蒸汽云爆炸、池火灾计算方法
爆炸云模型简单算法概要
范登伯格兰诺伊蒸气云模型：TNT当量法关键模型：
W
TNT =aWQ/Q
TNT
(2-1)
W
TNT
，kg；a为LPG蒸气云当量系数（统计平均值为0.04，占统计的60%）；W为蒸气云
中LPG质量，kg；Q为LPG的燃烧热，J/kg; Q
TNT
为TNT的爆炸热,J/kg；z为R处的爆炸特征
长度；P
i
为R处的爆炸超压峰值。
LPG：装有液化气
物质当量：W P=aWQ/Q P 根据经验Ｗｐ＝W
TNT
／１０００
死亡半径指人在冲击波作用下头部撞击致死半径，由下式确定：
R 1=1.98W
P
0.447
(2-14)
W
P
为LPG蒸气云的丙烷当量(kg)
重伤半径指人在冲击波作用下耳鼓膜50%破裂半径，由下式确定：
R 2=9.187W
P
1/3
（2-15）
轻伤半径指人在冲击波作用下耳鼓膜1%破裂半径，由下式确定：
R 3=17.87W
P
1/3
（2-16）
财产损失半径指在冲击波作用下建筑物三级破坏半径，由下式确定：
R 4=K
III
W
TNT
1/3
/(1+(3175/W
TNT
)
2
)
1/6
(2-17)
K
III
建筑物三级破坏系数；
若知道LPG罐区的人员密度和财产密度，即可评价确定人员的伤亡数量和财产损失大小。
范登伯格兰诺伊蒸气云模型举例：
例如：氢的燃烧热为：Ｑ＝１２０．０２×１０６Ｊ／ｋｇ，。
汽油蒸气云爆炸计算表
4、出现爆炸、火灾事故造成人员伤亡的范围本评价项目采用事故模拟法进行分析计算，鉴于油罐采取了地下直埋措施，密闭自流卸油，油品管道采用无缝钢管焊接地下直埋敷设，加油枪具有自封功能，可有效避免泄漏事故的发生。
根据事故案例，在油罐空置时，由于处理不当，聚积于罐内汽油蒸气与空气混合形成爆炸混合气体，由于处理不当遇到延迟点火发生蒸气云爆炸事故，造成冲击波，其损害半径、设备损坏、人员伤害情况计算如下：。
以油罐为爆源，当汽油发生蒸气云爆炸事故时，根据荷兰应用科研院（TNO）（1979）建议，可按下式预测蒸汽云爆炸的冲击波的损害半径：R=C S（NE）1/3式中 R（损害半径）m；E （爆炸能量）KJ，可按下式计算：E= V·HcV 参与反应的可燃气体的体积，m3H C（可燃气体的高燃烧热值）kJ/m3查表: Hc（汽油）＝1365.5 (kJ/mol)＝60959.8kJ/m3。
N（效率因子），其值与燃烧浓度持续展开所造成损耗的比例和燃烧所得机械能的数量有关，一般取N=10%C S（经验常数）取值：0.03～0.4mJ-1/3。
R＝C S（NE）1/3= Cs（10%×30×60659.9×103）1/3 = C S×263.03 把经验常数代入上式，得出破坏半径、设备损坏、人员伤害情况见下表：表5-1 30m3汽油蒸气云爆炸模拟计算结果一览表液氨蒸气云爆炸后果模拟分析说明通过以上模拟计算表明，如30m3汽油蒸气与空气混合形成爆炸混合气体，发生蒸气云爆炸事故，造成冲击波，其损害半径、设备损坏、人员伤害情况的后果叙述如下：（1）造成半径为9.36 米范围内的建筑物和设备受到重创；1％的人员死亡于肺部伤害、50%以上的人员耳膜破裂、50%以上的人员被碎片击伤。
损害等级为一级。
（2）造成半径为18.71 米范围内的建筑物和设备受到外表可修复性的破坏；1％的人员耳膜破裂、1%的人员被碎片击中。
蒸汽云爆炸事故后果模拟分析法
蒸汽云爆炸事故后果模拟分析法Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT蒸汽云爆炸事故后果模拟分析法超压：1）TNT当量通常，以TNT当量法来预测蒸气云爆炸的威力。
如某次事故造成的破坏状况与kgTNT炸药爆炸所造成的破坏相当，则称此次爆炸的威力为kgTNT当量。
蒸气云爆炸的TNT当量W TNT计算式如下：W TNT=×α×W f×Q f/Q TNT式中，W TNT—蒸气云的TNT当量(kg)α—蒸气云的TNT当量系数，正己烷取α=；W f—蒸气云爆炸中烧掉的总质量(kg)Q f—物质的燃烧热值(kJ/kg)，正己烷的燃烧热值按×106J/kg，参与爆炸的正己烷按最大使用量792kg计算，则爆炸能量为×109J将爆炸能量换算成TNT当量q，一般取平均爆破能量为×106J/kg，因此W TNT= ×α×W f×Q f /q TNT+ =××792××106/×106=609kg2）危害半径为了估计爆炸所造成的人员伤亡情况，一种简单但较为合理的预测程序是将危险源周围划分为死亡区、重伤区、轻伤区和安全区。
死亡区内的人员如缺少防护，则被认为将无例外的蒙受重伤或死亡，其内径为0，外径为R ，表示外周围处人员因冲击波作用导致肺出血而死亡的概率为，它与爆炸量之间的关系为：= m重伤区的人员如缺少防护，则绝大多数将遭受严重伤害，极少数人可能死亡或受伤。
其内径就是死亡半径R1，外径记为R2，代表该处人员因冲击波作用耳膜破损的概率为，它要求的冲击波峰值超压为44000Pa。
∆按下式计算：冲击波超压P∆=++式中：P∆——冲击波超压，Pa；PZ——中间因子，等于；E——蒸气云爆炸能量值，J；P0——大气压，Pa，取101325得R2=轻伤区的人员如缺少防护，则绝大多数将遭受轻微伤害，少数人将受重伤或者平安无事。
池火灾事故后果计算过程
池火灾事故后果计算过程1）池火灾事故后果计算过程（1）柴油泄漏量设定一个5000m3柴油罐底部DN200进油管管道破裂出现长50cm，宽1 cm的泄漏口，泄漏后10分钟切断泄漏源。
泄漏的液体在防火堤内形成液池，泄漏时工况设定情况见表9-4。
表9-4 油品连续泄漏工况泄漏源介质温度( 0C)介质压力（Mpa）介质密度（kg/m3）泄口面积(m2)泄漏时间(min)备注柴油罐常温常压8700.00510按10分钟后切断泄漏源计柴油泄漏量用柏努利公式计算：Q = CdAρ *2(P-P0)/ ρ+2gh+1/2 W = Q.t式中: Q－泄漏速率（kg/s）；W－泄漏量（kg）；t－油品泄漏时间（s），t=600 sCd－泄漏系数，长方形裂口取值0.55（按雷诺数Re＞100计）；A－泄漏口面积（m2）；A =0.005 m2ρ－泄漏液体密度（kg/ m3）；P－容器内介质压力（Pa）；P0 －大气压力（Pa）；g－重力加速度（9.8 m /s2）；h－泄漏口上液位高度（m），柴油罐液面安全高度15.9 m。
经计算Q = 42.23 kg/s、W = 25341 kg（10分钟泄漏量）（2）泄漏柴油总热辐射通量Q（w）柴油泄漏后在防火堤内形成液池，遇点火源燃烧而形成池火。
总热辐射通量Q（w）采用点源模型计算：Q = (л r2 + 2л rh) •m f •η•Hc/（72 m f 0。
61+ 1）式中: m f—单位表面积燃烧速度kg/m2 .s，柴油为0.0137；Hc—柴油燃烧热，Hc = 43515kJ/kg；h—火焰高度h（m），按下式计算：h = 84 r{ m f /*ρO（2 g r）1/2+}0.6 ρO—环境空气密度，ρO=1.293kg/ m3；g—重力加速度，9.8 m /S2 &。
1乙烯贮罐蒸气云爆炸计算
盛装气体的压力容器爆破事故后果模拟分析物理爆炸如压力容器破裂时，气体膨胀所释放的能量（如爆破能量）不仅与气体压力和容器的容积有关，而且与介质在容器内的物性相态有关。
以气态存在的压力容器，如空气、氧气、氢气等，其伤亡半径、财产损失半径计算如下：1、盛装气体压力容器爆破事故计算模型 1.1压缩气体与水蒸气容器爆破能量当压力容器中介质为压缩气体，即以气态形式存在而发生物理爆炸时，其释放的爆破能量为：3110)]1013.0(1[1⨯--=-pk pV E kk g （1-1）式中：g E ——气体的爆破能量，KJp ——容器内气体的绝对压力，MPaV ——容器的体积，m 3k ——气体的绝热指数，即气体的定压比热与定容比热之比常用气体的绝热指数数值如表1-1，k 值可按气体的分子组成近似的确定，双原子气体k=1.4，三原子气体和四原子气体k=1.2~1.3。
常用气体的绝热指数 表1-1对于常用压力下的干饱和蒸汽容器的爆破能量可按下式计算：V C E s s =式中s E ——水蒸汽爆破能量，KJV ——水蒸汽的体积，m 3s C ——干饱和水蒸汽爆破能量系数，KJ/m 3各种常用压力下的干饱和水蒸汽容器爆破能量系数如表1-2常用压力下干饱和水蒸汽容器爆破能量系数 表1-21.2将爆破能量换算成TNT 当量q爆破能量换算成TNT 当量q 。
因为1KgTNT 爆炸所放出的爆破能量为4320~4836KJ/Kg ，一般取平均爆破能量为4500KJ/Kg ，故其关系为：4500g TNTg E q E q ==（1-2）1.3爆炸的模拟比实验数据表明，不同数量的炸药发生爆炸时，如果距离爆炸中心的距离R 之比与炸药量q 三次方根之比相等，则所产生的冲击波超压相同，用公式表示如下：α==310)(q qR R 则0p p ∆=∆ （1-3）式中 R ——目标与爆炸中心的距离，m R 0——目标与基准爆炸中心的距离，m q 0——基准爆炸能量，TNT 当量，kgq ——爆炸时产生冲击波所消耗的能量，TNT 当量，kg p ∆——目标处的超压，MPa0p ∆——基准目标处的超压，MPaα——炸药爆炸试验的模拟比根据式（1-3）爆破能量与1000KgTNT 爆炸的模拟比为：31313101.0)1000()(q q q q ===α （1-4）1.4 1000KgTNT 爆炸时死伤半径、财产损失半径的计算超压准则认为，只要冲击波超压达到一定值便会对目标造成一定的破坏或损伤。
爆炸伤害计算
1）蒸气云爆炸事故情景制氧车间氢气站设有容积20m3氢气罐一个，事故预测时按超压（10Mpa）计算氢气量。
氢气储罐大规模破裂时，气体泄漏形成气云，达到爆炸极限时遇激发能源即可发生气体爆炸，对气体爆炸，按超压－冲量准则预测蒸气云爆炸事故后果。
2）蒸气云爆炸总能量蒸气云爆炸总能量由下式计算：E=1.8 aVfQf式中：1.8－地面爆炸系数；a－可燃气体蒸气云的当量系数，取0.04；Vf－氢罐内气体体积；Vf =2000 Nm3Qf－氢气燃烧热，Qf =12770 kJ/m3。
经计算：E=1.8×0.04×2000×12770 = 1839 MJ 3）蒸气云爆炸当量蒸气云TNT当量由下式计算：WTNT = aWfQf/QTNT式中：WTNT、a、Wf、Qf计算同上；QTNT—TNT爆炸热，取QTNT=4520 kJ/kg。
WTNT =1839000/4520=407 kg4）爆炸冲击波超压伤害范围（1）死亡区范围死亡区按下式计算：R=13.6（WTNT/1000）0.37=13.6（407/1000）0.37=10m（2）重伤和轻伤区范围蒸气云爆炸冲击波超压按下式计算：Ln（△PS /P0）= -0.9126-1.5058 LnZ+0.167 Ln2Z-0.032 Ln3Z 式中： Z = R (P0/E)1/3R—目标到蒸气云中心距离，m；P0—大气压，101325Pa；E—蒸气云爆炸总能量，1839 MJ。
蒸气云爆炸冲击波重伤超压按44Kpa计，轻伤超压按17Kpa 计，根据蒸气云爆炸冲击波超压计算公式得出：重伤半径：R1=25 m；轻伤半径：R2=47 m。
氢气储罐大规模破裂泄漏，形成氢气云团发生爆炸，爆炸破坏范围计算见下氢气储罐破裂发生气体爆炸伤害范围气体爆炸能量1839MJ爆炸TNT当量407Kg死亡半径10m重伤半径25m轻伤半径47m再来看看爆炸的气体特点:丙烯 C3H6或CH3CHCH21.别名·英文名Propene、Propylene．2.用途生产丙酮、异丙基苯、异丙醇、异丙基卤化物和异丙基氧；聚合丙烯塑料。
蒸汽云爆炸模型
5.6.2爆炸伤害模型TNT当量算法计算过程丙烷储罐爆裂伤害范围计算项目液态丙烷储罐区设100m3储罐8台,如1台不慎发生爆裂,发生火灾爆炸,其气体泄漏量计算：设裂口直径20cm, 温度为303K, 压力为1.6MPa。
按液体泄漏, 不考虑液位高度。
A=0.12×3.14=3.14-2×10m2Q=C d A p[2(p-p0)/p]0.5=0.6×3.14-2×100×1600{[2×(1.6-0.1)×106/1600}0.5=1305kg/s如泄漏的液态丙烷的全部气化,由于静电(或其他点火源)发生爆炸, 其蒸汽云爆炸伤害模型中的TNT当量法进行分析W TNT= a·W f·Q f/ Q TNT式中：W TNT﹣蒸汽中的TNT当量W f﹣蒸汽中燃料的总质量，Kg；a﹣蒸汽爆炸的效率因子。
C3H8：3%Q f﹣蒸汽的燃烧热，KJ/kg Q fc4=49150 Q TNT﹣TNT的爆炸热，一般取4520 KJ/Kg⑵死亡半径公式：R0.5=13.6（W TNT/1000）0.37⑶财产损失半径公式：R=4.6·W TNT1/3/【1+(3175/W TNT)2】1/6贮罐区汽化丙烷的量以上式估算泄漏量1305kg计算。
W TNT=1.8·a·W f· Q f/Q TNT=1.8×3%×1305×49150/4520=766.28Kg注：1.8是地面爆炸系数死亡半径计算:R0.5=13.6×(W TNT/1000)0.37=13.6×(766.28/1000)0.37=12.34≈12.30(m) 财产损失半径：R=4.6·W TNT1/3/【1+(3175/W TNT)2】1/6=4.6×766.281/3/【1+(3175/766.28)2】1/6=32.12≈32.10（m）根据以上计算，则丙烷储罐区丙烷储罐如发生破裂泄漏,以泄漏口直径20cm计,发生火灾爆炸，其死亡半径为12.30米，财产损失半径为32.10米。
几种安全评价常用数学模型
蒸气云爆炸的冲击波超压模型泄漏物扩散到广阔的区域，形成弥漫相当大空间的云状可燃性气体混合物，一段延滞时间后，可燃蒸气云被点燃，由于存在某些特殊原因和条件，火焰加速传播，产生危险的爆炸冲击波超压，发生蒸气云爆炸。
蒸气云爆炸通常采用传统的TNT当量系数法计算，将事故性爆炸产生的爆炸能量同一定当量的TNT联系起来。
在TNT当量系数法中，当量的TNT质量与云团中燃料的总质量有关。
凝聚相含能材料的爆炸冲击波超压Δp可按下式计算：Δp s=()()⎪⎩⎪⎨⎧<∆<-++>∆+----101019.0269.0119.0137.051567.011233pZZZpZΔp s=pp∆Z=3/1⎪⎪⎭⎫⎝⎛pERE=1.8αWQ C式中，Z为无量纲距离；Δp为目标处的超压值，Pa；p0为环境压力，101325Pa；R为目标到爆源的水平距离，m；E为爆源总能量，J；1.8为地面爆炸系数；α为蒸气云当量系数，一般取0.04；W为含能材料的质量，kg；Q C为爆炸物的爆热，J/kg。
池火灾模型R．Merrifield和T.A Roberts给出由可燃液体引起的池火灾，热辐射是其主要危害。
热辐射对人体的伤害主要是通过不同热辐射通量对人体所受的不同伤害程度来表示。
下表给出了不同热辐射值对人体的伤害和周围设施的破坏情况。
不同热辐射值对人体的伤害和周围设施的破坏情况表热辐射通量/（Kw/M2）人体伤害类别周围设施破坏类别37.5 在1min内100%的人死亡，10s内1%的人死亡对周围设备造成损坏25.0 1min内100%的人死亡，10s内严重烧伤没有引火，无限制长期暴露点燃木材的最小能量12.5 1min内10%的人死亡，10s内1度烧伤木材被引燃，塑料管熔化的最小能量4.0 超过20s引起疼痛，但不会起水泡1.6 长期接触不会有不适感下面讨论池火灾火焰的几何尺寸及辐射参数的计算过程。
（1）池直径的计算当危险单元为油罐时，可根据防护堤所围池面积S（m2）计算池直径D（m）：D=S4当危险单元为输油管道且无防护堤时，假定泄漏的液体无蒸发、并已充分蔓延、地面无渗透，则根据泄漏的液体量W （kg ）和地面性质，按下式计算最大可能的池面积S ： S=ρmin H W 式中，H min 为最小油层厚度（与地面性质和状态有关，见下表）；ρ为油的密度，kg/m 3。
池火灾计算
扩建项目储罐区储存有汽油，汽油主要危险在于泄漏后遇到点火源发生池火危险，因此，本报告对汽油罐组进行池火模拟。
（1）液池直径汽油储罐所在罐组的防火堤围成的面积面积约为s=126.5m ×67.5m=8538.8m 2，D=(4×8538.8/3.14)1/2 =104.3(m)（2）燃烧速度汽油的沸点一般高于发生池火时周围环境的温度，液体表面生单位面积的燃烧速度v 为：HT T c Hc v O b p +-=)(001.0 式中，v ——单位表面积燃烧速度，)/(2s m kg ⋅；c H ——液体燃烧热；汽油为4.7×108kg J /；p c ——液体的比定压热容；汽油为2220)/(K kg J ⋅；b T ——液体的沸点；取汽油的最小沸点为313K ；o T ——环境温度；汽油储罐采用保冷措施后，取25℃即298K ； H ——液体的汽化热；汽油为335k kg J /。
通过查询可知汽油的燃烧速度为)/(026.02s m kg ⋅（3）火焰高度火焰高度计算公式为：6.0210])2([84gr v r h ρ= 式中，h ——火焰高度；m ；r ——液池半径；m ；0ρ——周围空气密度，ρ0=1.293kg/m 3；(标准状态)；g ——重力加速度，2/8.9s m ；v ——燃烧速度，)/(2s m kg ⋅。
m h 52.42])52.158.92(293.10.026[15.25846.021=⨯⨯⨯= 因此，汽油储罐发生池火事故时火焰高度为m 52.42。
（4）热辐射通量当液池燃烧时放出的总热辐射通量为：172)2(6.02++=v H v rh r Q c ηππ 式中，Q ——总热辐射通量；W ；η——效率因子；可取0.13～0.35，取其平均值0.24； 其余符号意义同前。
W Q 106.082106.771026.07210.7424.0026.0)52.4252.1514.3215.2514.3(⨯=+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=（5）计算目标入射热辐射强度假设全部辐射热量由液池中心点的小球面辐射出来，则在距离池中心某一距离（X ）处的入射热辐射强度为：24X Qt I c π= 式中，I ——入射通量；2/m W ；Q ——总热辐射通量；W ；c t ——热传导系数，在无相对理想的数据时，可取值为1；X ——目标点到液池中心距离；m 。
LNG加气站火灾爆炸 模型算法案例
本次评价我们对加气站蒸气云爆炸事故影响距离进行模式计算。
预测模式采用北京理工大学的“易燃、易爆重大危险源伤害模型”。
其计算方法及数学模型如下：（1）爆炸TNT当量W TNT=1.8λW f△H cf/△H TNT①式中：W f——蒸气云中可燃物质质量，kg；△H cf——可燃物质燃烧热，kJ/kg；△H TNT——TNT炸药的爆能，取4520kJ/kg；λ——蒸气云TNT当量系数，取值4%；1.8——地面爆炸修正系数。
（2）死亡区半径R1(m)R1=13.6（W TNT/1000）0.3 ②（3）重伤区半径R2(m)由下列方程组求解得到：△P S=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019 （1）Z=R2/(E/P o)1/3（2）③△P S=P S/P o （3）E=W TNT×△H TNT（4）式中：△P S=冲击波超压峰值，当P S =44000pa时发生重伤伤害；P o——环境压力，取101325pa；E——爆源总能量，J；R2——重伤区半径，单位m，指受伤害人至爆源的水平距离；（4）轻伤区半径R3(m)求解公式与上述R2求解公式相同，仅将式③改为△P S=17000/P o （5）建筑物破坏半径R4(m)爆炸冲击波对建筑物的破坏与建筑物和爆源的距离有关。
按照英国建筑物的破坏等级分类标准，按破坏程度分5个等级采用下式计算：R4=K i W TNT1/3/[1+(3175/W TNT)2]1/6④式中：K i——按破坏程度不同取的常数，建筑物全部破坏时取常数K i=3.8；（6）财产损失半径R5(m)采用英国分类中2级破坏等级取常数K i=5.6，仍用上述④式计算。
对本项目加气站风险危害程度进行定量计算及评价，加气站内爆源包括天然气压缩机、储气井，容量分别为800Nm3/h、16Nm3/h。
按照上述模式进行计算结果见表9-15。
表9-15 加气站蒸气云爆炸损伤距离预测结果从上述计算结果来看，本项目加气站的各关键设施一旦发生蒸气云爆炸，天然气储气井危害最严重，其造成的死亡区半径14.6m、重伤区半径42m、轻伤区半径74m、建筑物破坏半径29.3m、财产损失半径43.1m。