二维EFFECTS软件模拟盐城化工厂爆炸事故

2019年3月21日下午，江苏省盐城市响水县陈家港化工园区天嘉宜化工有限公司发生爆炸事故。据中国地震台网测定，周边监测到2.2级地震，深度0千米。

事故造成的爆炸冲击波能量很大，对化工园区周围的房屋建筑物造成了影响，距离爆炸事故点直线距离为5公里外的玻璃也震碎了。

图1 新闻媒体报道截图

王商小学位于距离爆炸现场约1.5公里的陈家港镇，教室受损严重，教室内门窗破裂变形，地上满是玻璃碎片，学习用品散落一地。

图2 爆炸事故后的王商小学教室

根据目前有限的公开资料获知，爆炸物质为苯。

苯是常用的有机溶剂和化工合成原料，被广泛应用于合成橡胶、合成纤维、农药生产等行业中。苯具有易燃、易挥发的特点，其蒸汽与空气在一定范围内可形成混合性爆炸物。苯的爆炸上限为8%，下限为11.2%。当苯的蒸汽浓度达到爆炸范围时，遇火源会发生爆炸。苯的引爆能量小，如电气设备点火源、静电火花放电、金属撞击火花等，都可能引起爆炸。

针对生产装置内的苯起火燃烧并引发爆炸的事故场景，本文利用EFFECTS软件模拟装置容器的爆炸破裂，并将EFFECTS软件与其他7款类似模型(PHAST等)的部分功能和试验验证进行了简单比较。

假设苯的总量是6000立方米，采用EFFECTS软件中的"Decomposition of Materials"模型模拟苯的热反应和燃烧爆炸。通过爆炸模拟计算，得到爆炸超压范围分布如下图所示：

图3 EFFECTS软件模拟的爆炸超压范围分布

从上图可以看到，王商小学(绿色标记)处于爆炸压力0.1bar(10kPa)的黄色圆圈上，学校距离爆炸中心1.5公里；红色圆圈距离爆炸中心0.84公里，爆炸压力达到0.3bar(30kPa)；蓝色圆圈距离爆炸中心2.07公里，爆炸压力达到0.06bar(6kPa)。根据图1和图4提供的信息，3公里外镇中心玻璃被震碎，甚至在5公里外也有玻璃破碎，EFFECTS软件模拟的爆炸超压范围基本符合实际情况。

图4 爆炸冲击波(单位kPa)对建筑物的损坏情况

EFFECTS软件简介

荷兰国家应用科学研究院(TNO)编辑出版了国际公认的标准参照丛书，它们分别是“黄皮书”(有害物质泄漏的物理后果的计算方法)、“绿皮书”(有害物质泄漏对人或物体造成的可能损伤的计算方法)、“紫皮书”(定量风险评估指南)和“红皮书”(概率确定及计算方法)。这套定量风险丛书在全球流程工业及危化品领域备受推崇。TNO以这些资料为基础不断优化模型，研发了EFFECTS(后果)和RISKCURVES(风险)软件。

2018年12月挪威Gexcon公司与荷兰TNO成立了合资公司，收购了EFFECTS和RISKCURVES软件。

 

EFFECTS和全球其它的二维模拟模型比较

一、EFFECTS和PHAST功能比较

1，EFFECTS软件内部的模型公式完全公开透明并具有可追溯性(TNO四本丛书中有详细清晰的描述)，EFFECTS软件模拟结果全部经过TNO研发团队的人工验算验证。但是PHAST的UDM(Universal Dispersion Model)扩散模型，就像一个不透明的黑盒子，PHAST用户是无法知道UDM模型内嵌的经验计算公式，难以判断模拟结果的可靠性。

2，EFFECTS软件能够模拟任意多边形池火(适用于各种复杂的实际环境条件下的围堰及沟渠)。而PHAST只能模拟圆形池火。

3，EFFECTS软件可以模拟微风或者静风状态下的扩散(例如0.1m/s)。但PHAST只推荐用户模拟风速大于1m/s的计算场景。

4，EFFECTS软件采用动态沸腾液体膨胀蒸气爆炸模型(Dynamic Bleve Model)已有十多年的历史。但是该模型最近才被添加进入PHAST。

5，EFFECTS软件二十年前就包含的功能“顺风扩散(Along-wind diffusion (AWD))和短时间泄漏(Modelling of short duration releases)”，终于出现在最新的PHAST 8版本里(图5)。图6模拟一个压力容器的甲烷气体泄漏，泄漏持续时间分别是5秒和10秒。虽然PHAST 7(红色矩形)和PHAST 8(蓝色曲线)的模拟结果明显迥异，但是PHAST 8(蓝色曲线)与EFFECTS 10(紫色曲线)的模拟结果是逐渐趋同的。PHAST新增加的这个功能，可以理解为是对长期存在的模型缺陷的修改。

图5 DNV-GL网站介绍AWD新功能

(网页链接:

https://blogs.dnvgl.com/software/2017/02/explainer-what-is-along-wind-diffusion-awd-and-why-is-it-important-in-dispersion-modelling/)

图6 持续5秒和10秒的泄漏模拟结果比较(PHAST和EFFECTS)

二、EFFECTS和另外6种模型的试验验证比较

Burro试验是由美国Lawrence livemore国家实验室与海军兵器中心于1980年夏天在加利福尼亚州China Lake进行的一系列气体(8次LNG和1次液氮)扩散试验。选用Burro系列试验的3号试验数据对比7种模型结果。

Burro 3试验研究LNG在水面上溢溅后的顺风扩散场景，泄漏LNG总量是34公斤，泄漏时长是166秒，在顺风距离57米、140米、400米和800米分别设置了浓度观测点。软件模拟液池蒸发扩散，物质成分采用了100%的甲烷。

EFFECTS软件和另外6种模型比较------杜邦公司的TRACE、Radian公司的CHARM、ENSR公司的AIRTOX、美国海岸防卫队的DEGADIS、Quest公司的FOCUS和Technology and Management Systems公司的SAFEMOD。

图7 七种模型结果与试验数据比较(不同观察点的最大浓度值)

从上图中看到，4个EFFECTS模拟结果(红色圆点)与理想的Ideal数据(黑色实线)距离最近。在7种模型中，EFFECTS的模拟结果误差最小。

EFFECTS提供超过50种不同的计算模型，包含泄漏、蒸发、火灾、爆炸、扩散、破损等，模型可使用一种称为“链接”的方法将计算结果作为其他模型的输入传送。通过链接，从最初的泄漏到爆炸引起的超压或毒性计量结果等最终影响的整个过程，可以模拟设备泄漏情况的完整链条。EFFECTS软件自带一个完整的行业标准化学品数据库，包含数千种有毒和易燃数值和所有热力学性质。EFFECTS和RISKCURVES软件支持Google Earth、Openstreetmap和Esri等多种地图数据导入。目前该软件由于模拟结果可靠、用户操作简单、购买价格优惠等特点，在全球市场有大量的用户。

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来源：公众号“FLACS爆炸风险咨询”

本篇文章来源于微信公众号: 南流坊