CN114201873A - 一种lng池火灾3d事故场景构建和后果展示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所述的一种LNG池火灾3D事故场景构建和后果展示方法,通过建立LNG池火灾后果的固体火焰模型;在固体火焰模型的基础上,计算指定距离的热辐射值,从而对事故的发展以及热辐射影响范围进行直观的体现。本发明所述的有益效果为:对事故场景进行精细还原,对不具相关工程专业知识的人来说,理解难度小。事故后果计算准确有利于对事故后果分析,演化过程的展示对工厂员工教育以及应急预案的制定具有指导意义;模型的建成对工厂的选址与布局具有一定的指导意义。
Description
技术领域
本发明属于化工安全领域,具体涉及一种LNG池火灾3D事故场景构建和后果展示方法。
背景技术
液化天然气(liquefied natural gas简称LNG)是将气田产生的天然气净化处理,再经超低温(-162℃)液化而成。液化天然气具有较低的沸点、较大的膨胀性以及极易挥发的性质,在发生泄漏事故时,LNG会从运输设备、固定储罐或管道中泄漏到地面,在低洼或围堰中形成液池,被点火源引燃发生池火灾[1],不同类型的火灾中(蒸汽云火灾、喷射火灾、火球等),池火灾最为常见,发生概率约为44%。随着国家经济的发展,对LNG的应用范围增大,同时对于此类危险化学品的灾害预防需求也大大增加。
对于危险化学品的危害防护除了基于对现场的严格操作管理,还包括模拟软件对危害品可能事故后果进行分析,从而选择合适的工厂选址,指定特定的应急响应措施,并且可以对员工进行针对性的教育和指导,对于事故的预防和事故发生后的减灾具有重大的现实意义。
专利申请CN 104318623A提供了一种LNG接收站泄漏及燃爆事故模拟展示方法,但是模型中采用的事故后果计算方法是利用CFD模拟软件计算得到,CFD模拟软件专业性较强,操作复杂繁琐,并且展示结果单一,基于事故后果的员工教育针对性较弱,并且对模拟后果的理解与分析需要大量的专业知识积累,普适性较差。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种LNG池火灾3D事故场景构建和后果展示方法,通过构建的固体火焰模型对事故的危害后果热辐射危害进行准确的计算、化工场景精细还原以及交互功能的结合,使展示的事故后果更具有可信度,并且在保证事故后果计算准确的前提下,让人们更加容易理解事故的危害以及加强危患意识。
本发明所述的一种LNG池火灾3D事故场景构建和后果展示方法,步骤为:S1、根据LNG的燃烧特性,构建LNG池火灾事故后果计算的固体火焰模型;
S2、根据建立的固体火焰模型,采用Mathcad工程计算软件,计算目标位置所受热辐射值;
S3、建立LNG工厂的3D场景,并设置工厂中可燃物质的特性,对泄漏事故场景进行模拟计算;将热辐射测量结果与泄漏事故场景模拟计算结果结合,得出燃烧物质的类别与燃烧范围,通过三维动画形式展示模拟事故火焰传播范围与发展后果。
进一步的,利用固体火焰模型对LNG池火灾进行后果计算,所述固体火焰模型为式(1)
q(x)=SEP*F12(x)*τ(x) (1)
其中q(x)为指定距离的热辐射强度,kW/m2;SEP为表面发射功率,kW/m2;F12(x)为视觉因子;τ(x)为大气透射率。
进一步的,对固体火焰模型中的最大质量燃烧速率与吸收系数进行改进计算热辐射值,计算所述热辐射值的步骤为:
S2-1、根据池火直径d和最大质量燃烧速率,通过式(2)计算LNG的质量燃烧速率mburn,进而通过式(3)确定总热释放速率Q;;
mburn=mmax(1-e-kβd) (2)
mmax为最大质量燃烧速率,d为池火直径,kβ为中间系数,e为指数计算的底数;
S2-2、根据式(4)与式(5)分别计算火焰长度L、火焰倾斜角θ;;
L为火焰长度,单位m;d为池火直径,单位m;mburn为质量燃烧速率,单位kg/m2-s;hc为甲烷的燃烧热,单位J/kg;ρa为空气密度,单位kg/m3;
cp为空气比热,单位J/kg-K;Ta为大气温度,单位K;g为重力加速度,单位m/s2;
S2-3、根据池火直径d,确定表面发射功率SEP,计算方式如式(6)所示;
SEP=SEPmax·(1-e-k·d)=190·(1-e-0.3·d) (6)
S2-4、根据L、θ以及目标监测点与火焰中心的距离x,确定LNG池火与目标监测点之间的视觉因子F12;
F12=f(L,θ,d,x) (7)
S2-5、根据已知的环境温度Ta和湿度RH,计算大气透射率τ,计算方式如下式所示;
为沿路径长度的水蒸气量;x为热辐射测量点到池火中心的距离,m;为沿路径长度的二氧化碳量;RH为相对湿度,单位%;Ta为环境温度,单位K;S2-6、根据固体火焰模型式(1)计算目标监测点处的热辐射强度;
S2-7、计算过程S2-1至S2-6输入Mathcad中,并对场景中目标人物位置到火焰中心的距离x进行读取,计算热辐射值。
进一步的,步骤3中,通过游戏开发软件建立LNG工厂的3D场景,模拟事故传播与蔓延:
S3-1、构建LNG工厂3D场景;
S3-2、设置场景中可燃物的燃烧特性,模拟事故发展方向与事故火焰传播范围;
S3-3、读取Mathcad软件对于目标人物在指定距离处热辐射测量结果,显示热辐射值与安全提示;
S3-4、根据目标任务变化位置,实时显示热辐射值与安全提示。
本发明所述的有益效果为:首先对于LNG池火灾热辐射计算方法,选择经过实验验证后最适合的最大质量燃烧速率、火焰表面热辐射强度等参数,通过固体火焰模型对事故的危害后果热辐射危害进行准确的计算,准确的事故后果计算是化工厂布局分析以及正确逃生路线的制定的前提;对事故场景进行精细还原以及交互功能的简单设计对不具相关工程专业知识的人来说,理解难度小,操作简单并且有较强的体验感;在进行事故后果体验以及应急时,操作者可直接根据事故的演化以及事故火灾释放的热辐射危害制订合理的逃生路线。该方法对提高重点人员对事故的认识、事故逃生以及应急响应经验的积累都具有指导意义,同时可以指导化工厂区的布局,以防止危害事故的进一步发生。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解,下面根据具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明所述方法的流程图;
图2是本发明方案的效果图。
具体实施方式
如图1所示,本发明所述的一种LNG池火灾3D事故场景构建和后果展示方法,步骤为:
S1、根据LNG的燃烧特性,根据LNG池火实验确定最大质量燃烧速率与火焰长度计算参数,建立LNG池火灾事故后果计算的固体火焰模型;所述固体火焰模型为式(1)
q(x)=SEP*F12(x)*τ(x) (1)
其中q(x)为指定距离的热辐射强度,kW/m2;SEP为表面发射功率,kW/m2;F12(x)为视觉因子;τ(x)为大气透射率。
S2、根据建立的固体火焰模型,计算目标位置所受热辐射值;
对固体火焰模型中的最大质量燃烧速率与吸收系数进行改进计算热辐射值,计算所述热辐射值的步骤为:
S2-1、根据池火直径d和最大质量燃烧速率,通过式(2)计算LNG的质量燃烧速率mburn,进而通过式(3)确定总热释放速率Q;;
mburn=mmax(1-e-kβd) (2)
mmax为最大质量燃烧速率,本实施例中取实验得到的优选数值0.14kg/m2-s;kβ为中间系数,本实施例中取实验得到的优选数值0.41;d为池火直径,e为指数计算的底数;
S2-2、根据式(4)与式(5)分别计算火焰长度L、火焰倾斜角θ;;
L为火焰长度,单位m;d为池火直径,单位m;mburn为质量燃烧速率,单位kg/m2-s;hc为甲烷的燃烧热,取值为50*106J/kg;ρa为空气密度,~1.2kg/m3cp为空气比热,取值为1006J/kg-K;Ta为大气温度,取值为298.15K;g为重力加速度,9.81m/s2;
S2-3、根据池火直径d,确定表面发射功率SEP,计算方式如式(6)所示;
SEP=SEPmax·(1-e-k·d)=190·(1-e-0.3·d) (6)
S2-4、根据L、θ以及目标监测点与火焰中心的距离x,确定LNG池火与目标监测点之间的视觉因子F12;
F12=f(L,θ,d,x) (7)
S2-5、根据已知的环境温度Ta和湿度RH,计算大气透射率τ,计算方式如下式所示;
S2-6、根据固体火焰模型式(1)计算目标监测点处的热辐射强度;
S2-7、计算过程S2-1至S2-6输入Mathcad中,并对场景中目标人物位置距离火焰中心的距离x进行读取,计算热辐射值。
S3、通过游戏开发软件建立LNG工厂的3D场景,并设置工厂中可燃物质的特性,与热辐射测量结果结合,得出燃烧物质的类别与燃烧范围,计算事故后果以及直观的模拟事故火焰传播范围与发展后果。
S3-1、构建LNG工厂3D场景;
S3-2、设置场景中可燃物的燃烧特性,模拟事故发展方向与事故火焰传播范围;
S3-3、读取Mathcad软件对于目标人物在指定距离处热辐射测量结果,显示热辐射值与安全提示;
S3-4、根据目标任务变化位置,实时显示热辐射值与安全提示。
下面结合实例进行说明:某LNG化工厂储罐发生泄漏,在地面形成了直径为35m的池火灾。根据S2-1至S2-6步骤进行计算,选择池火为圆形且直径d=35m,危险化学品为LNG,环境温度为298.15K,空气相对湿度为54%,风速为8.55m/s。通过代码读取场景中人物距池火中心位置x=100,105,135,155m,计算不同距离下的热辐设,计算结果进行举例如表1所示:
表1.部分计算结果展示
距火焰中心距离(m) | 热辐射(kW/m2) |
100 | 17.916 |
105 | 15.206 |
135 | 6.638 |
155 | 4.329 |
场景中根据不同热辐射值进行不同程度提示,例如当距离为100和105m时,所受到的热辐射远远大于人体所能承受的7.5kW/m2的热辐射值,系统自动提示为危险死亡区域。而在135m时,人体所受到的热辐射大于5kW/m2而小于7.5kW/m2,系统提示人员处于预警受伤区域。在155m时,人体所受到的热辐射小于5kW/m2,系统提示为安全区域。
固体火焰模型对于火灾的热辐射计算具有良好的适用性,但是计算尤为复杂,还涉及空气湿度、燃料的燃烧热等因素。经过对计算公式的分析并且对比实验获得的实测数据,选取最佳的计算参数,得到最适合LNG池火灾热辐射的计算方法。利用Mathcad工程计算软件,编辑了热辐射计算过程,方便计算;同时通过Epplus插件读取Mathcad计算后导出的结果,对计算结果进行可视化处理,包括火焰长度、火焰高度以及火焰倾斜角度和热辐射大小。对事故的发展以及热辐射影响范围进行直观的体现。
本发明所述的方法中,通过构建固体火焰模型,使用者只需输入温度,风速,池火直径等基础的信息,就可以得到准确的事故后果;本发明通过对准确的事故后果计算、化工场景精细还原以及交互功能的结合,使展示的事故后果更具有可信度,并且在保证事故后果计算准确的前提下,让人们更加容易理解事故的危害以及加强危患意识,提升人员在事故中的逃生意识与技能,并且对于指导对化工厂区的布局,员工安全教育,以及应急响应模拟都具有一定的指导意义。
以上所述仅为本发明的优选方案,并非作为对本发明的进一步限定,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种LNG池火灾3D事故场景构建和后果展示方法,其特征在于,所述方法的步骤为:
S1、根据LNG的燃烧特性,构建LNG池火灾事故后果计算的固体火焰模型;
S2、根据建立的固体火焰模型,采用Mathcad工程计算软件,计算目标位置所受热辐射值;
S3、建立LNG工厂的3D场景,并设置工厂中可燃物质的特性,对泄漏事故场景进行模拟计算;将热辐射测量结果与泄漏事故场景模拟计算结果结合,得出燃烧物质的类别与燃烧范围,通过三维动画形式展示模拟事故火焰传播范围与发展后果。
2.根据权利要求1所述的一种LNG池火灾3D事故场景构建和后果展示方法,其特征在于,利用固体火焰模型对LNG池火灾进行后果计算,所述固体火焰模型为式(1)
q(x)=SEP*F12(x)*τ(x) (1)
其中q(x)为指定距离的热辐射强度,kW/m2;SEP为表面发射功率,kW/m2;F12(x)为视觉因子;τ(x)为大气透射率。
3.根据权利要求2所述的一种LNG池火灾3D事故场景构建和后果展示方法,其特征在于,对固体火焰模型中的最大质量燃烧速率与吸收系数进行改进计算热辐射值,计算所述热辐射值的步骤为:
S2-1、根据池火直径d和最大质量燃烧速率,通过式(2)计算LNG的质量燃烧速率mburn,进而通过式(3)确定总热释放速率Q;
mburn=mmax(1-e-kβd) (2)
mmax为最大质量燃烧速率,d为池火直径,kβ为中间系数,e为指数计算的底数;
S2-2、根据式(4)与式(5)分别计算火焰长度L、火焰倾斜角θ;
L为火焰长度,单位m;d为池火直径,单位m;mburn为质量燃烧速率,单位kg/m2-s;hc为甲烷的燃烧热,单位J/kg;ρa为空气密度,单位kg/m3;
cp为空气比热,单位J/kg-K;Ta为大气温度,单位K;g为重力加速度,单位m/s2;
S2-3、根据池火直径d,确定表面发射功率SEP,计算方式如式(6)所示;
SEP=SEPmax·(1-e-k·d)=190·(1-e-0.3·d) (6)
S2-4、根据L、θ以及目标监测点与火焰中心的距离x,确定LNG池火与目标监测点之间的视觉因子F12;
F12=f(L,θ,d,x) (7)
S2-5、根据已知的环境温度Ta和湿度RH,计算大气透射率τ,计算方式如下式所示;
S2-6、根据固体火焰模型式(1)计算目标监测点处的热辐射强度;
S2-7、计算过程S2-1至S2-6输入Mathcad中,并对场景中目标人物位置距离火焰中心距离x进行读取,计算热辐射值。
4.根据权利要求1所述的一种LNG池火灾3D事故场景构建和后果展示方法,其特征在于,步骤3中,通过游戏开发软件建立LNG工厂的3D场景,模拟事故传播与蔓延:
S3-1、构建LNG工厂3D场景;
S3-2、设置场景中可燃物的燃烧特性,模拟事故发展方向与事故火焰传播范围;
S3-3、读取Mathcad软件对于目标人物在指定距离处热辐射测量结果,显示热辐射值与安全提示;
S3-4、根据目标任务变化位置,实时显示热辐射值与安全提示。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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