Excel在蒸氣云爆炸模型模擬計算中的應用

李國慶

（杭州錢江經(jīng)濟開發(fā)區(qū)管理委員會，浙江 杭州311100）

在石油、化工、能源等行業(yè)中，易燃易爆物質(zhì)在生產(chǎn)、 儲存和運輸過程中可能由于泄漏至開敞空間而形成蒸氣云，蒸氣云如被意外點燃就有可能形成破壞極大的氣相爆炸，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。 科學分析事故的嚴重程度和影響范圍，對事故預防、控制、應急救援和減少事故損失等有重大意義。

蒸氣云爆炸模型作為一種事故模擬分析手段，能夠為安全生產(chǎn)監(jiān)督管理、事故應急救援、安全評價等提供技術(shù)依據(jù)，但其計算過程較為復雜，現(xiàn)多采用模擬計算軟件來實現(xiàn)，但應用不是很廣泛。 而Excel 作為微軟公司開發(fā)的辦公軟件，應用極為普遍，其函數(shù)功能能夠?qū)崿F(xiàn)蒸氣云爆炸模型的數(shù)據(jù)計算，具有方便、快捷、準確率高等優(yōu)點，且沒有編程調(diào)試的煩惱。

1 蒸氣云爆炸模型[1-3]

蒸氣云爆炸是由于氣體或易于揮發(fā)的液體燃料的大量快速泄漏，與周圍空氣混合形成覆蓋范圍很大的的“預混云”，在某一有限空間遇點火而導致的爆炸。 模型用于定量化模擬評價與分析可燃氣體或液化介質(zhì)的生產(chǎn)或儲存場所可能發(fā)生的事故后果的嚴重度和危險等級、影響范圍。

蒸氣云爆炸模型包括TNT 當量法和TNO 模型法。 TNT 當量法是把蒸氣云爆炸的破壞作用轉(zhuǎn)化成TNT 爆炸的破壞作用，從而把蒸氣云的量轉(zhuǎn)化成TNT 當量。 本文采用TNT 當量法。

①根據(jù)可燃物質(zhì)的最大容量確定可燃物蒸氣云爆炸的TNT 當量：

式中：WTNT——可燃物質(zhì)的TNT 當量，kg；

1.8——地面爆炸系數(shù)；

α ——參與蒸氣云爆炸事故并對爆炸波的產(chǎn)生有實際貢獻的燃料占泄漏燃料的百分比，取4%；

Wf——可燃物質(zhì)泄漏的最大質(zhì)量，kg；

Qf——可燃物質(zhì)燃燒熱值，KJ／kg；

QTNT——TNT 的爆熱，KJ／kg，取4520kJ／kg。

②根據(jù)可燃物質(zhì)的TNT 當量確定爆炸能量：

E＝WTNTQTNT

③根據(jù)可燃物質(zhì)的TNT 當量確定破壞半徑：

1）死亡半徑

2）重傷半徑

重傷半徑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——大氣壓，Pa，取101300 Pa。

3）輕傷半徑

輕傷半徑R3由下列方程式求解：

4）財產(chǎn)損失半徑Δ Ps

對于爆炸性破壞、財產(chǎn)損失半徑R 財?shù)挠嬎愎綖椋?/p>

式中：K2——二級破壞系數(shù)，4.6。

若已知可燃物質(zhì)區(qū)域的人員密度和財產(chǎn)密度，即可評價確定人員的傷亡數(shù)和財產(chǎn)損失大小。

2 Excel 計算[4-5]

以某企業(yè)化學品儲罐區(qū)，儲量為100 t 的低溫乙烯發(fā)生泄漏并遇火源發(fā)生爆炸為例。

表1 蒸氣云爆炸模型模擬計算建表

整個模型計算的Excel 工作表（表1）主要包括參數(shù)（B 列和C 列）、單位（D 列）、數(shù)值（E 列）、公式函數(shù)（F 列）和備注（F 列）。 參數(shù)（B 列和C列）是需要提供和計算的參數(shù)名稱；單位（D 列）是各參數(shù)對應的單位；數(shù)值（E 列）是需要提供的參數(shù)和計算參數(shù)對應的數(shù)值；公式函數(shù)（F 列）是計算參數(shù)所需的計算公式對應的Excel 輸入公式。 我們在計算時只要F 列中的函數(shù)前加“＝”填入對應的E 列，同時把所需的參數(shù)填入E列中，便能迅速地得到死亡半徑和財產(chǎn)損失半徑，如表2。

表2 乙烯儲罐爆炸事故死亡／財產(chǎn)損失半徑計算列表

重傷半徑和輕傷半徑是這個模型中最難計算的。為了便于計算，我們采用假設(shè)值帶入計算出已知參數(shù)，然后進行對比來確定假設(shè)值的正確性，這種方式使用起來較為便利。 下面以重傷半徑求解進行說明。

假定重傷半徑為已知值，帶入算式，計算△Ps重′，并將其與Ps 重比較，當Ps重＝Ps重′ 時，即表明重傷半徑求算成功。計算時，取死傷半徑的2 倍左右的數(shù)值（一般小于財產(chǎn)損失半徑）作為重傷半徑假定值帶入計算，當計算得Ps重′ ＞Ps重時，假設(shè)值要增大，反之減小，逐漸縮小范圍便能很快求解。輕傷半徑和重傷半徑求解過程一致，一般輕傷半徑以死亡半徑的4 倍選取假設(shè)值。 重傷半徑和輕傷半徑計算結(jié)果如表3。

表3 乙烯儲罐爆炸事故重傷／輕傷半徑計算列表

通過上述模擬計算，可以很容易得到乙烯儲罐泄漏發(fā)生爆炸的損失半徑，其計算結(jié)果如表4。

表4 乙烯儲罐泄漏爆炸影響范圍計算結(jié)果列表（m）

3 結(jié)束語

利用Excel 進行蒸氣云爆炸模型計算，使用方便，可直接定量描述事故可能影響的危害區(qū)域和造成的生命財產(chǎn)損失，避免了繁重的手算。Excel 計算雖沒有專業(yè)計算軟件能夠?qū)崿F(xiàn)事故模擬影響圖，但卻操作方便、直觀，運作良好，不易出錯，具有很強的實用和推廣價值。

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