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
[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)
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。
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。
实验研究。1973年至1975年，美国铁路协会和联邦铁路局资助进行了液化气铁路罐车在火焰包围下的爆炸实验，并对爆炸碎片做了金相分析。1986年英国能源部和交通部联合进行了大型列车高压罐火焰包围下的爆炸实验。1985年英国健康与安全行政署对2个0.25吨和3个1吨的液化气罐在火焰包围下进行实验测试，并于1988年和英国壳体研究所（Institute of Shell Research）合作进行了一个5吨液化气罐在火焰包围环境下的实验研究，通过一系列实验测取了大量实验数据，了解到液化气罐内蒸气区和液体区的温度、压力和罐壁温度等参数的变化情况。自1980年以来，加拿大交通部与本国几所大学合作，已经进行了并仍在继续进行一系列的高压液化气罐燃烧爆炸实验，实验中使用了火焰包围（池火）和火焰喷射（火炬）等不同的加热方式，研究了外部加热条件、储罐几何形状尺寸、工质成分、机械损伤和减压阀状态等诸方面因素对储罐爆炸的影响，观测了爆炸火球、抛射物和喷射物的危害程度，这些实验中，Queen’s大学进行的实验规模最大，所涉及的研究对象最多，New Brunswick大学和 McGill大学进行了一些中小规模的实验。
数值模拟研究。1987年，英国壳体研究所开发了HEAT-UP模型，该模型建立在对容量为0.25吨，1吨和5吨的液化气容器于火焰包围环境下的实验研究之基础上，可成功地预测安全阀的开启时间，容器内液体和蒸气的平均温度。1984年至1987年英国健康与安全行政署相继开发了ENGULF-I和ENGULF-II模型，前者只模拟了装有部分碳氢化合物的矩形容器被火焰包围时其容器内的热响应过程，后者可模拟火焰均匀包围或非均匀包围、火焰喷射或远距离辐射等环境下的水平圆柱形容器内的热响应过程，可对容器外壁加装水冷却或隔热层等保护效果进行预测。加拿大新不伦瑞克大学火焰科学中心自1982年至今相继开发了PLGS-1，PLGS-2和PLGS-3模型，其中PLGS-1和PLGS-2两种模型都只模拟水平圆柱体容器被火焰均匀包围环境下容器内的物理响应过程，模型中考虑了容器内边界层从自然对流到沸腾全过程，以及蒸汽区与过冷液体区间的分层区，能较好地模拟出安全阀第一次打开之前容器内的全过程。此外，P. Kourneta和I L iomas等人在研究液化气物理性质随温度变化规律后提出了进一步考虑该因素的DOMINO模型。加拿大金斯顿大学的A. M. Birk提出了进一步考虑容器被滚动或抛掷这一因素的TCTCM模型。
事故机理研究。研究认为液体存在一个可以达到的过热界限，当液化气容器的阀门打开或存在裂缝及小孔时，容器内突然降压，液体就会达到此过热界限而发生剧烈沸腾，最终导致爆炸。
同时，国外许多文献报道了BLEVE方面的研究工作。例如RICHARD W. PRUGH在一篇文献中进行了BLEVE爆炸事故机理和预防措施，并提出了一些定量模型。HIS-JEN CHEN, MANN-HSING LIN, FU-YUAN CHAO在一篇文献中进行了BLEVE环境下的容器热响应问题研究，提出了热响应模型。
文献中报道的沸腾液体扩展蒸气云爆炸模型有国际劳工组织提出的非点源ILO模型；H. R. Greenberg和J. J. Cramer提出的点源模型以及A. F. Roberts模型。
其中荷兰环境科学研究所进行了沸腾液体扩展蒸气爆炸研究，并研制开发了“Modeling the effects of accidental release of hazardous substances”软件系统（4.0版）。Thermal Hazards Laboratory, Queen’s University at Kingston在加拿大交通部、交通发展中心、危险物质运输指导中心，NSERC等机构、单位的资助下，在A. M. Birk领导下进行了大量液化气储罐爆炸的实验，研究了BLEVE的爆炸冲击波、热辐射及抛射物的伤害，火焰对装有高压液化气的容器的作用，在火焰环境下的容器模拟，BLEVE的模拟及火球等内容，并据研究成果开发了“BLEVE Incident Simulator (BIS) V1.0”软件系统，取得了较好的成绩。同时国外也开发了一些故障诊断和评价系统，见表1.1。
表1.1 国外已开发的故障诊断与评价系统
Table1.1 Fault diagnosis and evaluation system developed abroad
3.1 蒸气云爆炸研究进展 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，取得了一定的进展。我国自20世纪80年代开始进行可燃气体爆炸方面的研究，但主要是针对可燃气体爆炸极限、密闭空间气相爆炸及安全泄放等方面进行的研究工作；关于气云爆炸的研究也是针对以炸药点燃空气炸药而形成爆轰气云进行的实验及数值模拟，而通常的气云爆炸并不会产生爆轰波。北京理工大学、化工部劳动保护研究所及劳动部劳动保护科学院等单位合作，在危险源评价、宏观控制技术研究方面取得了较好的成果，建立了定量与定性相结合评价方法，并开发了事故后果分析的计算机软件系统。“爆炸灾害预防与控制国家重点实验室”利用80米长水平管道，进行了蒸气云爆炸规律的初步研究，如障碍物对蒸气云燃烧转爆轰的影响。宇德明在“重大危险源的评价及火灾爆炸事故严重度的若干研究”博士论文中对蒸气云爆炸伤害机理及后果评价方面进行了研究[20]。国内少量文献对蒸气云爆炸数值模拟进行了研究，但实验研究，国内较少。例如:徐胜利，糜仲春，汤明均进行了“有限释放能速率可燃气云爆炸场的研究”[22]；丁信伟，李志义，李应博进行了“可燃气体云爆燃场数值模拟”；江昀，江佩兰进行了“蒸气云火灾爆炸破坏作用预测方法的研究”。毕明树等人也进行了“无约束气云弱点火爆炸压力实验研究”，实验用聚乙烯薄膜形成半球形限制膜，向球内充入按化学计量配比的乙炔与空气的混合物，从而形成半球形气云，在半球形气云的中心设置有点火电极，实验研究表明：气云爆炸的最大压力基本上发生在距爆源中心距离为气云初始半径的2倍左右之处，是因为气云最终半径将增大初始半径的1.8-2.2倍；并且开敞空间气云爆炸的威力与气云体积的2/3次方成正比，与离开爆源中心的距离成反比。
3.2 沸腾液体扩展蒸气爆炸研究进展 国内对该领域的研究起步较晚，其投入力量尚不多，从目前的文献资料及学术交流情况可知，北京科技大学自1992年开始对火焰包围环境下水平圆柱容器内液化气介质的传热传质机理进行分析研究，建立了相应的数值模拟模型，并与加拿大Queen’s大学合作，相继对容器壁裂缝以及机械振动冲击等引起的液化气容器爆炸机理进行了研究，开发了相应的数值模拟模型，同时提出了“冷爆炸”概念。此外武汉交通科技大学在交通部资助下，积极进行了液化气及石油运输过程中突发性事故的机理研究与仿真[23]，主要针对液化气船和油船的典型结构型式建立了相应的数值模拟模型，开发了具有友好用户界面的仿真软件。宇德明在“重大危险源的评价及火灾爆炸事故严重度的若干研究”博士论文中对沸腾液体扩展蒸气爆炸伤害机理进行了一些研究。同时国内也有少量文献报道了国内学者利用国外研究成果应用于实际工程灾害评价中的研究，例如刘茂，杜雅萍等在文献中对液化石油气罐区危险性进行了定量评价；王铁民开发了“液化石油气罐区安全评价和紧急防灾系统”。国内已开发的诊断与评价系统[24]，见表1.2。
表1-2 国内已开发的故障诊断与评价系统
Table 1-2 Fault diagnosis and evaluation system developed home
由于投入不足，国内尚未开展实验研究，大多数机理探讨及数值研究工作均是在国外公开发表的实验数据基础上进行的。
4 论文的研究目的与主要研究内容 在有大量易燃、易爆危险物质的生产或储存装置中，一旦物质或能量的正常运行状态遭到破坏，装置发生爆炸，便会导致灾难性的后果，不仅厂区内部，而且邻近地区人员的生命、财产和环境都将遭受巨大的损失。以往发生的灾害性事故案例的严酷事实表明了爆炸灾害防治已刻不容缓。随着石油化工行业的发展，装置的高度自动化、连续化、大型化及高温、高压、高能量储备的特点，也使得爆炸事故更具有突发性、灾难性、复杂性和社会性。因此，加强典型化工过程爆炸灾害的发生、发展和防治机理研究，加强典型装置爆炸灾害的预测、预防和控制技术的研究，是建立和完善社会防灾体系及做好城市减灾工作的重要内容之一，此项课题的研究不仅具有重要的理论价值，而且具有很高的经济和社会现实意义。
当前我国正处于社会经济高速发展时期，灾害事故及其造成的损失呈现上升趋势，因而更应重视此领域的研究工作。加上国内目前尚未有较通用和完善的灾害模拟与评价及防灾决策支持软件系统。
本文的研究工作包括以下几方面：
1. 利用事故致因理论，对大量石油化工过程中的典型爆炸灾害事故案例进行剖析、归纳，提出蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸事故的事故机理、相关条件、事故特性和影响因素，并建立典型事故案例数据库。
2. 建立典型化工过程爆炸灾害防灾预案知识库和危险品物性数据库。
3. 利用系统模式识别理论来提取蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸事故在各种条件下的灾害事故模式，建立典型化工过程爆炸灾害事故模式知识库。
4. 建立UVCE、BLEVE的事故后果及严重度模拟评价理论模型，包括爆炸冲击波时间-空间分布及伤害模型，热辐射通量空间分布及伤害模型，热辐射剂量空间分布及伤害模型，爆炸火球模型，死亡半径、重伤半径、轻伤半径及财产损失半径评价模型，人员伤亡及财产损失数量评价模型。
5. 利用人工神经网络技术对典型化工过程爆炸灾害事故案例记录数据进行整理、分析和归纳，并将其应用于修正灾害模拟评价理论模型。
6. 在对已有的系统安全评价技术方法对比研究的基础上，提出和建立基于人工神经网络的系统安全评价技术方法。
7. 应用面向对象编程开发技术、数据结构与算法、数据库技术、软件工程理论和方法和人工智能等技术用于研制开发“化工过程灾害模拟与评价及防灾决策支持系统”软件系统。
8.将开发的防灾决策支持系统与工程实践结合来检验软件系统的可行性和可靠性，并根据检验结果进行修改和完善系统，以保证此软件系统的可行性和实用性。
本章阐述了本论文的研究意义和价值，以及课题的研究背景和来源；对蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸气爆炸灾害的实验、理论和数值模拟计算等方面研究工作的国内外现状进行了概括和总结，继而提出了本篇论文的主要研究目的和内容。
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