化工過(guò)程災(zāi)害模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

化工過(guò)程災(zāi)害模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

火災(zāi)、爆炸和中毒是指化工過(guò)程中的一種毀滅性事故，具有突發(fā)性、破壞力和復(fù)發(fā)的特點(diǎn)。在工業(yè)領(lǐng)域,尤其在石油化工企業(yè)的安全分析中,模擬評(píng)價(jià)技術(shù)日益受到重視,特別是對(duì)易燃易爆有毒有害危險(xiǎn)物質(zhì)火災(zāi)、爆炸、泄漏中毒事故的后果分析的研究更是熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,從20世紀(jì)80年代開始,世界很多國(guó)家便開展了基于事故后果分析的安全評(píng)價(jià)、防災(zāi)救災(zāi)和決策支持的計(jì)算機(jī)軟件研究,并加以推廣應(yīng)用。其中比較成功的例子有SAFE,SAVEⅡ,WHAZAN,EFFECTS,PHAST,RISKCURUES等。我國(guó)在20世紀(jì)90年代初期才開展重大事故后果模擬分析的研究,化工部勞動(dòng)所在“八五”期間開發(fā)了毒物泄漏危害分析的仿真軟件,勞動(dòng)部、東北大學(xué)等單位也相繼開展了這方面的研究。本文研究并開發(fā)了一個(gè)化工過(guò)程災(zāi)害模擬評(píng)價(jià)軟件,工程應(yīng)用表明,將該軟件系統(tǒng)用于化工過(guò)程災(zāi)害模擬評(píng)價(jià)是可行的。1建立數(shù)學(xué)模型化工過(guò)程災(zāi)害模擬評(píng)價(jià)模型是該項(xiàng)研究的核心和基礎(chǔ),是通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外大量事故案例的統(tǒng)計(jì)分析和歸納總結(jié)形成事故模型,在此基礎(chǔ)上建立模擬評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型。1.1事故形態(tài)與事故后果化工過(guò)程災(zāi)害性事故的主要形態(tài)是泄漏、火災(zāi)和爆炸3大類。事故模型能對(duì)事故形態(tài)、發(fā)展趨勢(shì)和可能后果進(jìn)行描述。事故形態(tài)決定了導(dǎo)致事故發(fā)生可能的原因和可能導(dǎo)致的事故后果。文獻(xiàn)論述了VCE和BLEVE事故的機(jī)理、破壞形式以及后果模擬分析。該軟件系統(tǒng)中泄漏事故的基本形態(tài)考慮了氣體泄漏、液體泄漏和氣液兩相流泄漏,火災(zāi)事故包括噴射火災(zāi)和池火災(zāi),爆炸事故主要有VCE,BLEVE,凝聚相爆炸和壓力容器爆炸4種工業(yè)爆炸事故模式。1.2國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮?jiǎn)介化工過(guò)程災(zāi)害模擬評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型是根據(jù)事故模型和事故假設(shè)建立起來(lái)的。這些模型包括:池火災(zāi)模型、噴射火災(zāi)模型、蒸氣云爆炸模型、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸模型、凝聚相爆炸模型、泄漏速度模型和重氣擴(kuò)散模型等。這些模型參考了國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,并通過(guò)大量模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)所驗(yàn)證。例如:液體通過(guò)管道上孔洞泄漏、氣體的擴(kuò)散和蒸氣云爆炸是石油化工裝置常見的事故類型,其對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型是模擬評(píng)價(jià)分析的基礎(chǔ)。1.2.1泄漏系數(shù)的確定液體通過(guò)管道上孔洞泄漏,泄漏速率可采用公式(1)進(jìn)行計(jì)算:Qm=AC0√2pgρ(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(guò)程表壓,Pa;ρ為液體質(zhì)量濃度,kg/m3;泄漏系數(shù)C0是從孔洞中泄漏的流體的雷諾數(shù)和孔洞直徑的復(fù)雜函數(shù)。雷諾數(shù)采用公式(2)進(jìn)行計(jì)算:Re=DUρ/μ(2)Re=DUρ/μ(2)式中,Re為過(guò)程單元中流動(dòng)液體的雷諾數(shù);D為管道的內(nèi)徑,m;U為過(guò)程單元中液體的流速,m/s;μ為泄漏液體的粘度,Pa·s。1.2.2[2y土壤質(zhì)量濃度計(jì)算在泄漏發(fā)生的初始一段時(shí)間內(nèi),其質(zhì)量濃度分布是不穩(wěn)定的,是空間和時(shí)間的函數(shù),此時(shí)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(3)C′=Qm′(2π)3/2σxσyσzexp[-(x-ut)22σ2x]exp(-y22σ2y){exp[-(z-Ηr)22σ2z]+exp[-(z+Ηr)22σ2z]}(4)式中,C為泄漏物質(zhì)在地面的質(zhì)量濃度,kg/m3;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(shí)間,s;Hr為有效源高,m;x、y、z為預(yù)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo),m;σx,σy,σz分別是x,y,z方向上的擴(kuò)散系數(shù),m。在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后,質(zhì)量濃度分布已處于穩(wěn)定分布狀態(tài),即質(zhì)量濃度只是空間的函數(shù),與時(shí)間沒(méi)有關(guān)系。此時(shí),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)=Qm2πσyσzuexp[-y22σ2y]?{exp[-(z-Ηr)22σ2z]+exp[-(z+Ηr)22σ2z]}(5)式中,Qm為源的泄放速率,m3/s,σy、σz符號(hào)意義同公式(4),在高斯煙羽模型中,σy、σz是由排放源到計(jì)算點(diǎn)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)。1.2.3具有最大危險(xiǎn)性的部位c當(dāng)泄漏的氣體與空氣混合形成可燃性預(yù)混系,遇延遲點(diǎn)火,就會(huì)發(fā)生蒸氣云爆炸。模擬評(píng)價(jià)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(cái)產(chǎn)損失半徑是指爆炸波作用下磚石房屋Cb級(jí)破壞半徑。為預(yù)測(cè)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(gè)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(WΤΝΤ/1000)0.37(6)式中,WTNT為爆炸源的TNT當(dāng)量,kg,按(7)式計(jì)算:WΤΝΤ=E/QΤΝΤ(7)式中,E為爆炸源總能量,J;QTNT為TNT爆炸放熱,為4520J/g。(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,表示該區(qū)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=0.137Ζ-3+0.119Ζ-2+0.269Ζ-1-0.019(8)Ζ=R2/(E/p0)1/3(9)式中,Z為爆炸比例長(zhǎng)度,無(wú)量綱距離;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(wú)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(6)～(9)式計(jì)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(wú)防護(hù),絕大多數(shù)人員也不會(huì)受傷害,死亡的概率幾乎為零。該區(qū)內(nèi)徑為R3,外徑為無(wú)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(cái)產(chǎn)損失區(qū)域的外徑記為R4,參照英國(guó)的分類標(biāo)準(zhǔn),財(cái)產(chǎn)損失半徑可由(10)式計(jì)算:Ri=ΚiWΤΝΤ1/3/[1+(3175/WΤΝΤ)2]1/6(10)式中,Ri為i區(qū)半徑,m;Ki為i級(jí)破壞系數(shù);WTNT為爆炸源的TNT當(dāng)量,kg。1.3險(xiǎn)物質(zhì)物性參數(shù)模擬事故模擬是在事故模型分析的基礎(chǔ)上選擇數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)的情況(包括氣象條件、裝置設(shè)備的尺寸大小、儲(chǔ)存條件等)和有關(guān)危險(xiǎn)物質(zhì)的物性參數(shù),利用計(jì)算機(jī)模擬并輸出模擬結(jié)果的過(guò)程。事故狀態(tài)下危險(xiǎn)介質(zhì)的狀態(tài)(泄漏擴(kuò)散速率、濃度隨時(shí)間在空間的分布、液池液體蒸發(fā)速率、擴(kuò)散影響區(qū)域等)、各種傷害半徑(輕傷半徑、重傷半徑、死亡半徑和財(cái)產(chǎn)損失半徑)、人員傷亡(輕傷、重傷、死亡人數(shù))、財(cái)產(chǎn)損失(直接財(cái)產(chǎn)損失、間接財(cái)產(chǎn)損失、總財(cái)產(chǎn)損失)、熱輻射通量空間分布、爆炸超壓空間分布等目標(biāo)值構(gòu)成了災(zāi)害模擬評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。2整個(gè)軟件的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)2.1客戶機(jī)/服務(wù)器模式考慮到軟件系統(tǒng)的實(shí)際使用情況,本系統(tǒng)的構(gòu)架模式采用客戶機(jī)/服務(wù)器兩層模式(C/S模式,見圖1),即化工過(guò)程災(zāi)害模擬評(píng)價(jià)功能由客戶端的前臺(tái)程序完成,而數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)、查詢等維護(hù)功能由數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)器來(lái)完成。2.2化工過(guò)程模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)根據(jù)軟件系統(tǒng)功能的要求,并結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際研究開發(fā)了化工過(guò)程模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng),并采用C/S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),系統(tǒng)由人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)和在線幫助系統(tǒng)組成。(1)菜單驅(qū)動(dòng)模式人機(jī)交互界面是用戶與系統(tǒng)的人機(jī)接口。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了目前比較流行的Windows界面風(fēng)格,使用菜單驅(qū)動(dòng)模式,包括固定式菜單、下拉式菜單、彈出式菜單等。所有用戶人機(jī)界面均采用標(biāo)準(zhǔn)Windows圖形窗口界面、菜單和按鈕,所有操作可通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)來(lái)完成,且每一步操作均有動(dòng)態(tài)用戶提示,用戶使用操作方便、快速。(2)數(shù)據(jù)庫(kù)的容易移植性數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是災(zāi)害性事故模擬評(píng)價(jià)的依據(jù)和基礎(chǔ),該系統(tǒng)的后臺(tái)物性數(shù)據(jù)庫(kù)采用大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)SQLServer構(gòu)建,保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)部分的數(shù)據(jù)量和安全性不斷發(fā)展的需要,以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理維護(hù)的方便性和數(shù)據(jù)庫(kù)易于移植性的需要,使系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)能輕易的和其它數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(如Oracle、Sybase、VisualFoxPro、Access)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享,并利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)計(jì)算非標(biāo)準(zhǔn)狀況下危險(xiǎn)介質(zhì)的物性參數(shù),供模擬評(píng)價(jià)模塊調(diào)用。危險(xiǎn)品物性數(shù)據(jù)庫(kù)用于存放災(zāi)害模擬評(píng)價(jià)所需的物性參數(shù),主要包括危險(xiǎn)介質(zhì)的密度、閃點(diǎn)、爆炸極限、蒸氣壓、沸點(diǎn)、燃燒熱等。(3)數(shù)值模擬評(píng)價(jià)模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)的核心部分。該系統(tǒng)能夠?qū)み^(guò)程災(zāi)害性事故進(jìn)行模擬計(jì)算,并對(duì)災(zāi)害性事故后果嚴(yán)重度進(jìn)行分析,給出模擬評(píng)價(jià)結(jié)果。主要功能如下:(1)危險(xiǎn)介質(zhì)泄漏擴(kuò)散、火災(zāi)、爆炸災(zāi)害過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬;(2)根據(jù)災(zāi)害類型和危險(xiǎn)介質(zhì)的特性分析模擬計(jì)算結(jié)果,劃定災(zāi)害事故影響區(qū)域;(3)根據(jù)災(zāi)害模擬評(píng)價(jià)模型精確計(jì)算各種參數(shù),如危險(xiǎn)介質(zhì)泄漏擴(kuò)散后隨時(shí)間在空間的濃度分布、熱輻射通量及爆炸沖擊波在空間的分布等;(4)模擬評(píng)價(jià)結(jié)果給事故應(yīng)急救援和救災(zāi)決策提供依據(jù)。(4)使用方法以及使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題的解決方法在線幫助系統(tǒng)主要包括用戶管理、軟件使用方法以及使用過(guò)程中可能遇到問(wèn)題的解決方法。為方便用戶使用,在線幫助系統(tǒng)還包括用戶使用手冊(cè)和軟件技術(shù)手冊(cè)。3系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的編程環(huán)境是C++Builder5.0,硬件配置是PC586以上機(jī)型,32M以上內(nèi)存,320M以上硬盤。在系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中,采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法,使用鼠標(biāo)及菜單驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用SQLServer2000進(jìn)行開發(fā)。數(shù)據(jù)庫(kù)與軟件功能模塊采用ADO或ODBC數(shù)據(jù)源進(jìn)行連接。在軟件的功能模塊設(shè)計(jì)中,考慮到程序的可移植性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性,采用可視化組件設(shè)計(jì)方法,各功能模塊既有獨(dú)立性,又相互聯(lián)系。模擬評(píng)價(jià)主窗口包括參數(shù)輸入?yún)^(qū)(包括評(píng)價(jià)模型的選擇、裝置設(shè)備的特性參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等)、模擬評(píng)價(jià)功能區(qū)(包括模型演示、模擬評(píng)價(jià)、打印輸出以及在線幫助)及評(píng)價(jià)結(jié)果輸出區(qū)(主要有文本形式、圖形格式和報(bào)表格式3種輸出方式)。4泄漏擴(kuò)散、池火災(zāi)和體積分?jǐn)?shù)針對(duì)某化工公司建設(shè)工程項(xiàng)目應(yīng)用該軟件系統(tǒng)進(jìn)行了模擬評(píng)價(jià)分析,確定了管道輸送單元、反應(yīng)單元和罐區(qū)儲(chǔ)存單元3個(gè)單元進(jìn)行評(píng)價(jià)。3個(gè)單元均涉及到丙烯腈,丙烯腈是易燃易爆有毒有害且易揮發(fā)的液體,泄漏后形成液池,在點(diǎn)火源作用下發(fā)生池火災(zāi);揮發(fā)的丙烯腈蒸氣在空氣中極易與空氣混合形成蒸氣云,遇引燃源發(fā)生蒸氣云爆炸。選擇了管道孔洞和儲(chǔ)罐孔洞兩種泄漏形式,管道孔洞和儲(chǔ)罐孔洞的泄漏當(dāng)量直徑分別為0.02m和0.05m,儲(chǔ)罐孔洞離液面15m,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。丙烯腈儲(chǔ)罐泄漏后丙烯腈蒸氣在環(huán)境中的體積分?jǐn)?shù)分布如圖2所示(陰影區(qū)域表示體積分?jǐn)?shù)高于空氣中允許最大體積分?jǐn)?shù))。從圖2中可以看出:丙烯腈泄漏后揮發(fā)的蒸氣可以到達(dá)下風(fēng)向8000m和橫風(fēng)向500m。丙稀腈儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏后下風(fēng)向50m處體積分?jǐn)?shù)變化如圖3所示(圖中a表示預(yù)測(cè)點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù),LOC線表示空氣中允許最大體積分?jǐn)?shù),b表示如果預(yù)測(cè)點(diǎn)處存在封閉的建筑物時(shí)其房間內(nèi)部的體積分?jǐn)?shù))。從圖3中可以看出:丙烯腈泄漏后下風(fēng)向50m處在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)體積分?jǐn)?shù)處于8.0×10-4附近,遠(yuǎn)大于其在空氣中允許最大體積分?jǐn)?shù)。5網(wǎng)絡(luò)模擬評(píng)價(jià)軟件b/s模式化工過(guò)程災(zāi)害模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)能夠模擬分析災(zāi)害事故后果嚴(yán)重度,給化工企業(yè)防救災(zāi)、安全設(shè)計(jì)和企業(yè)勞動(dòng)安全衛(wèi)生預(yù)評(píng)價(jià)提供重要參考。但系統(tǒng)還存在著模型復(fù)雜性和參數(shù)不確定性等問(wèn)題。系統(tǒng)的進(jìn)一步完善可考慮采用各種合理的方法確定參數(shù),如用統(tǒng)計(jì)分析方法、構(gòu)造模糊集進(jìn)行確定等。此外