化工过程爆炸灾害模拟评价及防灾决策支持系统研究绪论

[摘 要] 随着化学工业和石油化学工业的发展，生产装置变的越来越自动化、连续化、大型化、复杂化，石化企业生产过程处理和储存的易燃、易爆的危险物种类和数量也越来越多，一旦这些物质的正常运行状态遭到破坏，就有可能导致重大爆炸事故，将会导致巨大的人员伤亡、财产损失和环境破坏。爆炸灾害影响范围大，事故的发生具有突发性、灾难性、复杂性和社会性。进行典型化工过程爆炸灾害的发生、发展与防治机理研究，建立爆炸灾害模拟评价理论模型与开发防灾决策支持系统，是建立和完善社会防灾体系及提高社会应急救援能力的重要内容之一，具有重要研究价值和社会现实意义。 本文重点研究了典型化工过程中发生的重大爆炸灾害事故模式：蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸气爆炸。通过对化工和石油化工行业中发生的化工典型爆炸灾害事故案例的剖析、归纳总结、提炼，提取了这两种爆炸事故的发生、发展机理、相关条件、影响因素、事故特性、伤害机理和各种事故模式。并建立了危险品物性数据库、典型事故案例数据库和典型化工过程爆炸灾害事故模式知识库。 对现有的爆炸灾害模拟评价方法和模型进行了归纳和对比计算，分析了各个模型的优缺点及适用范围，继而给出了两种灾害性爆炸事故的事故后果及严重度模拟与评价理论模型，包括爆炸火球模型、爆炸冲击波空间分布及伤害模型，热辐射剂量空间分布及伤害模型，人员伤亡模型及财产损失评价模型。研究分析了爆炸灾害破坏和伤害形式，总结了适用气云爆炸灾害后果的评价准则，提出了基于灾害模型的事故模拟相应的评价方法，建立了UVCE和BLEVE灾害后果及严重度评价指标体系，开发了相应的灾害后果模拟与评价软件系统。 对已有的系统安全评价技术方法的优缺点进行了分析和对比，继而将神经网络技术、人工智能技术、专家系统应用于开发新的系统安全评价方法，提出了基于人工神经网络的系统安全评价方法和基于神经网络的智能故障诊断专家系统模型，开发了可视化的神经网络系统，为系统安全评价与事故模式诊断提供了新思路。 给出了建立灾害应急预案的思想和步骤，总结出了应急预案的主要内容，并针对LPG泄漏事故给出了具体的救灾原则与程序，建立了爆炸灾害应急救援预案知识库。提出了基于面向对象思想的决策支持系统设计与开发思路与策略，给出了防灾决策支持系统的结构设计以及数据库及管理系统、模型库及管理系统、知识库及推理机等主要功能模块的设计方法，并对事故模式诊断模块、神经网络模型、灾害模拟与评价模块、灾害救援预案模块、决策支持四库系统，以及软件系统支撑环境、通讯网络与硬件等进行了系统集成，实现了两层结构的分布式化工过程爆炸灾害模拟与评价及防灾决策支持系统软件系统。 将灾害模拟评价理论模型及开发的软件系统与工程实践相结合，用典型事故案例来检验、修正理论模型，再应用于工程实践的灾害定量模拟评价、预防控制及救灾决策支持，使整篇论文建立在确定的事实和正确的理论相结合的基础之上。
[关键词] 蒸气云爆炸 沸腾液体扩展蒸气爆炸 事故机理 模型 模拟评价 人工神经网络 人工智能 决策支持系统
ABSTRACT With development of chemical and petroleum-chemical industry, main equipments and installations become more and more automatic, continuous, large and complex. And more and more kinds of flammable and explosive materials are processed and stored in the process of chemical industry. Once normal running state of dangerous substance is disturbed，major explosion accident which leads to huge person casualty, loss of property and damage of environment will be induced. So study on occurrence, development and prevention and cure mechanism, building of simulation and evaluation theoretical model for explosion disasters in typical chemical process and Decision Support System(DSS) for disaster prevention is important content for establishment and perfection of society disaster prevention system and improvement of society succour abilities under emergency. This paper focuses on two kinds of major explosion disaster accident, they are Vapour Cloud Explosion (VCE) and

Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion (BLEVE) in typical chemical process. Mechanism, conditions and influent factors of occurrence and development, accident characteristic, damage mechanism and accident modes of UVCE and BLEVE have been put forward by analysis, sum-up and abstract of substantive typical explosion disaster accident cases in chemical and petroleum-chemical process. Databases for dangerous materials, typical accident cases and typical explosion disaster accident modes have been built. Existing ways and models for simulation and evaluation of explosion disaster have been summarised and compared by calculation, and their virtues and defects have been analyzed. Then models for simulation and evaluation of accident consequence of UVCE and BLEVE have been given, including models for explosion fireball, distributing and damage of shock wave in space, distributing and damage of heat radiation in space, human casualty and property loss. Damage modes of explosion disaster have been studied and analyzed. Evaluation rules applying for gas cloud explosion have been summarized. Accident simulation and evaluation way based on disaster models have been given. Evaluation parameters system for disaster consequence of UVCE and BLEVE has been established. Simulation and evaluation software for disaster consequence of UVCE and BLEVE has been developed . After analysis and comparison of virtues and hortcomings of existing system

safety evaluation ways, Artificial Neural Network (ANN), Artificial Intelligence (AI) and Expert System (ES) are used to build new system safety evaluation means. System safety evaluation model and intelligent expert system for fault diagnosis based on ANN have been put forth. Development and realization of visual neural network for system safety valuation and fault diagnosis provides new idea for system safety evaluation and accident mode diagnosis. Ideas and steps for building of succour measures under emergent disaster have been suggested. Contents of succour measures under emergent disaster have been summarized. Detailed rescue principle and procedure under leak accident of LPG are also given as an example. Knowledge base, model base, arithmetic base and inference engine for explosion disaster prevention and emergency succour are built. Design and development idea for decision support system based on object-oriented idea are offered. Design of structure and main function modules of DSS for disaster prevention are given. Distributing DSS for disaster prevention and simulation of disaster in chemical process is realized by system integration of diagnosis module for accident mode, neural network module, disaster simulation and evaluation module, knowledge base and its management system、database and its management system, module base and its management system, support environment for software system, network and hardware. By combination of disaster simulation and evaluation models checked by typical accident cases, disaster prevention software and engineering practice，this paper is established on basis of certain fact and correct theoretical model. KEY WORDS： Vapour cloud explosion (VCE), Boiling liquid expanding vapor explosion (BLEVE), Accident mechanism, Model, Simulation and evaluation, Artificial Neural Network (ANN), Artificial Intelligence (AI), Decision Support System (DSS) [page]

　　绪 论

　　1 引 言 爆炸是化工和石油化工生产中的重大灾害之一，事故的发生常常导致重大的人员伤亡和财产损失。例如1966年1月4日发生在法国的一次沸腾液体扩展蒸气爆炸事故导致18人死亡，81人受伤和巨大财产损失。1972年巴西某厂精炼工段丁烷大量泄漏，引发蒸气云爆炸事故，导致直接财产损失8.4百万美元，37人死亡，53人受伤[1]。1997年9月14日印度HPCL炼油厂因腐蚀使该厂的一个液化石油气储罐泄漏，从而引发一系列事故并逐渐演变成一场灾难，导致60人死亡，造成1.5亿美元财产损失，威胁附近城市200万居民的安全。此类灾难性事故不胜枚举，且随着石化工业的发展，这类灾难性事故的发生频率越来越高，灾害后果也越来越严重。灾害所带来的严重后果和环境与社会问题远远超过了事故本身，严重影响、制约了当代石化工业的顺利健康发展，这些严酷的事实表明了深入研究这些灾害性事故的发生机理、相关条件及伤害机理，建立这些灾害性事故的严重度模拟评价模型，开发灾害模拟评价软件系统及防灾决策支持系统，对于科学预防灾害的发生、指导紧急救灾具有重要理论价值和实践意义。
　　有关爆炸灾害防治技术研究有着悠久的历史，然而开展灾害基础研究的出现和防治技术的快速发展却是在最近二、三十年内，七十年代以来，随着石油化工生产规模越来越大，化工装置重大爆炸事故频繁发生，引起了世界各国的广泛关注，国际上相继通过了1990年化学制品公约、1993年预防重大工业事故公约等，敦促世界各国实施相应的政策及预防保护措施，发展基础研究和重大灾害防治应用技术研究。加拿大、美国、英国、日本及欧共同体许多国家先后投入了大量的人力、物力和财力开展重大危险源的辩识、评价与预防控制技术及相关的基础性研究工作，取得了较高水平的研究成果。
　　我国政府非常重视爆炸灾害的防治工作。近些年来，国内部分高校和科研单位相继开展了此方面的研究工作，在危险源评价、宏观控制技术、装置爆炸灾害模式研究方面取得了一定的进展。
　　当前，国内外在爆炸灾害基础研究方面的发展趋势是：重视爆炸灾害发生、发展和防治机理与规律的研究；重视灾害过程理论模型及灾害的实验模拟与计算机模拟；重视重大装置的防护，对火灾与爆炸的结构危险性作出评估，采用各种措施消除危险根源；加快高新技术进入爆炸灾害研究与防治领域；重视在工程设计、评估与管理中引入基础研究成果。重大爆炸灾害计算机模拟评价及防灾决策支持系统的研究是现代大型化工装置、高能连续装置安全平稳运行的客观需要，并已经成为安全技术及工程学科领域的前沿课题。
　　正是基于上述的此领域研究背景，本文重点对典型化工装置中的重大爆炸灾害事故的发生、发展机理、相关条件、影响因素、事故特点、伤害机理进行了研究；在此基础上，建立了典型爆炸灾害后果及严重度模拟评价模型；将面向对象编程技术、软件工程理论与方法、数据库技术、数据结构与算法、神经网络及决策支持系统技术等应用于研制开发“化工过程灾害模拟评价及防灾决策支持系统”软件系统。本文的主要研究内容同时也是江苏省青年科学基金项目：“化工装置爆炸灾害模拟与评价及防灾决策系统研究（No. BQ98029）”和国家自然科学基金重点项目：“典型化工过程灾害性事故预测与防治技术基础研究（No. 29936110）”的重要组成部分。

　　2 　国外研究现状与进展 在国外，由于发达国家工业化进程较早，加之以强大的经济作后盾，因此发达国家与工业安全相关的各项法律、制度及管理规定等制度体系都比较完善，而在灾害风险评估、灾害防治理论研究及工程技术开发方面也是遥遥领先。如在灾害危险评价方法研究方面，美国DOW化学公司于1964年开发了DOW火灾、爆炸指数法，至今已发展更新至第七版；英国帝国化学公司于1974年在DOW火灾、爆炸指数法的基础上开发了ICI MOND法，可用于工厂火灾、爆炸及毒性危险性评估；日本学者提出的化学工厂六阶段安全评价法及概率风险评价法；美国Rasmussen教授领导的科研人员于1974年第一次成功估计美国商用核电站潜在事故对社会造成的危害所应用的事件树（ETA）和故障树（FTA）分析法等。随着石化、兵工等企业的生产规模越来越大，火灾、爆炸、泄漏等重大事故的发生频率增加，且所导致的危害也越来越大，引起了国际社会的广泛关注。英国卫生与安全委员会设立了重大危险源咨询委员会—进行重大危险源辨识、评价技术研究；美国于1985年出版了《危险性评价方法指南》；欧盟共同体于1982年颁发了《工业活动中重大事故隐患的指示》；1992年国际劳工组织（ILO）第79界会议专门讨论了预防重大工业灾害的问题；在国际劳工组织的支持下，许多国家也相继建立了重大危险源控制系统。最近十年来，国外在理论研究基础上，还开发了不少危险评价软件包，并投入运行，如英国TECHNICA公司开发的SAFETI软件包、荷兰咨询科学家公司开发的SAVE II软件包等。

　　2.1　蒸气云爆炸国外研究进展 国外自20世纪60年代就开始了有关的研究工作，90年代，欧洲建立了气云爆炸模型和实验研究工程（Modelling and Experimental Research into Gas Explosions，简称MERGE），由荷兰、挪威、英国、德国和法国的七个著名研究机构组成联合体从事这项研究，俄国的国家防火科学研究中心也从事此领域的有关研究工作。有许多文献报道了对蒸气云爆炸进行的相关研究工作，例如J. A. Davenport在文献中归纳了国外近几十年来发生的蒸气云爆炸事故案例详细数据。J. H. Pickles，S. H. Bittleston提出了蒸气云爆炸的火焰速度和爆炸超压的空间三维时间模型。
　　为了研究蒸气云的爆炸机理，尤其是障碍物和约束边界条件对燃烧转爆轰的影响，国外科研人员进行了大量的实验室研究和野外实验研究。开展的实验研究包括：（1）无约束气云爆炸实验。研究者进行了球形、半球性和圆盘形气云爆炸实验[2]，实验直径从40mm到20m。（2）气云内有障碍物时的爆炸实验。研究者以管束、管架和丝网为障碍物进行了一系列气云爆炸实验[3]。（3）气云周围有约束时气云爆炸实验。研究者在气云的周围设置了挡板，使气云只能按一个或两个方向传播[4]。（4）不同可燃气体种类气云爆炸实验。研究者以甲烷-空气、丙烷-空气、乙烯-空气和乙炔-空气为介质进行了气云爆炸实验[5]。其中Lind于1975年、Lind和Whitson于1977年、Moen于1982年、Winger den和Dauwe于1983年、Harrison和Eyre[30]于1986年进行的实验具有代表性，他们的实验物质为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丁烯、乙炔、天然气或环氧乙烷与空气形成的等化学当量比混合气体，最大实验混合气体量达到4000立方米。美国的Dr. Michael C. Parnarouskis, LCDR Michael W. Taylor, Dr. C. D. Lind, Dr. Phani p. k. Raj, Dr. J. M. Cece等人为了研究了解液化天然气（LNG）泄漏到大气中的后果，于1973年开始蒸气云爆炸的五个阶段多因素条件下实验研究。 [page]
　　在实验研究的同时，还进行了大量的理论研究工作。（1）TNT当量法研究。蒸气云爆炸的系统研究开始于本世纪七十年代，在此之前，人们一直用TNT当量法来估计和预测蒸气云爆炸事故的严重度。由于蒸气云爆炸事故的严重性以及TNT当量法存在的缺点，国外于七十年代较全面地开展了蒸气云爆炸的研究工作。例如：出于安全运输和储存液化天然气的需要，Bull和Elsworth于1977年、Benedick于1979年分别测得了等化学当量比燃料—空气混合物的临界起爆能。其中R. A. Strehlow, R. T. Luckritz, A. A. Adamcyz和S. S. Shimpi于1979年提出了球形火焰模型，荷兰应用科学研究院于八十年代初提出了半球形模型。（2）多能模型研究。Van den Berg, B. J. Wiekema, C. J. M. Van Winger den和G. Opschoor于八十年代中期提出的多能法(Multi-Energy Method)是蒸气云爆炸模型的典型代表。（3）自相似理论。为了能在理论上有所突破，Kuhl等人对球形气云爆炸进行了简化处理[7]。既不考虑点火的瞬间火焰加速过程，也不考虑火焰熄灭后的压力波衰减过程，而只研究火焰以恒速稳定传播的情况，这样，球形气云的爆炸过程就相当于一个渗透性假想球形活塞的运动过程。自相似理论只能适用于火焰稳定传播的情况，与实际的差距比较大。（4）数值模拟方法。利用气体动力学方程、燃烧方程和湍流方程构成描述气云爆炸过程的方程组，然后通过一系列假设进行简化，使之变成易于求解的形式，再利用有限元法或有限差分法进行求解。例如EXSIM、FLACS、REAGAS及COBRA，但至今未获得理想的结果。

　　2.2 　沸腾液体扩展蒸气爆炸国外研究进展 从70年代开始，美国、英国、德国和加拿大等一些工业发达的国家就对液化气的安全运输与储存问题进行了研究，80年代后期，其研究更加广泛和深入，并于1984，1986，1990年先后召开了3次学术会议（International Conference on Major Hazardous in the Transportation and Storage of PLGS）,专门讨论了其安全技术方面的研究情况。1990年5月比利时召开的“传热与主要技术危害”（Heat Transfer and Major Technological Hazards）的欧洲会议上把处于火焰包围和火焰喷射环境下的液化气容器的火灾爆炸事故研究作为当今世界技术危害的重大课题。各国相继对此开展了积极的研究，其研究成果在美国杂志“Journal of　Hazardous Materials”中进行了相对集中的报道。