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油油 气气 储储 运运 安安 全全 技技 术术 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 油气储运安全技术油气储运安全技术 Safety Technology of Oil 反之，闪点越低则燃点也越低，自燃点越高。油品的着火危险性越大。一些油 品的闪点、自燃点见表2-1。石油库储存区油品的火灾危险性分类，就是按油品闪点不同分 为甲、乙A类、乙B类、丙A类、丙B类的，见表1.1。 表1.1 油品的闪点、自燃点和燃烧速度 燃烧速度 油品名称 闪点/℃ 自燃点 传播速度 燃尽速度 原油 27～45 380～530 1.5-3 喷气燃料 -60～10 390～530 12.6 2.1 车用汽油 -50～10 426 10.5 1.75 煤油 28～45 380～425 6.5 1.10 轻柴油 45～120 350～380 润滑油 180～210 300～350 根据石油化工企业防火规范，液化烃可燃液体是根据闪点进行分类的 液化烃、可燃液体的危险性分类表 2易爆性 爆炸是物质发生非常迅速的物理和化学变化的一种形式。这种形式在瞬间放出大量能 量，使其周围压力突变，同时产生巨大的声响。爆炸也可视为气体或蒸气在瞬间剧烈膨胀的 现象。由于爆炸威力巨大，它造成的破坏往往是灾难性的。 关于爆炸，将在第二章燃烧和爆炸基本理论中进行详细介绍。 3蒸发性 蒸发性是石油产品特别是石油最重要的特性之一， 它对燃料的储存、 运输和在发动机使 用都有密切的关系。一般说来，馏分越轻的油品挥发性越强，而且随温度的升高而增强。蒸 发性大的燃料蒸发耗损越大，着火危险性也越大。 液体蒸发有静蒸发和动蒸发。各 种液体燃料在容器中储存时的蒸发现象均属静蒸发。 静 蒸发的蒸发速度一般比较缓慢。液体燃料在流动的气体中分散为细小颗粒的蒸发称为动蒸 发，象液体燃料在发动机汽化器、柴油机或锅炉燃烧时，都有在强烈的气流中被喷散或雾状 进行蒸发燃烧形象，这类蒸发现象均属动蒸发。另外，石油库油罐等容器在装油时会有大 量的油蒸气逸出，卸油时有大量的新鲜空气进入，这种大呼吸现象也属于动蒸发。液体动蒸 发的蒸发速度远远超过其静蒸发时的速度。 影响蒸发损耗的因素很多，总起来可以分为两方面。一是油品本身性质方面的因素，如 沸点、蒸气压、蒸发潜热、粘度和表面张力等;二是外界条件的因素，主要有油温变化;油 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 9 罐顶壁同液面间体积大小油罐罐顶严密性;油罐大小呼吸等。 大呼吸是指油罐进发油时的呼 吸。油罐在没有收发油作业的情况下，随着外界气温、压力在一天内的升降周期变化，罐内 气体空间温度、油品蒸发速度、油气浓度和蒸汽压力也随之变化。这种排出石油蒸气和吸入 空气的过程，叫小呼吸。 25 Flow Gasoline removed roof landed roof landed gasoline open gasoline 26 Flow Gasoline added roof landed roof landed gasoline 4静电荷集聚特性 石油产品的电阻率很高，一般10 12左右。汽油、煤油、柴油的电阻率都很高。电阻率越 高，导电率越小集聚电荷能力越强。因此，石油产品特别是汽油、煤油、柴油在流动、喷射、 冲击、过滤、搅拌等过程中都会产生大量静电。静电积聚形成电压差运输等，在一定条件下 会放电， 如果静电放电发生的电火花能量达到或超过油品蒸气的最小点火能量时， 就会引起 燃烧或爆炸。石油产品的静电集聚能力强，最小点火能量低例如汽油仅0.1-0.2mJ，这是 石油产品的另一特点。 例如，不能穿化纤衣服。塑料桶罐装汽油易着火 塑料的电阻率比较高，很容易产生和积累静电。如提着塑料桶走一段路后，由于塑料桶 与衣服摩擦，桶体就会带有很高的静电。向塑料桶罐装汽油时，由于汽油与桶体摩擦、撞击 会产生静电，电位一般可达300V。而且它与桶体原来所带的静电极性相同，所以叠加后电位 更高。当金属或人的手指接触桶口时，静电会发生火花放电，引起汽油蒸气燃烧。 5流动性与膨胀性 油品是流体，具有流动性。当油罐爆炸破损以后，油品会从油罐内向外流出，并且顺着 地势高低，沿着地面流淌，使火灾范围扩大，扑救变得十分困难。因此在油罐区需修筑一定 高度的防火堤。油品密度比水小，流淌的油品会浮于水面上燃烧，油罐区排水沟会成为火灾 的传播途径，应采取阻隔措施。 油蒸气密度，除甲烷以外，均比空气重。扩散出的油蒸气会积聚在油罐区周围，如果无 风，会久聚不散，特别是低洼地区及排水沟内，这样增加了火灾的危险性。 油品像所有物质一样，具有热胀冷缩的特性。温度升高，油品体积膨胀，压力增高温 度降低，体积收缩，压力下降，使油罐内交替出现正负压，引起罐体变形甚至破坏。 为了维持罐内的正常压力，大型油罐需设置“呼吸阀”或“通气孔”。温度升高时，罐内部 分油蒸气排出罐体;温度下降时，部分空气吸入罐内，这固然保持了罐内压力平衡，但消耗 了油品大量的轻质组分，也增加了火灾的危险性。油品的膨胀系数见表1.4。 1.4几种常见油品的受热膨胀系数 油品名称 膨胀系数β 汽油 0.0012 煤油 0.0010 柴油 0.009 6毒性 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 10 石油产品及其油蒸气具有一定毒性， 轻质油品毒性比重质油品毒性小些， 但轻质油品蒸 发性大，往往使空气中的油蒸气浓度比重质油大，由于空气中油气存在使氧气的含量降低， 因此危险性较大。 油蒸气经口、 鼻进入呼吸系统， 能使人体器官受害而产生急性和慢性中毒。 如空气中油蒸气含量为0.28时，经过12-14min，人便会感到头晕;如果含量达到1.130～ 2.22时便会发生急性中毒，使人难以支持;当油蒸气含量更高时，会使人立即昏倒，失去知 觉，甚至有生命危险。油蒸气的慢性中毒会使人产生头昏、疲倦和嗜睡等症状，经常与油品 接触的皮肤会产生脱脂、干燥、龟裂、皮炎和局部神经麻木。油品对人体的毒性来自其烃类 和非烃类物质， 为改善油品性能而加入的某些添加剂也具有一定毒性， 因此对油品在储运的 各环节进行毒性泄漏风险分析，对采取防毒措施具有重要意义。 （7）腐蚀性 对油品储运设备来说， 腐蚀性是导致设备寿命缩短的或破坏的一个主要原因之一， 其中 以电化学腐蚀最为严重。 油品中含有少量水份和微量腐蚀性物质，如含硫物质（包括有机硫化物和硫化氢）和氯 离子，给金属的电化学腐蚀创造了条件。空气中的盐分也会加速罐体的腐蚀。储罐和管线受 烃类产品中水份和腐蚀性物质的作用， 发生电化学腐蚀， 往往会造成不易发觉的罐壁或管壁 变薄，最后导致穿孔和油品泄露。 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 11 第二节第二节 储运过程中的事故类型储运过程中的事故类型 随着科学技术的进步，易燃、易爆、有毒危险品生产、储存和运输规模越来越大，生产 过程失控、 储存和装卸违反安全要求、 交通事故等原因引起的重大事故发生频率和后果不是 减小，而是显著增大了。对过去事故资料的分析表明，易燃、易瀑、有毒危险品储运过程中 发生频率高、损失严重的事故类型主要是火灾事故、爆炸事故和泄漏事故。 一、火灾事故 火灾是时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。国家标准火灾分类按物质燃烧特性 将火灾分为四类 A 类火灾 指难熔化的固体物质火灾，火灾后一般能留下灼热的余烬，如木材、棉、毛、麻、纸张 火灾等。 B 类火灾 指液体火灾和易熔化的固体物质火灾，如汽油、煤油、柴油、原油、乙醇、沥青、石蜡 火灾等。 C 类火灾 指气体火灾，如煤气、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、氢气火灾等。 D 类火灾 指金属火灾，如钾、钠、镁、钛、铝、铝镁合金火灾等。 按照火灾持续时间的长短，火灾可以分为瞬间火灾和非瞬间火灾。瞬间火灾指持续时 间很短的火灾， 例如火球和闪火。 火球是指一种燃烧速度极快的火灾， 燃烧的物质升入空中， 形成云或球状火焰。 闪火是指易燃气体或蒸气与空气的混合物燃烧产生的一种持续时间根短 的火灾，火焰传播速度小于声速，冲击波超压的破坏效应可忽略不计。非瞬间火灾是指持续 时间比较长的火灾， 例如池火灾。 池火灾是指失火现场的一层液体挥发出的物质的持续燃烧 现象，如油罐池火灾、油井火灾等。 Accident Risk assessment Fire Explosion Leakage而且油蒸气爆炸下限越低，爆炸范围越宽，爆炸危险性就越大。混合物 浓度低于爆炸下限，既不会爆炸也不会燃烧。混合物浓度高于爆炸上限时，不会爆炸，但可 能燃烧。 用爆炸温度极限来判断油品的爆炸危险性有时比用爆炸浓度极限更直观。 实际上石油产品的 爆炸与燃烧往往相联系，爆炸可能转化为燃烧，燃烧可转化为爆炸。当空气中油蒸气达到爆 炸极限范围时，一旦接触到火源，混合气体先爆炸后燃烧;空气中油蒸气超过爆炸上限时， 接触火源就先燃烧，待油蒸气下降到爆炸上限以内时，随即会爆炸。 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 22 第三节第三节 燃烧与爆炸的关系燃烧与爆炸的关系 燃烧的主要特征是发光和发热， 但与压力无特别关系。 爆炸的主要特征是压力的急剧上 升和爆炸波的产生。燃烧和化学爆炸本质上都是氧化还原反应，但二者反应速度、放热速率 和火焰传播速度都不同，前者比后者慢得多。 燃烧和爆炸关系十分密切，有时难以将它们完全分开。如果一种物质具有爆炸危险性， 它一定同时具有燃烧危险性。相反，如果一种物质具有燃烧危险性，它也很可能同时具有爆 炸危险性。在一定条件下，燃烧可以引起爆炸， 爆炸也可以引起燃挠。 事实上，在很多火灾、 爆炸事故案例中，火灾和爆炸同时存在。 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 23 第三章第三章 火灾及爆炸伤害分析火灾及爆炸伤害分析 本章主要讲述储运系统中常见池火灾Pool Fire 、沸腾液体扩展蒸气爆炸BLEVE，喷 射火Jet fire，突发火Flash fire以及蒸气云爆炸VCE事故。 蒸气云爆炸VCE（英国）（说明1974年6月1日，英国一家化工厂发生蒸气云爆炸，死亡28 人，受伤36人，大约1800房屋和170家商店遭到损坏。） PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 24 丙烷槽车的BLEVE 第一节第一节 热辐射破坏准则及伤害概率模型热辐射破坏准则及伤害概率模型 一、 破坏准则 1、 热通量准则 以热通量作为衡量目标是否破坏的唯一参数， 当目标收到的热通量大于或等于引起目标破坏 所需的临界热通量时，目标被破坏，否则，目标不被破坏。热通量准则的适用范围为热通量 作用的时间比目标达到若平衡所需要的时间长。 2、 热强度准则 热强度准则以目标接收到的热强度作为目标是否被破坏的唯一参数， 当目标接收到的若强度 大于或等于目标破坏的临界热强度时，目标被破坏，否则，目标不被破坏。热强度准则的适 用范围为作用于目标的热通量持续时间非常短、以至于目标接收到的热通量来不及散失掉； 3、 热通量热强度准则 当热通量准则或热强度准则的适用条件均不具备时，应该使用热通量热强度准则。 热通量热强度准则认为， 目标能否被破坏不能由热通量或热强度一个参数决定， 而必须由 他们的组合来决定。 二、热辐射伤害模型 热辐射通常用概率模型来描述， 热辐射对人的伤害一般可分为死亡、 一度烧伤、 二度烧伤等。 对于不同伤害程度的几率表达式为 皮肤裸露时的死亡概率 3/4 r 561 . 2 38.36tqnP− PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 25 有衣服保护时（20％皮肤裸露） 3/4 r 561 . 2 23.37tqnP− 二度烧伤概率 3/4 ln00188 . 3 14.43tqPr− 一度烧伤概率 3/4 01861 . 3 83.39tqnPr− 式中 q 分别为人员接受到的热通量，kw/m2； t 为人体暴露于辐射的时间（s） ； Pt 为人员伤害概率单位，pr5 表示对应的人员的伤亡百分数为 50。 对于财产损失，可以按照引燃木材所需的热通量计算 254006730 5 4 − tq 概率与死亡率换算 死亡率 （％） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 2.67 2.95 3.12 3.25 3.36 3.45 3.52 3.59 3.66 10 3.72 3.77 3.82 3.87 3.92 3.96 4.01 4.05 4.08 4.12 20 4.16 4.19 4.23 4.26 4.29 4.33 4.36 4.39 4.42 4.45 30 4.48 4.50 4.53 4.56 4.59 4.61 4.64 4.67 4.69 4.72 40 4.75 4.77 4.80 4.82 4.85 4.87 4.90 4.92 4.95 4.97 50 5.00 5.03 5.05 5.08 5.10 5.13 5.15 5.18 5.20 5.23 60 5.25 5.28 5.31 5.33 5.36 5.39 5.41 5.44 5.47 5.50 70 5.52 5.55 5.58 5.61 5.64 5.67 5.71 5.74 5.77 5.81 80 5.84 5.88 5.92 5.95 5.99 6.04 6.08 6.13 6.18 6.23 90 6.28 6.34 6.41 6.48 6.55 6.64 6.75 6.88 7.05 7.33 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 26 第二节第二节 池火灾伤害计算（池火灾伤害计算（Pool Fire）） 一、池火灾现象 油罐池火灾 池火是一种常见的火灾形势，是可燃液体表面上的自然燃烧。泄漏到地面上、堤坝内液 体的火灾、敞开容器内液体的燃烧等均称为池火。池火灾多在防火堤等所限制范围内发生, 其上部空间没有限制,空气供应充足,燃烧完全,形态上看呈圆柱形或圆锥形。 由于罐体腐蚀穿孔，或泄漏液体火焰的烘烤，使材料强度下降，并受其他外力的作用导 致破裂，发生大量池漏，形成储罐周围防火堤内的液池。池火灾对油罐区的影响主要在于其 高能量的热辐射。 二、池火灾伤害模型 池火灾后果可以运用池火灾伤害模型通过定量计算， 确定事故发生时火灾的特性参数如 火焰高度、持续时间、火焰表面热通量等。从而预测火灾影响范围，伤害及破坏程度。影响 范围可用伤害/破坏半径的大小来表示；伤害程度可以用死亡、二度烧伤和一度烧伤辐射通 量阈值来区分。计算得到的伤害破坏半径，应作为安全管理上的防御线，在伤害半径内的人 和设备都要采取相应的防范措施， （1） 确定油池半径 将油池假定位直径为D的圆形。当油池火灾发生在油罐或油罐区时，可根据防火堤所围 油池面积计算当量直径。 π S D 4 式中，D为油池当量直径，m；S为防护堤所围油池面积，m2。 当油池火灾发生在输油管道区，且无防火堤时，假定泄露的液体无蒸发，并已充分蔓延，地 面无渗漏，则根据泄露的液体量和地面性质计算最大池面积 ρ min H W S 式中，S为最大池面积，m2；W为泄露的液体量，kg；Hmin为最小油层厚度，与地面性质 和状态有关，如下表所示；ρ为泄露油密度，kg/m3。 最小油层厚度 地面性质 最小油层厚度/m 地面性质 最小油层厚度/m PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 27 草地 0.020 平整地面 0.010 粗糙地面 0.025 混凝土地面 0.005 （2） 确定火焰高度和燃烧速度 无风时的火焰高度可以按托马斯给出的经验公式进行计算， 火焰高度系数L计算见下式 61. 0 5 . 0 0 42L         gD m D f ρ 式中 L 为火焰高度，m； D 为油池直径或当量直径，m； f m为单位面积燃烧速度，kg/m2.s； 0 ρ为周围空气密度，kg/m3； g 为重力加速度， 2 /8 . 9smg 燃烧速率计算公式 当液体沸点高于环境温度时 vcbP c f HTTC Hc m − . 式中，mf液体单位面积燃烧速率，kg/m2.s； C常数，0.001kg/m2.s； Hc液体燃烧热，J/Kg； Hv液体在常压沸点下的蒸发热，J/Kg； Cp气体的比定压热容，J/kg.k； Tb液体的沸点，K； Ta环境温度，K。 液体的燃烧速度也可以查找相关的物性数据。 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 92～ 81 55.11 49.13 78.1 165.37 138.29 125.84 66.36 57.6 （3）计算热辐射通量 假定能量由圆柱形火焰侧面均匀辐射，则池火灾燃烧时放出的总热辐射通量 q0 为 DLD fmHD q fC ππ π ∆ 2 2 0 4 1 4 1 式中，q0 为火焰表面的热通量，kW/m2； H∆- - 燃烧热（kJ/kg） ； PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 28 f 是热辐射系数，范围为 0.13- 0.35，保守取值为 0.35。 （4）目标接收到的热通量 假定全部辐射热通量由油池中心点的球面辐射出来， 则距离油池中心某一距离 （r） 处的目标接受到的热通量为 rVqrqln058 . 0 1 0 − 式中， rq为目标接受到的热通量，kw/m2； q0 为池火表面的热通量，kW/m2； VF为视角因子； 视角因子是热辐射传递的重要概念，其定义为接受体所能接受的发热体辐射能量 的分数，大小取决于发射体和接受体的形状、距离以及相对角度。计算非常复杂。 视角系数 V 按照 Rai 和 Kalelkar 提供的方法计算，即 22 HV VVV BAVH−π 5 . 0 2 5 . 0 1 1/11/11tan/1−−−−− − bsbsbsbA 5 . 0 2 5 . 0 1 1/11/11tan/1−−−− − asasasaB sKJhshVV/1/tan 5 . 0 21 −− − π 5 . 0 1 5 . 0 2 11/11tan1/−−− − sasaaaJ 5 . 0 1 1/1tan− − ssK ssha2/1 22 ssb2/1 2 2// Drs 式中，h 为火焰高径比；s 为目标到火焰垂直的距离与半径之比；A,B,J,K，a，b 为中间变量。 τ为大气透射率，考虑水蒸气、二氧化碳等的影响，辐射热量在传播过程中有损 失，用大气透射率来表示，常用的计算方法是 rln058 . 0 1−＝τ r 为目标点到油池中心的距离； （5）辐射对人员的伤害 τ F0V qq PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 29 池火灾对人体辐射伤害的热量阈值可以由几率表达式决定 根据人体接收到的热辐射通量和暴露时间，按上面公式计算伤害概率。后果分析常用相 反的方法，即根据伤害概率，确定暴露时间，根据上面的式子计算热辐射通量，根据热辐射 通量和距离的关系算出距火源的距离，此距离即为相应的伤害距离。 给定人体暴露于辐射的时间 t， 即可求出引起人员不同伤害的热辐射的限值 q1， q2， q3；将求出的 q1，q2，q3 带入上面的热通量与损伤半径关系式中可求得 r1，r2，r3 的 值。 （6）热辐射对建筑物破坏半径的估算 热辐射对建筑物的影响直接取决于热辐射强度以及作用时间的长短。可引起建筑 物破坏的热通量计算式如下 254006730 5/4 − tq 式中，q 为引然木材的热通量，kw/m2；t 为热辐射作用时间，s。设建筑物破坏半 径为 r，将 q 值代入关系式 rVqrqln058 . 0 1 0 −求得 r 值。 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 30 第三节第三节 沸腾液体扩展蒸气爆炸伤害模型沸腾液体扩展蒸气爆炸伤害模型 一、一、 沸腾液体扩展蒸气爆炸定义 BLEVE boiling liquid expanding vapor explosion 沸腾液体扩展蒸气爆炸 大致步驟 装有可燃液体的容器附近起火容器壁被加热容器內压力升高加以容器材料因 热丧失结构强度可燃物外泻，并称为蒸气扩散与空气混合被点燃，爆炸。 槽车是一種容易引起 BLEVE 的狀況; 一些对策包括 储槽地面要有一些倾斜，万一泄漏，可燃物可流走； 容器要绝热； 可用水淋湿降温； 设置释压装置等 沸腾液体扩展蒸气爆炸（boiling liquid expanding vapour explosion, 简称BLEVE）， 又常称之为火球。是 指储罐在外部火焰的烘烤下突然破裂，存 储的过热液体或液化气体突然 释放并被点燃，形成巨大的火球。 沸腾液体扩展蒸气爆炸事故是石油、 化工和交通运输行业常见的重要事故类型。 装有可 燃液化气的储罐，如果受到外部火焰的长时间烘烤，储罐的强度将逐浙降低，当强度下降到 一定程度时，储罐将突然破裂，由此带来压力突然降低，液化气迅速气化并燃饶，导致沸腾 液体扩展蒸气爆炸事故的发生。 沸腾液体扩展蒸气爆炸事故后果一般比较严重， 能造成巨大的财产损失和人员伤亡。 例 如， 1966年1月4日发生在法国的沸腾液体扩展蒸气爆炸事故导致18人死亡， 81人受伤和巨大 的财产损矢。 1978年5月30日发生在美国Texas城的沸腾液体扩展蒸气爆炸事故造成的经济损 失达到8500万美元。 二、沸腾液体扩展蒸气爆炸伤害模型 沸腾液体扩展蒸气爆炸的能量来源于两个方面。一方面，液化气储罐本身是高压容器， 它的突然破裂能够释放出巨大的能量，产生爆炸波并且将容器破片抛向远方。另一方面，液 化气剧烈燃烧能够释放出巨大的热能产生巨大的火球和强烈的热辐射。 沸腾液体扩展蒸气爆 炸产生的破片和爆炸波超压虽然也有一定危害， 但与爆炸产生的火球热辐射危害相比， 它们 的危害可以忽略。在高 爆炸事故发生地较远的地方， 火球热辐射更是沸腾液林扩展蒸气间炸 事故的主要危害。即沸腾液体扩展蒸气爆炸发生后，主要危害是爆炸产生的火球热辐射，而 不是爆炸冲击波。 火球的特征可用国际劳工组织（ILO）建议的沸腾液体扩展为蒸气爆炸模型来估计。 （1）火球半径的计算 实验证明，火球半径和可燃物质量的立方根成正比，火球半径的计算公式为 3/1 9 . 2MR 式中R火球半径，m； M火球中消耗的可燃物质量，kg。对单罐储存，取罐容量的50；对双罐储存，取罐容 量的70；对多罐储存，取罐容量的90。 （2）火球持续时间计算 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 31 实验证明，火球的持续时间也和可燃物质量M的立方根成正比。火球持续时间按下式计算 3/1 45 . 0 Mt 式中t火球持续时间，s。 类似上述指数关系描述的火球直径、持续时间和可燃物质量的关系还有很多，见下表。从表 中可以看到，火球直径与可燃物质量接近1/3次幂的关系是比较一致的，其他参数则相差很 远，而各种模型均有使用，表明沸腾液体扩展蒸汽爆炸研究还有待于进一步深入。 b aMD d cMt 模型 a b c d Lihou T液体温度，K； Tb液体常压沸点，K； Hv常压沸点下的汽化热，J/Kg. 由上式计算的 Fv 一般在 0～1 之间，这种情况下一部分液体将作为极小的分散液滴保 留在蒸气云中。 随着与具有环境温度的空气的混合。 如果来自空气的热量不足以蒸发所有液 滴，部分液体将降落地面形成液池。 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 40 第二节第二节 连续气体泄漏连续气体泄漏 气体或蒸气经小孔泄漏，因压力降低而膨胀，该过程可视为绝热过程。假设气体符合 理想气体状态方程，则可以根据伯努利方程可推导如下的气体泄漏公式               −      − kkk d P P P P RT M k k APCQ /1 0 /2 0 0 1 2 式中Cd 气体泄漏系数，当裂口形状为圆型时取 1.0，三角形时取 0.95，长方形时取 0.90； M 相对分子质量； ρ气体密度，kg/m3； T气体温度，K； R理想气体普适常数，8.314J/（mol.K） 。 式中 K 为气体的绝热指数，即定压比容 Cp 与定容比容 Cv 之比。 上式只适用于亚声速情况，当泄漏的速度达到声速时，此时气体的流动将是阻塞的。 令 0 /d dQ 0 PP ，可以求得极值条件，此时的压力称之为临界压力 1 0 1 2 −       k k C k PP ＝ 当下式成立时，气体流动属于亚音速流动 1 0 1 2 −       k k kP P 当下式成立时，气体流动属于声速流动 1 0 1 2 −       ≤ k k kP P 此时的泄漏流量计算式为 1 1 0 1 2 −       k k d kRT Mk APCQ 许多气体的绝热指数在1.1～1.4之间， 则相应的临界压力在1.7～1.9个大气压， 因此许 多事故的气体泄漏是声速流。 几种气体的绝热指数和临界压力 物质 丁烷 丙烷 二氧化硫 甲烷 氨 氯气 一氧化碳 氢气 K 1.096 1.131 1.290 1.307 1.310 1.355 1.404 1.410 PC 1.708 1.729 1.826 1.837 1.839 1.866 1.895 1.899 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 41 第三节第三节 两相流动泄漏计算两相流动泄漏计算 一、两相流及其主要特征参数 （1）两相流的概念和分类 两相流动中的相通常是指某一系统中具有相同成份及相同物理、 化学性质的均匀物质成 份。从宏观的角度出发，可以把自然界的物质分为三类气相、液相、固相。单相物质的流 动即为单相流，如气体或液体流。两相物体的流动称为两相流。在两相流动中，两相之间不 仅存在分界面，而且这一分界面随着流动在不断的变化。因此，两相流可定义为存在变动分 界面的两种独立物质组成的物体的流动。这里主要讲述气液两相流动。 （2） 两相流的主要特征参数 在两相流中，由于存在 一个形状和分布在时间和空间里均随机可变的相界面， 描述两相 流的参数与描述单相流动的参数相比， 增加了一些新的特征参数。 最常用的两相流主要参数 是流型和相分率。 流型 流型又称流态， 指两相界面分布呈不同几何图形或不同的结构形式。 流型是两相流最基 本的特征参数之一， 不但影响两相流的流动特性和传热传质性能， 而且两相流其它参数的准 确测量也往往依赖于对流型的了解。 流型影响因素复杂，与管道内的压力、气液相流量、热流密度和管道几何形状等因素均有关 系。 水平管气液两相流流型 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 42 竖直管气液两相流型 气液两相流型图 分相含率 分相含率是指两相流中各相所占的份额，在 气液两相流中即为含气率和含液率。 如果气 相为气液两相流中的离散相，通常用含气率来表示分相含率。含气率有截面含气率、质量含 气率和体积含气率三种表示形式。 截面含气率 截面含气率又称为空隙率，指气液两相流作一元流动时，在管道的某一流动截面上，气 相所占截面积与总流通面积之比。 质量含气率 质量含气率又可称为干度，指气液两相混合流体中气相质量流量与总质量流量之比。 体积含气率 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 43 体积含气率是指气液两相混合流体中气相体积流量与总体积流量之比。 二、两相流泄漏分析 两相流通过小孔的泄露非常复杂， 目前该领域的研究还非常少。在 气液相流量均较小时 水平管内会出现分层流型。此时气液两相之间存在一分界面，气相占据管截面上部空间，而 液相则在管底部流动。 实验发现进入管壁小孔的气液相流量和比例主要受两相流的泄漏与管 路内的流型、泄漏孔的方位、泄漏容器内外差压等的影响。 1、 小孔方位的影响 如在分层流型下，若小孔位于顶部，在气液界面以上，进入小孔的基本全是气体，而若小孔 位于管壁底部，进入小孔的基本全是液相。 破口向上，进入破口基本全是气相 破口向下，进入破口基本全是液相 2、 小孔两侧差压的影响 差压较低时进入底部小孔基本全是液体 随着差压增大，底部小孔逐渐有气体逸出 差压进一步增大，气体将形成连续的气体通道，从底部小孔喷出 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 44 当差压较大时，液相也会进入气液界面以上的破口 右图为小孔位于管底部时两相流通过小孔的流动情况。 当小孔位于气液界面以下， 小孔 两侧压力较低时进入小孔的基本全是液体， 然而随着压差的增大， 小孔上方气液界面开始变 形，出现下凹。随着压差进一步增加，小孔上方气液界面变形加剧，形成漩涡，小孔出口开 始出现小气泡。当压差进一步增大时，气体会冲破小孔上方的液膜，形成连续气流从小孔喷 出。当分配小孔位于液面上部时，如果小孔两侧压差较低，进入小孔的基本全是气体，随着 压差的增加，进入小孔的气量增加，由于气相加速而导致小孔入口压力降低，使得气液界面 上的液体也可能会被气体夹带而进入小孔。 3、 流型的影响 对于小孔位于同一方位，在不同流型下进入小孔的气液相流量和比例也不尽相同。 如对于顶部小孔 在分层流型下进入顶部小孔的基本全是气相； 而在环状流型下，由于管壁顶部存在液膜，将会有部分液体通过管壁破口； 而在弹状流型下，由于弹状流是一种间歇流型，表现为长气泡和液塞交替流过分配界面，因 此在气泡区表现为分层流类似的泄漏特征，即进入破口的基本全是气相，而当液塞来临时， 液相充满整个管截面，通过破口的将大多为液相。 。 分层流型下进入顶部小孔的多为气相 环状流型下，顶部小孔处的液膜将被气体携带进入小孔 弹状流型下气泡来临时进入顶部小孔的基本全是气体，液塞来临时，进入顶部小孔的 基本全是液相。 三、两相流泄漏量的计算 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 45 两相流的泄漏计算包括两部分， 即气相流量和液相流量， 因此需要知道两相流体总的质量流 量以及气液两相的质量分率。 通过前面的分析知道，两相流泄漏非常复杂，受多种因素的影响，现在还没有比较成熟综合 考虑流型、小孔方位以及小孔两侧差压的计算模型。在事故分析中，可以采用简化的计算方 法，即不考虑流型等因素的影响，将泄漏出的气液两相流看作是气液相混合均匀的一相，可 以采用与单相液体近似的公式进行计算。 在过热液体发生泄漏时，有时会出现气、液两相流动。均匀两相流动的泄漏速度可按下 式计算 cd PPACQ−ρ2 0 式中Cd- 两相流混合物泄漏系数，可取 0.8 A 裂口面积，m2 P- 两相混合物的压力； Pc 临界压力； ρ两相混合物平均密度，由下式计算 l V g V ρρρ F1F1− ＝ 式中， g ρ为液体蒸发的蒸汽密度，kg/m3； l ρ为液体密度, kg/m3 FV为蒸发的液体占液体总量的比例，当容器内是过热液体，即液体的沸点低于周围环 境温度，液体流过裂口时由于压力减小而突然蒸发。蒸发所需热量主要取自于液体本身，而 容器内剩下的液体温度将降至常温沸点。在这 种情况下， 泄漏时直接蒸发的液体所在百分比 FV可按下式计算 H TTC CP V − F 式中，Cp液体的定压比热，J/kg.K； T泄露前液体的温度，K； TC临界压力下的沸点，K； H液体的气化热，J/kg。 当1F V 表明液体全部蒸发为气体，按气体泄漏公式计算，如果0 V F，按液体泄漏 公式计算。 PDF 文件使用 “pdfFactory“ 试用版本创建 46 第四节第四节 气体扩散模型气体扩散模型 在化工、石油、染料以及其它行业中有许多有害物质,包括易燃易爆和毒性气体及液体 如液化石油气、 氨、 氯及硫化氢等， 如果在生产或运输过程中由于操作失误或其它原因, 致 使这些危险性物质泄漏出来, 就会对居民和环境造成极大的危害。由于可 燃或毒性物质泄漏 造成惨重损失的报道在国内外屡见不鲜。 为了预防此类事故的发生并为事故发生后提供积极 补救措施,对危险性气体的扩散作深入的研究是很有必要。 国内关于危险性气体在大气中扩散的研究报导较少。国外在这方面的研究工作始于七、 八十年代,直到现在该领域的研究还比较活跃。在此期间,提出了不少扩散的计算模型,在此 主要对气体扩散的几种常见模型作以简单介绍。 液体、气体泄漏后在泄漏源附近扩散，在泄漏源上方形成气团，气团将在大气中进一步 扩散、影响广大区域。因此，气团在大气中的扩散成为重大事故后果分析的重要内容。 气团在大气中的扩散与气团自身性质有关。 当气团密度小于空气密度时， 气团将向上扩 散而不会影响下面的居民；当气团大于空气密度时，气团将沿地面扩散，危害很大；除了气 团本身的性质以外，气团的扩散还受到大气稳定度,风速，风向，地面粗糙度等因素的影响； 呈现十分复杂的关系。 当扩散气体的密度与空气相当时， 大气湍流扩散和风速等起支配作用，可以采 用中等密 度云模型，即高斯模型进行计算。该模型适用于点源的扩散,早在五、六十年代就已被应用。 它是从统计方法入手,考察扩散质的浓度分布。Plume model烟羽模型适用于连续源的扩 散,puff model 烟团模型 适用于短时间泄漏的扩散即泄放时间相对于扩散时间比较短的 情形, 如突发性泄放等。 一、扩散基本方程 在均匀流场中，根据菲克定律和质量守恒，可以建立有害气体扩散基本方程 Kc z c u c u x c u z c E y c E x c E t c zxzttxt − ∂ ∂ − ∂ ∂ − ∂ ∂ − ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ y y 2 2 , 2 2 y, 2 2 , 式中 c