强和流量变化特性为高科技管道检测泄漏技术提供了可能性。

参考文献

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[3]付道明,孙军,贺志刚,等.国内外管道泄漏检测技术研究进展[J].石油机械,2004,32(3):48-51.

[4]刘恩斌,李长俊,梁党国,等.输油管道泄漏检测技术研究与应用[J].油气储运,2006,25(5):43-44.

[5]狄彦,等.输气管道泄漏率计算与扩散模拟方法述评[J].管道技术与设备,2007(4):15-18.

模拟泄漏 篇8

埋地原油管道油品泄漏有机污染物进入地下环境后, 它在多孔介质中的运动属于多相渗流问题, 即有机污染物-水-气三相共存的状态[1,2,3]。Faust[4]在模拟二维有机污染物运移问题的基础上, 建立了一种三维流动的数学模型, 该模型可应用于地下水和非溶混污染物相结合的许多问题, 并且证明了其有效性和实用性。郑德凤和赵勇胜[5]通过自行设计制备的二维砂箱模拟轻非水相液体在湿润多孔介质中的渗漏, 得出LNAPL在地下环境中的入渗、迁移及分布规律。李永涛[6]等通过多相流动力学模型, 利用TOUGH2-1D软件进行分析计算, 定性定量研究了柴油泄漏后在非饱和带内的运移分布特征。马朝阳、马跃[7,8,9,10]等, 借助CFD软件建立土壤多孔介质中油水两相流动的三维流动传质耦合模型, 针对管道在不同位置发生泄漏时油品的扩散情况进行模拟。申金波、王松岭[11]等利用Fluent软件, 对地下供热管道泄露前后温度场分布进行二维数值模拟。

本文主要通过建立埋地输油管道泄漏扩散过程的物理模型和数学模型, 利用FLUENT软件进行三维数值模拟, 分析原油泄漏后原油速度场变化趋势, 以及原油在泄漏60 min内, 最大横向扩散宽度、最大纵向扩散深度、纵向扩散面积、扩散体积的变化规律, 此研究有助于分析事故后果影响范围, 提高事故的应急控制能力。

1 泄漏扩散模型

1.1 物理模型

在建立模型时做以下一些简化:

(1) 土壤介质中只考虑原油和空气两种物质, 分别为液相和气相, 液相 (油) 与气相之间不互溶。

(2) 土壤介质和流体均不可压缩, 且密度保持不变。

(3) 渗流中考虑气、液 (油) 两相, 且每一相的渗流均遵守达西定律。

(4) 数值模拟区域为地下潜水面以上的包气带, 其中假定潜水面恒定。

(5) 仅考虑毛细力、重力等阻力, 忽略各相间的质量传输作用。

本文利用FLUENT常用的前处理软件GAMBIT建立反映埋地输油管道实际尺寸的几何模型。土壤表面与管道中心点距离为1.5 m, 原油管道的公称直径为0.5m, 管道存在一平均直径为0.03m的泄漏口, 管道底部发生泄漏后, 停止给管道加压, 管道内部液体以0.35 l/s的速率渗漏, 换算成泄口流速为0.5 m/s。管道最容易发生泄漏的位置就是管道下方, 在管道下部取漏孔, 建立埋地输油管道油品泄漏扩散的三维模型, 如图1所示。

1.2 数学模型

质量守恒方程如下:

式中, ρ为密度, kg/m3;t为时间, s;μ为速度矢量, m/s。

动量守恒方程如下:

以温度T为变量的能量守恒方程如下:

式中, cp为比热容, J/ (kg·K) ;T为大地温度场, T=T (x, y, t) , K;λf为流体导热系数, W/ (m·K) 。

流体本构方程为:

式中, C为稠度系数, Pa·sn;j为幂律行为指数。

1.3 FLUENT模拟参数设置

1.3.1 求解器设置

本文油、气假定为不可压缩, 选择适用于不可压缩的非耦合隐式求解器。选用求解器设置如表1。

1.3.2 材料属性设置

对埋地输油管道泄漏扩散三维数值模拟前首先需要确定原油、空气和土壤的物性, 主要参数设置如表2。

1.3.3 运行参数设置

在FLUENT计算中, 需要对计算环境的运行参数进行设置, 如压力、加速度等, 具体设置如表3。

1.3.4 边界条件设置

在FLUENT软件中, 埋管泄漏入口边界条件设置为速度入口 (Velocity Inlet) , 速度值为定值。

2 数值模拟及结果分析

2.1 速度场分布

原油粘度为3×10-3kg/ (m·s) , 土壤孔隙率为0.45, 在发生原油泄漏时, 管道内部停止加压, 原油管道内部压强为101325 Pa, 原油以0.5 m/s的恒定速度向土壤中泄漏, 得到原油流速的等值线。将管道泄漏口放大约100倍, 可以清晰看见60 s和3600 s时原油流速的等值线, 见图2。

由图2可知, 埋地管道发生泄漏后, 泄漏口附近流速随泄漏半径的增加而减小, 速度等值线随时间延续变化不大。泄漏一定时间后土壤中速度场变化缓慢并趋于平稳, 除了在泄漏口附近的流速最大, 泄漏原油的其它渗透区域的流速都非常低, 0.05速度等值线在0.28~0.3 m之间几乎不变。

以三维土壤模型的中心线作为检测线检测原油流速, 图3为3600 s时, 检测线上所有点的速度值。可以看到, 埋地管道发生泄漏后, 沿泄漏口中心垂直向下的中心线上, 速度随深度的增加而减小, 除了在泄漏口附近的流速最大, 泄漏原油的其它渗透区域的流速都非常低。

2.2 最大横向扩散宽度及纵向扩散深度变化过程

原油在多孔介质中的最大横向扩散宽度及纵向扩散深度变化过程见图4。

由图4可以看出:油品纵向和横向扩散与时间成非线性关系, 初期扩散速率较大, 随后所受阻力逐渐增加, 扩散速率变小。扩散60min后, 扩散深度与扩散宽度相差约0.21 m, 均超过1 m, 并且竖向迁移能力更强。

2.3 纵向扩散面积及扩散体积变化过程

不同时刻原油在多孔介质中的纵向扩散面积变化过程见图5, 不同时刻原油在多孔介质中的扩散体积变化过程见图6。

由图5可以看出:泄漏初期纵向扩散面积扩散较快, 泄漏时间超过10 min后扩散面积速率逐渐变小;泄漏60min后, 纵向扩散面积达到2.9 m2。

由图6可以看出:泄漏原油在土壤中的扩散体积增长速率基本不变, 泄漏60min后, 原油在土壤中的扩散体积达到4.96m3。如果埋地原油管道发生泄漏, 并且及时发现, 采取停止加压等措施, 泄漏发生60min后, 如需处理泄漏到土壤中的原油, 则需要挖出泄漏口附近5 m3左右的土壤。其中, 原油的泄漏时间与扩散体积呈良好线性关系, 原因在于原油以恒定速度向土壤中泄漏, 也就是原油的流量与时间成线性关系, 以致扩散速率也不变, 原油的泄漏时间与扩散体积也就呈现了良好的线性关系。

3 结论

埋地管道发生泄漏后, 沿泄漏口中心垂直向下的中心线上, 速度随深度的增加而减小, 除了在泄漏口附近的流速最大, 泄漏原油的其它渗透区域的流速都非常低。

通过三维数值模拟可以得出:原油在土壤中扩散60min后, 扩散深度与宽度相差约0.21 m, 竖向迁移能力更强, 纵向扩散面积达到2.9 m2, 扩散体积达到4.96m3。计算结果表明, 管道泄漏后原油扩散范围与泄漏时间保持一定变化规律, 在无法检测扩散深度的情况下可根据扩散宽度进行粗略估算, 大体确定事故泄漏扩散范围, 可以为事故处置提供参考, 提高事故的应急控制能力。

摘要：为了评估埋地原油管道泄漏的危害范围, 以原油管道泄漏事故为研究对象, 采用计算流体力学等理论知识, 建立了埋地输油管道三维泄漏扩散过程的物理模型和数学模型, 确定了泄漏前稳态的初始条件和泄漏后非稳态的边界条件;利用FLUENT软件进行了数值模拟, 计算出了不同时刻油品在土壤中的扩散范围。计算结果表明, 管道泄漏后原油扩散范围与泄漏时间保持一定变化规律, 在无法检测扩散深度的情况下可根据扩散宽度进行粗略估算, 大体确定事故泄漏扩散范围, 可以为事故处置提供参考, 提高事故的应急控制能力。

关键词：埋地管道,泄漏,FLUENT软件,数值模拟,扩散范围,应急控制

参考文献

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