Excel在蒸气云爆炸模型模拟计算中的应用

2012-12-02李国庆

杭州化工 2012年4期

李国庆

（杭州钱江经济开发区管理委员会，浙江杭州311100）

在石油、化工、能源等行业中，易燃易爆物质在生产、储存和运输过程中可能由于泄漏至开敞空间而形成蒸气云，蒸气云如被意外点燃就有可能形成破坏极大的气相爆炸，造成巨大的经济损失和人员伤亡。科学分析事故的严重程度和影响范围，对事故预防、控制、应急救援和减少事故损失等有重大意义。

蒸气云爆炸模型作为一种事故模拟分析手段，能够为安全生产监督管理、事故应急救援、安全评价等提供技术依据，但其计算过程较为复杂，现多采用模拟计算软件来实现，但应用不是很广泛。而Excel 作为微软公司开发的办公软件，应用极为普遍，其函数功能能够实现蒸气云爆炸模型的数据计算，具有方便、快捷、准确率高等优点，且没有编程调试的烦恼。

1 蒸气云爆炸模型[1-3]

蒸气云爆炸是由于气体或易于挥发的液体燃料的大量快速泄漏，与周围空气混合形成覆盖范围很大的的“预混云”，在某一有限空间遇点火而导致的爆炸。模型用于定量化模拟评价与分析可燃气体或液化介质的生产或储存场所可能发生的事故后果的严重度和危险等级、影响范围。

蒸气云爆炸模型包括TNT 当量法和TNO 模型法。 TNT 当量法是把蒸气云爆炸的破坏作用转化成TNT 爆炸的破坏作用，从而把蒸气云的量转化成TNT 当量。本文采用TNT 当量法。

①根据可燃物质的最大容量确定可燃物蒸气云爆炸的TNT 当量：

式中：WTNT——可燃物质的TNT 当量，kg；

1.8——地面爆炸系数；

α ——参与蒸气云爆炸事故并对爆炸波的产生有实际贡献的燃料占泄漏燃料的百分比，取4%；

Wf——可燃物质泄漏的最大质量，kg；

Qf——可燃物质燃烧热值，KJ／kg；

QTNT——TNT 的爆热，KJ／kg，取4520kJ／kg。

②根据可燃物质的TNT 当量确定爆炸能量：

E＝WTNTQTNT

③根据可燃物质的TNT 当量确定破坏半径：

1）死亡半径

2）重伤半径

重伤半径R2由下列方程式求解：

Δ Ps＝0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

式中：P0——大气压，Pa，取101300 Pa。

3）轻伤半径

轻伤半径R3由下列方程式求解：

4）财产损失半径Δ Ps

对于爆炸性破坏、财产损失半径R 财的计算公式为：

式中：K2——二级破坏系数，4.6。

若已知可燃物质区域的人员密度和财产密度，即可评价确定人员的伤亡数和财产损失大小。

2 Excel 计算[4-5]

以某企业化学品储罐区，储量为100 t 的低温乙烯发生泄漏并遇火源发生爆炸为例。

表1 蒸气云爆炸模型模拟计算建表

整个模型计算的Excel 工作表（表1）主要包括参数（B 列和C 列）、单位（D 列）、数值（E 列）、公式函数（F 列）和备注（F 列）。参数（B 列和C列）是需要提供和计算的参数名称；单位（D 列）是各参数对应的单位；数值（E 列）是需要提供的参数和计算参数对应的数值；公式函数（F 列）是计算参数所需的计算公式对应的Excel 输入公式。我们在计算时只要F 列中的函数前加“＝”填入对应的E 列，同时把所需的参数填入E列中，便能迅速地得到死亡半径和财产损失半径，如表2。

表2 乙烯储罐爆炸事故死亡／财产损失半径计算列表

重伤半径和轻伤半径是这个模型中最难计算的。为了便于计算，我们采用假设值带入计算出已知参数，然后进行对比来确定假设值的正确性，这种方式使用起来较为便利。下面以重伤半径求解进行说明。

假定重伤半径为已知值，带入算式，计算△Ps重′，并将其与Ps 重比较，当Ps重＝Ps重′ 时，即表明重伤半径求算成功。计算时，取死伤半径的2 倍左右的数值（一般小于财产损失半径）作为重伤半径假定值带入计算，当计算得Ps重′ ＞Ps重时，假设值要增大，反之减小，逐渐缩小范围便能很快求解。轻伤半径和重伤半径求解过程一致，一般轻伤半径以死亡半径的4 倍选取假设值。重伤半径和轻伤半径计算结果如表3。