化工业池火灾多米诺效应分析

化工园区池火多米诺效应模式研究前言随着社会生产水平的不断提高以及我国经济的迅猛发展，各地化工企业不断增加，特别是化学工业园区近年来在我国经济发达区域发展迅速，致使企业的生产区和储存区拥有的易燃易爆、有毒有害和腐蚀性的物料量显著增加，重大危险源种类及数量都急剧增加。这些危险源一旦发生事故，这些事故具有的突发性、难以预测性、社会性以及灾难性等特点将给人民的生命和财产安全造成严重的威胁。由于人口的不断增长，对土地利用率的要求不断提高，近几年我国沿海不断涌现的化工园区建设项目更加具有危险源数量多、装置规模大、密集度高等特点。因此当一个储罐或者一个工艺单元发生事故，不仅会对周围的人和财产安全造成威胁，还会通过能量传递等引起周边储罐设施发生连锁反应，造成更严重的后果。目前国内外学者称此现象为多米诺效应，此效应的研究不仅对化工企业的安全评价、事故后果评估具有重要意义，还可以指导化工园区的规划以及企业应急预案的制定。本文主要从以池火为初始事件的多米诺效应研究。一、多米诺效应分析一个初始单元或设备发生事故导致的物理效应触发临近的一个或多个设备相继发生二次或多次的事故，从而增加了后果严重程度的现象，称之为事故多米诺效应。1.1通过对已有研究的总结和历史事故的分析，可以得出多米诺效应的产生有以下四个要素：（1）存在触发多米诺效应的初始事件；（2）事故影响范围内存在可能受其影响的敏感装置；（3）初始事故的扩展向量，热辐射、碎片、冲击波等，破坏效应和强度足够大；（4）事故蔓延导致单元内至少一个二次事故发生，且后果较初始事故严重程度加大。1.2多米诺效应一般模式：一级单元发生火灾爆炸等事故，产生的能量以冲击波、碎片、热辐射等形式传递到影响范围内的其他设备，发生二级事件，产生串联或者并联的系列反应，如此传递下去直至N级事件。具体如图1。图一多米诺效应一般模式1.3多米诺效应概率分析方法首先确定初始事件发生的概率。但是在实际生产活动中，设备达到安全检测标准而发生事故的概率很小，故研究时考虑各方面因素且结合历史事故发生可能性大小来确定；本研究为了多米诺效应的成立假设初始事件肯定发生，即初始事件的发生概率为1。第二部选用合适的损坏概率模型计算目标损坏概率，并选出二次事件可能的场景组合，计算出相应多米诺效应概率；最后找出概率最大即最有可能的组合场景，计算其风险指数。图二：多米诺效应概率分析模式二、池火发生机理及其后果模型2.1池火的形成池火灾是指可燃液体（如汽油、柴油等）泄漏后流到地面形成液池，或流到水面并覆盖水面后，遇到点火源而形成的火灾。池火灾一般发生在室外，由于氧气供应充足，燃烧比较完全，产生的有害烟气也容易达到无害而消散。但是，池火灾产生的火焰能够向周围发出强烈的热辐射，使附近的的人员受到伤害，并且可引燃周围的可燃物。因此，火焰产生的热辐射，是其主要危害2.2池火灾模型及计算方法池火多米诺效应模式的几个重要参数包括池的直径、池火的火焰高度、表面辐射通量E（KW/m2）和目标接收的热辐射通量q（KW/m2）。2.2.1池的直径一般将池火灾害类型界定为防火堤内火灾，液池范围可根据防火堤的形状视为圆形，则当泄漏的液体达到人工边界时，池的直径为：D=(4S/π)12⁄（式1）式中，D为液池直径（m），S为液池面积（m2）。2.2.2池火的火焰高度池火火焰假定为圆柱形，火焰直径等于池的直径。根据Thomas给出的计算无风条件下火焰高度经验公式有（下表一为一些可燃液体的燃烧速度）：0.610f)]gD/(ρ[m42DL（式2）式中：L为火焰高度（m），D为池直径（m），mf为燃烧速率（kg/m2s），0ρ为空气密度（kg/m3），g为引力常数。表一：一些可燃液体的燃烧速度物质名称汽油煤油柴油重油苯甲苯乙醚丙酮甲醇燃烧速度/（kg•m2•s-1）92~8155.1149.3378.1165.37138.29125.8466.3657.62.2.3表面辐射通量E假定能量由圆柱形火焰侧面和顶部向周围均匀辐射，用下式计算火焰表面的热通量：DLDfmHDEfC2225.025.0（式3）式中，E为火焰表面的热通量（kw/m2），ΔHC为燃烧热（kJ/kg），π为圆周率，f为热辐射系数（可取为0.15），mf为燃烧速率（kg/m2s），其它符号同前。2.2.4目标接收的热辐射通量q对于圆柱形火焰，距离池火中心r处的目标接收到的热通量q(r)计算公式为：VrErq)ln058.01()(（式4）式中，q(r)为目标接收到的热通量（kw/m2），E为由式（3）计算的火焰表面的热通量（kw/m2），r为目标到油区中心的水平距离（m），V为视角系数。注：视角系数的计算：角系数V与目标到火焰垂直轴的距离与火焰半径之比s，火焰高度与直径之比h有关。（式5）（式6）其中A、B、J、K、VH、VV是为了描述方便而引入的中间变量，π为圆周率。)(22HVVVVBAVH5.025.01)1/(1111tan)/1(bsbsbsbA5.025.01)1/(1111tan)/1(asasasaBsKJhsshVV/)(/))1/((tan5.0215.015.021111tan1sasaaaJ5.011/1tanssK)2/()1(22ssha)2/()1(2ssb2.2.5池火多米诺效应分析火灾主要包括池火、火球、火球、闪火以及喷射火，其中对灌区影响最大的是池火，池火对设备的破坏主要是通过热负荷。下图二为池火多米诺效应发展分析。图三：池火多米诺效应发展模式分析三、池火多米诺效应传递机理及概率计算3.1传递机理通过对多起池火多米诺效应的分析，发现引起池火模型逐渐升级的传播媒介为辐射，这与定量风险分析（QRA）中通常考虑的主要事故的危险因素和逐渐升级传播媒介（见下表二）基本吻合。本研究主要通过概率模型和阈值来计算池火多米诺效应后果，池火事故发展路径可以按下列发展模式图计算：表二：主要事故的危险因素和逐渐升级传播媒介主要事故危害因素逐渐升级传播媒介蒸气云爆炸超压超压机械爆炸超压碎片、超压BLEVE超压碎片、超压火球热辐射热辐射喷射火热辐射热辐射池火热辐射热辐射闪火热辐射热辐射3.2发展路径池火事故多米诺效应发展路径图四：A传播介质和热辐射→𝐵𝑖（i=1,2……n)其中A为初始事故，在此表示池火，B为二级事故，在此表示为火灾、爆炸和泄露。𝐵𝑖为n个二级设备，其发生事故的组合有2n个，运用概率计算出概率最大即其最容易发生事故的组合，并假设此等级单元中此组合发生事故。2n个二次事故发生的概率可以由下式计算得：Pmi=∏[1−Pi+∂(i,Jmk)(2Pi−1)]ni=1（式7）其中∂(i,Jmk)={0，i不属于Jmk1，i∈JmkPmi表示m种组合中第i种组合发生事故的概率，Pi为第i个储罐发生事故的概率即目标设备的损害概率，Jmk为k个二次事故的m种组合的集合。目标设备的损害概率的计算：初始事件的物理效应和设备i的位置以及时间等影响着目标设备的损害概率Pi的值，对于Pi的计算通常有三种方法：基于概率函数法、基于讲演数据和基于最坏的情况。在此我们采用基于经验数据撒哈上的概率函数法对设备损坏概率进行计算，即：P=1√2π∫e−x2/2dxY−5−∞（式8）其中p为目标设备发生的损坏概率；Y为概率单位变量；x为积分变量。其中核对多年米诺效应后果的评价要建立在确定在何种情况下目标会被破坏的前提下的。为了简化，通常用表征破坏效应的相关物理参数的阈值作为是否会引起多米诺效应的判定准则。然而热辐射对目标设备的破坏效应的指标有热通量准、热剂量准则以及热通量-热剂量准则。热剂量准则一般适用于作用于目标的热通量持续时间非常短的情况，而由于时间很短时，引发目标设备失效的可能性很小，所以极少使用；又由于热剂量准则以及热通量-热剂量准则的相关数据比较缺乏，因此对于多米诺效应分析中主要考虑热通量准则。通过比较F.1.Khan、JohnGledhill、法国以及西班牙等人给出的热辐射阈值，我们采用ValerioCozzani等对热辐射研究后给出的常压容器10分钟以上热辐射下的阈值是15KW/m2，压力容器十分钟以上热辐射的阈值是50KW/m2。该阈值不仅考虑了目标设备类型还考虑了火灾持续时间对设备破坏的影响，因此更为合理并接近实际情况。下表三为热辐射下常用设备损坏概率模型：表三：热辐射下常用设备的损坏概率模型物理影响因素目标设备阈值扩大效应概率计算模型热辐射常压容器15KW/m2超过10minY=12.54-1.847lntlnt=-1.128lnI−2.667×10−5V+9.877高压容器50KW/m2超过10分钟Y=12.54-1.847lntlnt=-0.947lnI+8.835V0.032注：Y为初始场景扩大效应的概率单位；t为无故障时间；I为对目标物的辐射强度，KW/m2；V为设备容积m3。综上可以得出二级单元𝐵𝑖发生事故的单元组合（假设概率最大的单元），即可以确定二级事故的组合，二级事故可以为火灾、爆炸以及泄露三种情况，若为泄露，则以𝐵𝑖作为初始事件重复上述计算步骤，若为爆炸和泄露则选用相应的模型计算，以此循环至第n级事故。初始事故本身为小概率事件，在此次多米诺效应研究中将初始事件发生的概率界定为1（实际概率一般为百分之五以下），当第n级事故的概率为0.8时，则此级单元发生事故的实际概率就极小，认为此事故的多米诺效应到此传递停止。四实例计算与研究某罐区有四个储罐，容积均为1000m3，其中1、2罐为苯储罐，3、4罐为甲苯储罐，储罐半径为6m，并且都是常压立式储存容器。储存容器分布图如下图五，其中每个储罐都在一个独立的防火堤内，防火堤半径为10m且与储罐为同心圆。环境温度为25℃，10m高度风速为4m/s。图五储罐分布图注：虚线部分为防火堤，实线部分为储罐。假设罐1泄露并在防火堤内发生池火灾，通过式软件可以计算得出其后果。如下表四：液池直径（m）燃烧速度（kg•m-2•s-1）火焰高度（m）表面辐射通量（KW）通过事件树分析外加对一些事故的统计，当1罐发生池火灾时其他三个储罐所对应的不通情况如下图六，在此以不同的临界入射通量对应的不同的目标距离为标准划分事故单元等级，按照下表四把此罐区中1、2罐区为二级事故单元，4罐区为三级是事故单元。图六1罐发生池火灾后的事故树分析表四不同距离的临界量和损伤情况由以上结果可得五结论（落到安全距离、社会风险以及死亡区、一级伤残区上）