化工行業(yè)危險源預(yù)評價方法研究

目前的評估方法僅以危險和損害單元或系統(tǒng)的危險級別為標(biāo)志，并直觀地描述單位或系統(tǒng)的危險程度。評估結(jié)果是靜態(tài)的，不能定量描述危險結(jié)果。這些評價方法或多或少地存在一定的局限性。因此,必須更新觀念,綜合利用邊緣學(xué)科的最新成就,提高安全評價的技術(shù)水平。重要的是利用數(shù)學(xué)工具和計算機(jī)技術(shù),建立動態(tài)的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行災(zāi)害過程的模擬評價。模擬評價方法正是基于這一點的考慮而提出的。模擬評價方法通過采用合理的數(shù)學(xué)模型對所確定的危險單元或系統(tǒng)進(jìn)行事故過程模擬,對事故所造成的危害影響則選用相應(yīng)的傷害模型進(jìn)行危害評價,并以動畫、圖形、圖表、文字、聲音等途徑對事故的影響區(qū)域、人員傷亡、財產(chǎn)損失情況進(jìn)行描述。1基于數(shù)學(xué)模型的決策模擬模擬評價方法是在災(zāi)害事故數(shù)學(xué)物理模型的基礎(chǔ)上,利用數(shù)值計算方法和計算機(jī)技術(shù),對危險單元或系統(tǒng)的災(zāi)害過程進(jìn)行模擬,預(yù)演事故的發(fā)生過程及事故后果的影響范圍,從而能更加形象直觀地認(rèn)識所評價單元或系統(tǒng)的危險及危害性,為設(shè)計人員、管理人員和企業(yè)、政府職能部門的高層決策者提供客觀依據(jù)的一種評價方法。模擬評價方法的關(guān)鍵是數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計算方法的選取,這將直接決定模擬結(jié)果的精確程度、正確與否和模擬的效率問題。數(shù)學(xué)模型可結(jié)合模擬評價的對象、所涉及的危險介質(zhì)的存儲狀態(tài)、周圍的地理及氣候條件、事故發(fā)生的機(jī)理及原因和評價要求進(jìn)行選取,在必要時還要針對模擬評價對象重新建?；?qū)ΜF(xiàn)有模型進(jìn)行修正。而數(shù)值計算方法的選取則以模擬計算的效率最高和所占用的計算機(jī)資源最少為原則進(jìn)行。當(dāng)然,計算機(jī)作為模擬評價的主要和重要工具,其本身性能的好壞也同樣制約著模擬的效率問題。隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,高性能計算機(jī)用于模擬評價成為可能,其對模擬評價效率的影響也越來越小。2模擬評價方法用于預(yù)防職業(yè)安全評價2.1物理模型的建立要進(jìn)行模擬評價,首先要對工程項目的具體情況進(jìn)行深入分析,包括工程項目中所使用的危險有害物質(zhì)的種類、儲運(yùn)條件、易于發(fā)生的事故類型、裝置及設(shè)備的尺寸大小、地理位置、氣象條件等。在此基礎(chǔ)上,建立模擬評價的物理模型,即事故假設(shè)。事故假設(shè)要符合工程項目的實際情況,并具有實用性和可行性的特點。事故假設(shè)通常以最大危險性為原則,如對某酒精儲罐進(jìn)行池火災(zāi)模擬評價,可假設(shè)儲罐中的酒精全部泄漏形成液池并引發(fā)池火災(zāi)。2.2生產(chǎn)工藝的復(fù)雜引起難石油化工生產(chǎn)裝置,大部分具有易燃、易爆、有毒有害、高溫高壓、深冷低溫等特點。特別是隨著生產(chǎn)工藝的日趨復(fù)雜和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,一旦工藝或裝置的平衡遭到破壞,就會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。研究表明:毒性物質(zhì)泄漏擴(kuò)散、池火災(zāi)和蒸氣云爆炸是石油化工裝置常見的三種事故類型,其對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型是模擬評價分析的基礎(chǔ)。2.2.1泄漏泄漏2.2.1.泄漏速率及計算泄漏按其形式可分為連續(xù)性泄漏和瞬時性泄漏。連續(xù)性泄漏指泄漏時間大于泄漏后泄漏物質(zhì)在大氣中或地面上的擴(kuò)散時間;瞬時性泄漏指泄漏時間遠(yuǎn)小于泄漏后泄漏物質(zhì)在大氣中或地面上的擴(kuò)散時間。管道及儲罐上孔洞泄漏是化工裝置常見的兩種泄漏模式。(1)管道上孔洞泄漏。液體通過管道上孔洞泄漏,泄漏速率可采用如下公式進(jìn)行計算:Qm=AC0√2Ρgρ(1)Qm=AC02Pgρ????√(1)式中:Qm為質(zhì)量泄漏速率,kg/s;C0為泄漏系數(shù);A為泄漏孔洞的面積,m2;Pg為過程表壓,Pa;ρ為液體密度,kg/m3。泄漏系數(shù)C0是從孔洞中泄漏的流體的雷諾數(shù)和孔洞的直徑的復(fù)雜函數(shù),可查表獲得。雷諾數(shù)采用如下公式進(jìn)行計算:Re=DUρμ(2)Re=DUρμ(2)式中:Re為過程單元中流動液體的雷諾數(shù);D為過程單元(如管道)的內(nèi)徑,m;U為過程單元中液體的流速,m/s;μ為泄漏液體的粘度,Pa·s。(2)儲罐上孔洞泄漏。液體通過儲罐上孔洞泄漏,泄漏速率可采用如下公式進(jìn)行計算:Qm=ρAC0[2(Ρ0ρ+ghr)]1/2(3)式中:Qm為質(zhì)量泄漏速率,kg/s;P0為儲罐內(nèi)壓,Pa;A為泄漏面積,m2;ρ為液體的密度,kg/m3;hr是泄漏處與液面之間的距離,m;C0為泄漏系數(shù)。2.2.1.高斯煙羽模型描述描述泄漏云團(tuán)擴(kuò)散過程的數(shù)學(xué)模型有很多,最常用于描述易燃、易爆、有毒有害氣體擴(kuò)散的是高斯模型。高斯模型包括高斯煙羽模型和高斯煙團(tuán)模型。其中,高斯煙羽模型適用于連續(xù)源的氣體擴(kuò)散,而高斯煙團(tuán)模型適用于瞬時源的氣體擴(kuò)散。在泄漏發(fā)生的初始一段時間內(nèi),其濃度分布是不穩(wěn)定的,是空間和時間的函數(shù),此時采用高斯煙團(tuán)迭加模型(高斯煙羽模型與高斯煙團(tuán)模型的結(jié)合)進(jìn)行描述,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:C(x,y,z)=∫∞0C′dt(4)C′=Qm′(2π)3/2σxσyσzexp[-(x-ut)22σ2x]exp(-y22σ2y){exp[-(z-Ηr)22σ2z]+exp[-(z+Ηr)22σ2z]}(5)式中:C為泄漏介質(zhì)在大氣中的摩爾百分比濃度;Qm′為質(zhì)量泄漏速率,kg/s;u為環(huán)境平均風(fēng)速,m/s;t為泄漏時間,s;Hr為有效源高,m;x、y、z為預(yù)測點坐標(biāo),m;σx、σy、σz為風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù),m。在經(jīng)過一段時間以后,濃度分布已處于穩(wěn)定分布狀態(tài),即濃度只是空間的函數(shù),與時間沒有關(guān)系。此時,應(yīng)采用高斯煙羽模型進(jìn)行描述,高斯煙羽模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:C(x,y,z)=Qm2πσyσxu?e-y22σ2y?[e-(z-Ηr)22σ2z+e-(z+Ηr)22σ2z](6)式中:Qm為源的泄放速率,kg/s。σx、σy、σz是高斯模型的重要參數(shù),σx、σy、σz是由排放源到計算點的下風(fēng)向距離和大氣穩(wěn)定度的函數(shù),也與煙羽的排放高度及地面粗糙度有關(guān)。2.2.2熱釋放速率hc池火災(zāi)是指以可燃液體或易燃固體泄漏到地面或水面遇到點火源形成的火災(zāi)。池火焰產(chǎn)生的熱輻射是室外池火災(zāi)的主要危害。評價結(jié)果中,死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑和財產(chǎn)損失半徑分別指熱輻射作用下的死亡半徑、二度灼傷半徑、一度灼傷半徑和引燃木材半徑。熱輻射在空氣中的傳播可用下式來表達(dá):q=EVτ(7)式中:q是目標(biāo)接受的熱輻射通量,kW/m2;E是火焰表面輻射通量,kW/m2;V是視角系數(shù);τ是大氣透射率?；鹧姹砻孑椛渫坑上率酱_定:E=Qrη2πD24+πDL(8)大氣透射率采用下式計算:τ=1-0.058ln(R)(9)式中:R是目標(biāo)到火焰表面的距離,m;D是池直徑,m;L是火焰平均高度,m;Qr為總放熱速率,kW/s?？偡艧崴俾视上率酱_定:Qr=0.25×3.14×D2×η1×Hc×m′(10)式中:η1是總的熱釋放速率與理論熱釋放速率之比;Hc是液體燃料燃燒熱,kJ/kg;m′是燃料質(zhì)量燃燒速率,kg/m2·s。2.2.3區(qū)域范圍及破壞程度的確定當(dāng)泄漏的氣體或液體揮發(fā)產(chǎn)生的氣體與空氣混合形成可燃性預(yù)混系統(tǒng),遇延遲點火,就會發(fā)生蒸氣云爆炸。模擬評價中死亡半徑是指沖擊波作用導(dǎo)致肺出血而死亡概率為50%的半徑;重傷半徑是指50%耳鼓膜破裂半徑;輕傷半徑是指1%耳鼓膜破裂半徑;財產(chǎn)損失半徑是指爆炸波作用下磚石房屋Cb級破壞半徑。為預(yù)測爆炸所造成的人員傷亡情況,將爆炸源由里向外依次劃分為4個區(qū)域:(1)死亡區(qū)。該區(qū)內(nèi)人員若缺少防護(hù),則將受到嚴(yán)重傷害或死亡,其內(nèi)徑為零,外徑記為R1,表示外圓周處人員沖擊波作用導(dǎo)致肺出血而死亡概率為50%,由下式確定:R1=13.6(WTNT/1000)0.37(11)式中:WTNT為爆源的TNT當(dāng)量,kg,按下式計算:WΤΝΤ=EQΤΝΤ(12)式中:E為爆源總能量,kJ;QTNT為TNT爆熱,為4520kJ/kg。(2)重傷區(qū)。該區(qū)內(nèi)的人員如缺少防護(hù),則絕大多數(shù)人員將遭受嚴(yán)重傷害,極少數(shù)人員可能死亡或受輕傷。其內(nèi)半徑就是死亡半徑R1,外半徑R2為重傷區(qū)半徑,表示該處人員因沖擊波作用而耳膜破裂的概率為50%,要求沖擊波峰值超壓約為44000Pa。沖擊波超壓ΔPs:ΔPs=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019(13)Ζ=R2(E/Ρ0)1/3(14)式中:P0=101325Pa。(3)輕傷區(qū)。該區(qū)內(nèi)的人員如缺少防護(hù),則絕大多數(shù)人員將遭受輕微傷害,少數(shù)人將受重傷或平安無事,死亡的可能性極小。該區(qū)內(nèi)徑為R2,外徑為輕傷區(qū)半徑R3,表示該區(qū)人員耳膜因沖擊波作用而破裂的概率為1%,仍由上式計算R3,但式中沖擊波峰值超壓為17000Pa。(4)安全區(qū)。該區(qū)內(nèi)人員即使無防護(hù),絕大多數(shù)人員也不會受傷害,死亡的概率幾乎為零。該區(qū)內(nèi)徑為R3,外徑為無窮大。爆炸不同程度地破壞周圍建筑物和設(shè)備,造成直接經(jīng)濟(jì)損失。財產(chǎn)損失區(qū)域的外徑記為R4,參照英國的分類標(biāo)準(zhǔn),財產(chǎn)損失半徑可由下式計算:Ri=ΚiW1/3ΤΝΤ[1+(3175/WΤΝΤ)2]1/6(15)式中:Ri為i區(qū)半徑;Ki為i級破壞系數(shù);WTNT為爆源的TNT當(dāng)量,kg。2.3主要計算結(jié)果應(yīng)考慮工程地區(qū)的風(fēng)向和風(fēng)速參數(shù)選取是模擬評價的一個重要的環(huán)節(jié)。模擬評價中所使用的參數(shù)一般是根據(jù)工程項目的具體情況確定,如進(jìn)行有毒物質(zhì)的泄漏擴(kuò)散模擬評價時,風(fēng)向宜采用工程項目所在地的常年主導(dǎo)風(fēng)向,風(fēng)速宜采用該地區(qū)的年平均風(fēng)速。由于參數(shù)選取具有大量不確定性因素,有時很難確定。在參數(shù)難以確定的情況下,可采用各種合理的方法分析確定,如用統(tǒng)計分析方法、構(gòu)造模糊集進(jìn)行確定等。3苯儲罐泄漏模擬分析針對某原料互供管輸工程項目進(jìn)行了模擬評價分析,在進(jìn)行勞動安全衛(wèi)生預(yù)評價時,確定了對管道輸送單元、泵站單元和罐區(qū)儲存單元三個單元進(jìn)行評價。三個單元均涉及到石腦油、苯、鄰二甲苯、混合二甲苯等有毒危害液體,其中苯是易揮發(fā)液體,泄漏后形成液池,在點火源作用下發(fā)生池火災(zāi);揮發(fā)的苯蒸氣在空氣中極易與空氣形成蒸氣云,遇引燃源發(fā)生蒸氣云爆炸。選擇了泵站出口、泵站進(jìn)口管道和儲罐孔洞三種泄漏形式,并假設(shè)泄漏發(fā)生5min后就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)并堵上,且泄漏處周圍不存在任何防液堤,進(jìn)行了泄漏擴(kuò)散、池火災(zāi)和蒸氣云爆炸模擬分析。有關(guān)苯模擬評價所需要的參數(shù)及見表1。圖1是苯儲罐泄漏后苯蒸氣在環(huán)境中的濃度分布(陰影區(qū)域表示濃度高于空氣中允許最大濃度);圖2是苯泄漏60s后地面附近濃度分布圖(1為濃度超標(biāo)區(qū),代表苯濃度大于空氣中允許濃度;2為安全區(qū)域,苯濃度小于空氣中允許濃度的區(qū)域;)。模擬評價結(jié)果表明苯儲罐發(fā)生泄漏后其濃度在空間的分布,圖中比較直觀地劃分出苯發(fā)生泄漏擴(kuò)散后的危害區(qū)域和安全區(qū)域,該模擬評價結(jié)果為企業(yè)管理人員制定事故應(yīng)急預(yù)案和設(shè)計單位的安全設(shè)計提供參考依據(jù)。表2和表3分別是不同泄漏物質(zhì)不同泄漏情況下,引發(fā)池火災(zāi)和蒸氣云爆炸的傷害半徑。圖3和圖4分別是苯儲罐泄漏后發(fā)生池火災(zāi)的熱輻射通量在空間的分布和蒸氣云爆炸超壓在空間的分布。該模擬評價結(jié)果以表格和圖形的格式表示了苯儲罐發(fā)生泄漏導(dǎo)致池火災(zāi)或蒸氣云爆炸事故后果嚴(yán)重度,包括各種傷害半徑(輕傷半徑、重傷半徑、死亡半徑、財產(chǎn)損失半徑)、池火災(zāi)熱輻射通量在空間的分布、蒸氣云爆炸超壓在空間的分布。4可選用模擬評價方法的模型本文在石油化工行業(yè)危險性和現(xiàn)有評價方法特性分析的基礎(chǔ)上,提出了一種適合于石油化工企業(yè)勞動安全衛(wèi)生預(yù)評價的方法——模擬評價方法。該評價方法具有模擬準(zhǔn)確度高、能真實預(yù)演事故發(fā)生全過程、模擬評價結(jié)果形象直觀等特點。工程實踐證明,將模擬評價方法應(yīng)用于石油化工企業(yè)勞動安全衛(wèi)生預(yù)評價可提高安全評價的