大會報告1：包士毅老師--油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算.pdf

1、浙江工常大學大TYOFTECHNOLOG油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算包士教博士浙江工業大學化工機械設計研究所2020年9月1日寧波2020石油化工數字化罐區高峰論壇-#page#浙江工常大學目錄充研究背景基于多米諾效應的罐區定量風險評估方法事故鏈傳播機理多米諾效應定量風險分析多米諾效應發生頻率計算多米諾事故后果分析基于Petri網的多米諾計算方法罐區噴射火災熱輻射模型及多米諾風險分析結論與展望油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#浙江工常大學研究背景（）RSITY OF TECHNOLOGH口L火災事故 燃爆事故中毒室息事故8070（）60事故起數時設備類

2、型圖1-22000-2018年化工設備事故不同設備引發事故數量統計圖1-1化工園區錯綜復雜的布置示例圖圖1-3響水3-21事故（78人死亡）鏈式傳播事故圖1-4多米諾事故動畫示例油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#page#浙江工常大學兆事故鏈傳播機理（）2.1口多米諾效應本質上是由三大因素引起火災熱輻射爆炸超壓（沖擊波）爆炸拋射碎片從能夠觸發多米諾效應發生的事故類型：火災、爆炸火災：池火（Poolfire）、噴射火（Jetfire）、火球（Fireball）、閃火（Flashfire）爆炸：沸騰液體擴展蒸氣爆炸（BLEVE）、蒸氣云爆炸（VCE）、機械爆炸、粉塵

3、爆炸等油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#浙江工常大學水2.1事故鏈傳播機理（）YOF TECHNOLOGH口L拋射碎片引發事故的邊界條件三級級事故三級下津擊波單元爆炸和火災單元二級單元溪半數熱輻射強里電青氣泄漏初始拋射碎片拋射碎片單元熱輻射熱輻射拋射碎片初始事初始二級二級事故沖擊波故爆炸單元爆炸和火災單元和火災熱輻射引發事故的引發事故的邊界條件邊界條件毒氣泄漏毒氣漏圖2-1多米諾事故擴展機理圖模型假設事故擴展因子：熱輻射、沖擊波超壓、碎片沖擊只有是上級事故場景下可能引發失效的設備都認為是下一級事故設備事故僅從上一級任意傳到下一級，且同一級事故設備間可以任意傳達若

4、兩個設備與上一事故設備距離相等接受相同的事故擴展因子，則認為該失效場景下兩設備同時失效，無先后順序油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-16#page#2.2多米諾效應定量風險分析年點辯識初始事件（單元）從確定初始事故出發，針對選擇初始事件（單元）計算事故后果熱輻射，沖擊波超壓，拋射確定多米諾效應影響范圍碎片等不同物理效應計算鄰游識下級事件（單元）選擇下級事件（單元）近自標設備損壞幾率計算范圍內設備計算范圍內設備的損害幾率的事故后果確定多米諾效應事故發生概確定最可信的失效單元率以及后果計算該單元的風險計算是是否還有下級單元？最終得出較為直觀的個人風香是險圖和F-N（Frequen

5、cy-是否還有初始事件Fatality）社會風險曲線計算多米諾疊加風險圖2-2多米諾效應事故風險分析流程圖油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#2.3多米諾效應發生頻率計算年左全多米諾效應需要關注于目標設備的損害幾率，即多米諾鏈式增殖概率目標設備損害后產生的二次事故后果影響范圍則可用傳統的后果分析方法分析目標設備的損害幾率P和設備本身的參數、位置，初始事件產生的物理效應強度以及作用時間等諸多因素有關對于P的計算，有3種不同方法：口基于間值判斷法基于經驗數據法基于概率單位法（Probit模型）8油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#浙江工常

6、大學基于概率單位法（）光口通過設備損害概率單位模型可計算出由沖擊波沖壓、熱輻射等對目標設備的損害概率變量Y，再通過式（2-1）轉換為設備的損害幾率Pd（2-1）P式中：P為目標設備的損害幾率；Y為概率變量；x為積分變量初始事件觸發的多米諾效應發生頻率fan=fXIF（2-2）i，ma1=1f，為發生共n級多米諾效應事故的頻率；為初始事件的發生頻率，可由歷史統計資料或者事件樹分析得到.為發生第級多米諾效應事故時目標設備的最大損害幾率9油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#page#浙江工常大學多米諾效應模型TY OF TECHNOLOG口沸騰液體擴展蒸氣爆炸（BLEV

7、E）蒸氣云爆炸（VCE）池火（Poolfire）沸騰液體擴展蒸氣爆炸（BLEVE）所產生的拋射碎片11油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#浙江工常大學假定BLEVE根據模型計算超壓與距離關系，破片數目射程等長型立式容器小容器（有毒）招康車子臨界值17kPa臨界值（有毒）16臨界值22kPa臨界值37kPa醫界值31kPa確定影響范圍確定影響范圍確定影響范圍KPa確定影響范圍確定影響范圍計算影響前圍內目標容鞋被超壓與致的多米諾概率-17.79.b-3.16b-2.18a+binPs）返回計算所有影響范圍內的設備選取最大值Yrd再以此容器為源容器確定影響范圍內的下一容

8、器的失效形式圖2-4VCE事故多米諾效應計算流程圖圖2-3BLEVE事故多米諾效應計算流程圖12油品罐區的火災爆炸多來諾效應分析和計算2020-9-1#page#浙江工常大學農據模型計算減池面積。時間、熱據射強度壓力容器正方容器格界than 1omin（）=-0.97m（1）+8835m（y）-l（r）=-1.128m（）-2667x101+9.877l（af）=-1.128lm（）2667x10p+9.877結束了-12.54-1.847m（）y=12.54-1.847lm（r）款國內的容裝影響范圖內的容器圖2-6池火災事故多米諾效應計算流程圖圖2-5噴射火事故多米諾效應計算流程圖13油品罐

9、區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#浙江工常大學2.4多米諾事故后果分析HEJANGU多米諾事故后果分析：人員傷亡，經濟損失和環境污染等人員傷亡角度來量化事故后果，即考慮事故產生的各種物理效應的不同劑量和暴露時間對附近人員的致死率之間的反應一劑量曲線概率變量Y與致死概率V的關系V三個人風險是指在某一特定位置的未采取任何防護措施的人員遭受危害的頻率XV社會風險用于表征事故發生概率與事故造成的人員傷亡人數的相互關系，指同時影響許多人的災難性事故的風險社會風險標準確定的方法：有F-N曲線、ALARP原則和FAR（FatalAccidentRate）值等14油品罐區的火災爆炸多

10、米諾效應分析和計算2020-9-1#page#基于Petri網的多米諾計算方法2.5TY OFTECHNOLOGPetri網起源CarlAdamPetri，1962；與Markov過程同構用簡單圖形較好的表示并發、同步、因果等關系以網圖的方式簡潔、直觀的模擬離散事件系統High-levelPNs（HPNs）or基于Petri網的模型Colour Petri nets (CPN）Stochastic Petri nets (SPN）： Markov SPN、 Non-Markov SPNSPN的特點既有嚴格的形式定義，又有直觀的圖形表示既有豐富的系統描述手段和系統行為分析技術，又有計算機科學提供

11、堅實的概念基礎和嚴格的數學對象15油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-11#page#浙江工常大學開始構建SPN模型（隨機過程）獲得SPN模型對應的可達圖（隨機過程）態分析瞬態分析穩態分析獲得描述可達圖信息的相關矩陣獲得描述可達圖信息的相關Q.0.00.0”1.矩陣（Q.0.A）獲得描述可達圖信息的狀態轉獲得描述可達圖信息的狀態轉設置明態概率向量初值（0）和移矩陣Q移矩陣Q0）送代步長h以選代過程計算矩陣（2.）計算（+1h時刻年齡密度函數P”（.x）求解xQ=0.求解（）=（0）e（0）反T+士計算（i+1hh時刻更新后年齡密度函數P.（.x）獲得可達圖對應各個狀態的瞬態概獲

12、得可達圖對應各個狀態的穩態概計算嵌入CTMC的穩態解向量w率向量T率向量R.(.x）-P（x求出可達圖對應各個狀態的穩態概獲得各個時間段的失效概率獲得穩態的失效概率P(x）=P（獲得各個時間段的失效概獲得穩態的失效概率獲得穩態和瞬態的多米諾指標態的多米諾指標結束結束圖2-7MarkovSPN模型求解流程圖圖2-8Non-MarkovSPN模型求解流程圖16油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#三大學2.5基于Petri網的多米諾評估計算方法HNOLOG1.收集必要信息2.確定可能失效的設備5.1根據初始事故設備3.計算各個設備形成事故對周邊設備的擴展因場景時對周邊設

13、備的擴展子強度，初步確定各因子強度級事故單元5.2從初始設備開始，4.選擇初始事故設備，定按照P-T-P-T的順序連義初始事故場景接各符號，只對下一級設備有影響，對上一級設備無影響6.1寫出初始標識和關5.建立事故傳播的Petri網聯矩陣5.3定義變遷規則模型6.2確定最終事故場景，寫出終止標識6.3通過狀態方程求解6.多米諾事故序列計算變遷序列，即事故鏈7油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#三、噴射火熱輻射模型及計算流程火災環境下化工設備失效口案例分析表3-2熱輻射通量對設備的傷害準則熱輻射通量g（kw/m2）設備破壞37.5嚴重破壞25.0鋼材結構發生形變塑料

14、材料熔化12.530min玻璃破裂4.06無明顯影響18油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#浙江工常大學3.1噴射火熱輻射模型EYOF TECHNOLOG表3-1現有噴射火熱輻射模型比較模型加權多點熱源平頭錐體模型線熱源模型單點熱源模型多點熱源模型模型名稱簡圖C0目標點目標點目標點0目標點計算結果比點對于近場和遠計算簡單、遠場計算簡單、計算源模型更精確，計算簡單、計算優點場都有較高的比平頭錐體模精度較高精度有所提高精度有所提高計算精度型更簡單。點源數目不定、角系數計算需實際火焰燃燒過于簡化、點源過于簡化、點源加權系數計算進行面積分，計能量分布不均缺點位置不定、近場

15、數目不定、近場過程沒有形成算過程過于復勻精度過低精度過低雜理論計算公式19油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#分段火焰熱輻射線熱源模工生abEww/m）TU150-100%100%計算泄漏氣Zonel0.3L）體狀態參數180070%02-1600100Zonel（0.3L）計算火焰幾140-40%40%何參數12000ZoneI(0.4L）1000-0%60計算熱輻射Lif-off distance(b）通量場800a）噴射火的紅外圖像1b）簡化分區示意圖圖3-1射流火焰分區域示意圖I1Loeb PDClarkeWAThe determinants oftruc

16、kaccidents Transportaton Research PartE,2007,434）:442-45220油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#浙江工常大學農1HS號0.310.30.31infnitesimalinfinitesimalinfinitesimalvdlumevolumevolume0.3L0.30.31Target（r.h）Target（.h）Target(rh）0.4Lb）橢球-圓柱-球模型圓錐-圓柱-圓錐模型c）榆球-圓柱-圓錐模型2）圖3-2噴射火距目標點的輻射換熱示意圖E=oT（1-exp(-36rk）火焰表面發射功率E=2元r

17、E火焰中心線上某一點的發射功率E=E。（r/1）E。=X2火焰中心線上某一點的發射功率的最大值皖E輻射熱流dh4元R21油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#常大學OF TECHNOLOGd-30mm，m=340g/sd-30mm，m=310g/s12d30mm，m=300g/s7.0d-30mmm=250g/s0Id43.1mm，m-470g/s（w/md-43.1mm.=500g/996.05.510121450607080304090meshscale(*10000）m（kw/m）圖3-3線熱源模型的輻射熱流預測結果圖3-4網格數量對計算結果的影響驗證與實驗數

18、據！的比較101）Palacios，A，Casal，J.Assessment oftheExperimentaldataShape of Vertical Jet Fires J，Fuel，2011，Simulation date90（2）:824-833建立的物理模型為空間直徑為5m，高15m的圓柱體，假定泄露孔口位子圓柱體下底面的中心。介質：丙烷Radialdistancefromtheflameaxis(m）圖3-5網格劃分示意圖圖3-6數值模擬結果與實驗結果對比圖22油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#浙江工常大學充contour-1incident Ra

19、diation8.76e+038.39e+038.03e+037.64e+037.26e+036.89e+036.51e+036.14c+03圖3-8分段線熱源模型熱輻射等值線圖圖3-9單點模型熱輻射等值線圖5.76e+035.39e+035.01e+034.65e+034.26e+033.89e+03wm3.51e+033.15c+032.76e+032.35e+032.01e+031.86e+031.35e+03w/m2圖3-7數值模擬輻射分布云圖圖3-10常規線熱源模型熱輻射等值線圖圖3-11多點模型熱輻射等值線圖23油品罐區的火災爆炸多來諾效應分析和計算2020-9-1#page#浙江

20、工常大學光OFTECHNOLOGXFluent numerical simulation value10Regularmultipointsourcemodel calculationXRegular single point sourcemodel calculatioFlat cone model calculation6個計算結果變化規律相-Regular line heat source modelcalculation8Segmented line heat source model calculation同，隨著與火炬距離的增加，熱輻射強度先變大后Gub變小對比發現，分段火焰熱輻射

21、線熱源模型的計算結果與Fluent模擬結果較為一致12024681014Distance from the flame(m）圖3-12計算結果比較口與點源模型相比，分段火焰熱輻射線熱源模型能更好的預測熱輻射與平頭錐體模型相比，分段火焰熱輻射線熱源模型計算更為簡便口分段火焰熱輻射線熱源模型需要在合理的火焰形狀假設下，可以較好地預測輻射熱流24油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#浙江工常大學充氣體泄漏事故臨界流量YOF TECHNOLOG泄漏孔處的氣體狀態亞臨界流量基于理想或Abel-Noblc氣罐容積V，孔面積A，氣壓P和溫度體方程的泄漏過程模型泄漏孔的氣體狀態參數

22、P，T,u2,p2：mzNo臨界（粘連）流Yes虛擬噴嘴模型Mach盤的氣體狀態參數P,T,ueps, mg火焰幾何形狀火焰長度分段線熱源熱輻射模型輻射熱通量場圖3-13分段線熱源模型計算流程圖25油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算9/1/2020#page#浙江工常大學光3.2案例分析TY OF TECHNOLOG某氣田處理站脫水脫涇單元重大突發性事件情景假設初始噴射火災事故不會受泄漏量變大的影響而變成池火，只考慮火災場景下的多米諾效應事故概率圖3-1脫水脫涇單元平面布置簡圖26油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#浙江工常大學充熱輻射計算Fr。L=K,(pu

23、）+K.8口火焰長度p+79107.07-2336.04拾升高度d6XOr1b+0.4（b+0.4L）4bL16L4L（c-h）+f4元熱輻射315（2L+5b）(b+L-h）1c6+0.7110b+Ldhdh+Jb+0.4L0.09LJ6+0.7（e-h）+f7（e-h）+f12212.57.66.55.24.5141.27.42212.5228.12.62.3儲罐間的熱輻射通量矩陣Q2212.56.25.82.62.3225.24.6126.1從矩陣中可以看出，6-9號儲罐所受熱輻射6.12=12.41212均小于15kW/m，小于閣值，所以本案例31.55.24.15.64.3只考慮15

24、號設備的多米諾擴展事故2827油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#浙江工常大學26基于SCPN的概率計算SITYOF TECHNOLOGnewrp）TOP_ThreshaldT_DemageP_FireT_HRT1CFICnew（x）P_TanksT_level2TimeNET4.4圖3-2案例火災多米諾事故的SCPN模型表3-1庫所與變遷的含義表3-2多米諾效應發生概率名稱含義P_Init初始火災事故多米諾事故概率事故擴展序列11P_Tanks其他儲罐狀態123.80e-05P_HR儲罐接收熱輻射6.55e-04123儲罐接收熱輻射達到門檻值P_Threshol

25、d1256.55e-04P_fire儲罐損壞發生火災事故2.76e-03123-41-2-3-52.76e-03燃盡T_burnout2.76e-031254熱輻射傳播T_HR12532.76e-03T_Delay熱量積累8.51e-031234-5T_Demage125-4-38.51e-03儲罐損壞28油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#浙江工常大學四、結論與展望口結論建立了基于Petri網的罐區火災爆炸多米諾效應事故分析方法，為罐區的布局與應急救援提供參考提出了分段線熱源熱輻射模型，與實驗數據和CFD模擬結果比較，結果表明分段線熱源熱輻射模型準確性更高展望對于分段線熱源火災熱輻射模型，假設中沒有考慮火焰的寬度，這對計算結果會產生一定的影響熱載荷分布模型的建立依靠的實驗數量較少，需要更多的實驗數據來驗證支撐基于隨機著色Petri網（SCPN）的多米諾效應事故概率計算方法依然存在解空間爆炸的問題，尚未考慮考慮風速和風向等外界因素、外部救援策略等對事故發展傳播的影響292020-9-1油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算#page#浙江工常大學光請各位領導與專家批評指正！30油品罐區的火災爆炸多米諾效應分析和計算2020-9-1#page#