一种基于立式储罐本体泄漏口处液体落地水平距离S计算模型的制作方法

本发明涉及立式液体储罐泄漏安全
技术领域：
，具体是一种基于立式储罐本体泄漏口处液体落地水平距离s计算模型。
背景技术：
：企业中储存易燃易爆有毒性质的液体储罐一旦发生泄漏，将会造成严重的后果，易燃易爆有毒液体泄漏后形成的扩散气体，在空间借助风力作用扩散，与空气混合稀释，一旦达到爆炸极限，形成爆炸性混合物，遇明火、高热就极有可能引起燃烧爆炸；且有毒液体泄漏扩散后形成的毒性气体，人体吸入过量后，会影响人的正常生理功能，甚至会造成工作场所人员中毒死亡。因此，具有易燃易爆有毒性质的液体储罐区域都应被重点监控。目前，迫切需要寻找出一种可预先快速计算出液体储罐泄漏情况的方法，能够为事故预防提供有效的理论计算参考数据，同时可以为储罐防火堤设置、易燃易爆有毒危险化学品的探测器安装等防护问题上提供有力的科学依据，用于各种储存液体储罐泄漏安全问题分析，在工业安全分析方面有广阔的应用前景。技术实现要素：基于上述存在问题，本发明的目的在于，提供一种基于立式储罐本体泄漏口处液体落地水平距离s计算模型，本发明通过已知参数储罐泄漏口距水平地面高度h1，快速计算出任意泄漏口处泄漏出液体落至地面的水平距离s，进而推算泄漏口处液体落地最远水平距离smax，可用于各种储存液体储罐泄漏安全问题分析，确定易燃易爆、有毒泄漏液体波及范围，为储罐防火堤设置、易燃易爆有毒危险化学品的探测器安装提供科学依据，同时也可为事故预防提供有效的理论计算参考数据，为事故救援提供准确安全防护距离，科学制定事故应急救援方案、开展有效救援，减少救援事故损失，在工业安全分析方面有广阔的应用前景。本发明提供的方案为：一种基于立式储罐本体泄漏口处液体落地水平距离s计算模型，包括建立立式液体储罐泄漏模型，确定储罐任意一泄漏口处，泄漏口距离水平地面的高度及该泄漏口处流出液体落地水平距离之间关系；通过已知参数储罐泄漏口距水平地面高度h1，快速计算出任意泄漏口处泄漏液体落地水平距离s；其计算关系公式为：其中，公式中h1为储罐泄漏口距水平地面高度，m；p’为储罐内泄漏口上方压力，pa；ρ为储罐内液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；h为储罐原始液体高度，m；δh为储罐内液面下降高度，m；c0为泄漏系数。进一步地，由储罐泄漏口距水平地面高度h1计算泄漏口处泄漏液体落地水平距离s模型建立，具体包括如下步骤：步骤一：建立储罐泄漏口处泄漏出流液体速度v模型液体泄漏时，储罐内液面下降的静压能和势能，转化为泄漏口液体流出的动能，根据机械能守恒定律，可得到所述储罐内液面的下降速度为：由质量守恒定律可知储罐内部的泄漏液面下降重量与储罐泄漏口处泄漏出的液体重量相同，即：a1v1＝av(2)，结合前式(1)、(2)可得储罐泄漏口处泄漏出流液体速度为：其中，a为储罐泄漏口面积，m2；a1为储罐水平横截面积，m2；h为储罐原始液体高度，m；h1为储罐泄漏口距水平地面的高度，m；p’为储罐内泄漏口上方压力，pa；ρ为储罐内液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；c0为泄漏系数；t为储罐原始液位下降到泄漏口位置需要的泄漏时间，s；步骤二：建立储罐内原始液位h下降到泄漏口位置需要的泄漏时间t关系模型当液体从储罐泄漏口泄漏后落至地面，此时泄漏口处的液体受重力和储罐内部原始液位高度的压力作用，泄漏液体做类平抛运动；(若不考虑其他影响因素，如风速、风向、恶劣天气状况、孔口拔塞等影响)，根据平抛运动模型，则液体由泄漏口落到地面的时间为：泄漏口处液体落地水平泄漏距离为：由公式(4)、(5)可得储罐内原始液位下降到泄漏口位置需要的泄漏时间为：其中，h1为储罐泄漏口距水平地面的高度，m；v为储罐泄漏口处泄漏出流液体速度，m/s；c0为泄漏系数；a为储罐泄漏口面积，m2；a1为储罐水平横截面积，m2；h为储罐原始液体高度，m；p’为储罐内泄漏口上方压力，pa；ρ为储罐内液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；t为储罐原始液位下降到泄漏口位置需要的泄漏时间，s；步骤三：建立储罐内水平液面下降高度δh与泄漏口处液体落地水平距离s模型储罐发生泄漏后罐内水平液面下降高度为：将公式(7)带入到公式(6)，即得到储罐内水平液面下降高度δh与所述泄漏口处液体落地水平泄漏距离s的关系：其中，a为储罐泄漏口面积，m2；a1为储罐水平横截面积，m2；h为储罐原始液体高度，m；δh为储罐内液面下降高度，m；h1为储罐泄漏口距水平地面的高度，m；p’为储罐内泄漏口上方压力，pa；ρ为储罐内液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；c0为泄漏系数；t为储罐原始液位下降到泄漏口位置需要的泄漏时间，s；根据本发明推导出来的计算模型可计算不同泄漏场景下储罐内液面下降高度δh与所述泄漏口处液体落地水平距离s的关系；且所述水平距离s与储罐内水平液面下降高度δh的关系曲线如图1所示；步骤四：建立储罐泄漏口距水平地面的高度h1与泄漏口处液体落地水平距离s模型根据求根公式，继续推导公式(8)，且所述泄漏口处液体落地水平距离s的物理意义知其数值为正值，即得到所述泄漏口处液体落地水平距离s与储罐泄漏口距水平地面高度h1的关系为：其中，h1为储罐泄漏口距水平地面的高度，m；p’为储罐内泄漏口上方压力，pa；ρ为储罐内液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；h为储罐原始液体高度，m；δh为储罐内液面下降高度，m；c0为泄漏系数。进一步地，所述公式(1)储罐内液面的下降速度v1的模型建立过程包括如下步骤：步骤一：构建泄漏口上方液体高度hl与泄漏后储罐内液面下降流速v1的模型根据现有标准《化工企业定量风险评价导则》(aq/t3046—2013)，当泄漏液体经储罐的泄漏孔流出时，其瞬时质量流量为：其瞬时体积流量为：由不可压缩液体连续性方程，可知：qv＝av(12)，由公式(10)、(11)、(12)可得：结合质量守恒定律及上式(13)，得到储罐内液面下降速度v1为：其中，a为储罐泄漏口面积，m2；a1为储罐水平横截面积，m2；p为储罐内液体压力，pa；p0为环境压力，pa；hl为泄漏口上方液体高度，m；ρ为储罐内液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；c0为泄漏系数；步骤二：构建储罐内液面下降速度变化率a1模型由于泄漏口上方储罐内液体高度为：hl＝h-h1-δh(15)，储罐内泄漏口上方压力为：p'＝p-p0(16)，根据(14)、(15)、(16)可得到：进而推导出引入a1为储罐内液面下降速度变化率，m/s2；对公式(18)进行微分后，令δh对v1求导，得到：其中，a为储罐泄漏口面积，m2；a1为储罐水平横截面积，m2；p为储罐内液体压力，pa；p0为环境压力，pa；hl为泄漏口上方液体高度，m；h为储罐原始液体高度，m；δh为储罐内液面下降高度，m；h1为储罐泄漏口距水平地面的高度，m；ρ为储罐内液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；c0为泄漏系数；步骤三：构建储罐内液面的下降速度v1的模型对连续泄漏一段时间内储罐内液面下降速度变化率a1进行不定积分，可得储罐内液面下降速度v1：其中，利用边界条件求积分常数c1，当t＝0时，v1为最大值，且δh＝0，故有：将公式(21)带入(20)中，即得到储罐内液面的下降速度：其中，a为储罐泄漏口面积，m2；a1为储罐水平横截面积，m2；p’为储罐内泄漏口上方压力，pa；h为储罐原始液体高度，m；h1为储罐泄漏口距水平地面高度，m；ρ为储罐内液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；c0为泄漏系数；c1为积分常数；t为储罐原始液位下降到泄漏口位置需要的泄漏时间，s。进一步地，所述泄漏系数c0是：液体从泄漏口流出液体的雷诺数和泄漏口直径的复杂函数得到的无量纲常数；按照如下情况取对应值：⑴当雷诺数＞100时，泄漏口为圆形或多边形，则c0取0.65；泄漏口为三角形，则c0取0.60；泄漏口为长方形，则c0取0.55；⑵当雷诺数≤100时，泄漏口为圆形或多边形，则c0取0.50；泄漏口为三角形，则c0取0.45；泄漏口为长方形，则c0取0.40；进一步地，当储罐本体发生泄漏时，即刚开始发生泄漏时s为最大值；当储罐本体泄漏即将结束时，即储罐内水平液面下降到泄漏口位置，此时s∞0m，直至罐内液面高度低于泄漏口所在的高度位置，此时s＝0m，泄漏停止。本发明具有以下有益效果：1.本发明能够根据储罐内不同水平液面下降高度δh得到其对应的泄漏口处泄漏液体落地水平距离s。能够根据此模型绘制出泄漏液体落地水平距离s随储罐内水平液面下降高度δh关系变化曲线。2.本发明能够根据储罐不同泄漏口距水平地面高度h1得到其所对应的泄漏口处泄漏液体落地水平距离s，同时可绘制出泄漏液体落地水平距离s与泄漏口距水平地面高度h1关系变化曲线。3.将本发明运用到工业生产中，可用于各种储存液体储罐泄漏安全问题分析，可为事故预防提供有效的理论计算参考数据，为降低储罐区域的风险提供理论依据。4.本发明方法适用于储存任意液体的立式储罐，尤其是化工企业涉及到生产、储存危化品的液体立式储罐，通过该方法，当储罐本体泄漏时，可确定液面下方任意泄漏口处泄漏液体落地水平距离s，包括最远水平距离smax，该距离有助于确定具有易燃易爆、有毒泄漏液体波及范围，为救援防护安全距离的确定提供准确数据，从而科学制定事故应急救援方案、开展有效救援，减少救援事故损失。附图说明附图1为本发明的所述泄漏液体落地水平距离s与储罐内水平液面下降高度δh的关系曲线。附图2为本发明的所述泄漏液体落地水平距离s与储罐泄漏口距水平地面高度h1的关系曲线。具体实施方式下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限制。以中石化油库的汽油储罐为例，计算该汽油储罐泄漏口泄漏液体落地水平距离s：(一)首先，收集所述汽油储罐相关参数来源于中石化某油库储罐信息，所述汽油储罐参数如下：储罐体积v为10000m3、内径d为30m、储罐高度h为19.341m、储罐内原有液体高度按h＝12m(储罐充装系数按0.84计算)；其具体相关参数见表1，表1汽油储罐相关参数表储罐类型储存物料储罐体积/m3储罐充装系数储罐内径/m储罐高度/m储罐内原始液体高度/m常压立式储罐汽油100000.843019.34112依据《化工企业定量风险评价导则》(aq/t3046-2013)8.1.1中规定了泄漏场景，泄漏口径大小可分为完全破裂以及孔泄漏两大类，有代表性的泄漏场景及孔径范围见表2，表2泄漏场景及泄漏口径取值依据《事故调查与分析技术》(第二版)6.2.1.2中泄漏量的计算内容：若常压立式储罐发生泄漏的裂口是规则的，则裂口形状有圆形、多边形、三角形、长方形。液体泄漏系数c0取值见表3。表3液体泄漏系数c0(二)建立汽油储罐的泄漏模型步骤一：构建泄漏口上方液体高度hl与泄漏后储罐内液面下降流速v1的模型当汽油储罐内汽油发生泄漏时，储罐内液面下降的静压能和势能，转化为泄漏口液体流出的动能，符合机械能守恒定律。当泄漏液体经储罐的泄漏孔流出时，其瞬时质量流量为：其瞬时体积流量为：由不可压缩液体连续性方程，可知：qv＝av(12)，由公式(10)、(11)、(12)可得：结合质量守恒定律及上式(13)，得到储罐内液面下降速度v1为：其中，a为储罐泄漏口面积，m2；a1为储罐水平横截面积，m2；p为储罐内液体压力，pa；p0为环境压力，pa；hl为泄漏口上方液体高度，m；ρ为储罐内液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；c0为泄漏系数；步骤二：构建储罐内液面下降速度变化率a1模型由于泄漏口上方储罐内液体高度为：hl＝h-h1-δh(15)，储罐内泄漏口上方压力为：p'＝p-p0(16)，根据(14)、(15)、(16)可得到：进而推导出引入a1为储罐内液面下降速度变化率，m/s2；对公式(18)进行微分后，令δh对v1求导，得到：其中，a为储罐泄漏口面积，m2；a1为储罐水平横截面积，m2；p为储罐内液体压力，pa；p0为环境压力，pa；hl为泄漏口上方液体高度，m；h为储罐原始液体高度，m；δh为储罐内液面下降高度，m；h1为储罐泄漏口距水平地面的高度，m；ρ为储罐内液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；c0为泄漏系数；步骤三：构建储罐内液面的下降速度v1的模型对连续泄漏一段时间内储罐内液面下降速度变化率a1进行不定积分，可得储罐内液面下降速度v1：其中，利用边界条件求积分常数c1，当t＝0时，v1为最大值，且δh＝0，故有：将公式(21)带入(20)中，即得到储罐内液面的下降速度：其中，a为储罐泄漏口面积，m2；a1为储罐水平横截面积，m2；p’储罐内泄漏口上方压力，pa；h为储罐原始液体高度，m；h1为储罐泄漏口距水平地面高度，m；ρ为储罐内液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；c0为泄漏系数；c1为积分常数；t为储罐原始液位下降到泄漏口位置需要的泄漏时间，s步骤四：建立储罐泄漏口处泄漏出流液体速度v模型当汽油储罐内汽油发生泄漏时，由质量守恒定律可知储罐内部的泄漏液面下降重量与储罐泄漏口处泄漏出的液体重量相同，即：a1v1＝av(2)，结合前式(1)、(2)可得储罐泄漏口处泄漏出流液体速度为：其中，a为储罐泄漏口面积，m2；a1为储罐水平横截面积，m2；h为储罐原始液体高度，m；h1为储罐泄漏口距水平地面的高度，m；p’为储罐内泄漏口上方压力，pa；ρ为储罐内液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；c0为泄漏系数；t为储罐原始液位下降到泄漏口位置需要的泄漏时间，s；步骤五：建立储罐内原始液位h下降到泄漏口位置需要的泄漏时间t关系模型当液体从储罐泄漏口泄漏后落至地面，若不考虑其他影响因素(风速、风向、恶劣天气状况、孔口拔塞等影响)，此时泄漏口处的液体受重力和储罐内部原始液位高度的压力作用，泄漏液体做类平抛运动；根据平抛运动模型，则液体由泄漏口落到地面的时间为：泄漏口处的液体落至地面的水平泄漏距离为：由公式(4)、(5)可得储罐内原始液位下降到泄漏口位置需要的泄漏时间为：其中，h1为储罐泄漏口距水平地面的高度，m；v为储罐泄漏口处泄漏出流液体速度，m/s；c0为泄漏系数；a为储罐泄漏口面积，m2；a1为储罐水平横截面积，m2；h为储罐原始液体高度，m；p’为储罐内泄漏口上方压力，pa；ρ为储罐内液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；t为储罐原始液位下降到泄漏口位置需要的泄漏时间，s；步骤六：建立储罐内水平液面下降高度δh与泄漏口处液体落地水平距离s模型储罐发生泄漏后罐内水平液面下降高度为：将公式(7)带入到公式(6)，即得到储罐内水平液面下降高度δh与所述泄漏口处液体落地水平距离s的关系：其中，a为储罐泄漏口面积，m2；a1为储罐水平横截面积，m2；h为储罐原始液体高度，m；δh为储罐内液面下降高度，m；h1为储罐泄漏口距水平地面高度，m；p’为储罐内泄漏口上方压力，pa；ρ为储罐内液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；c0为泄漏系数；t为储罐原始液位下降到泄漏口位置需要的泄漏时间，s；根据已知条件储罐内原始液面高度h、泄漏口距水平地面高度h1、泄漏口形状及孔径，由本发明计算公式(8)计算储罐内不同的液面下降高度δh所对应的泄漏口处液体落地水平距离s，实施例1至11为不同情况下的计算数值，其各实施例的计算结果见表4，其关系曲线如图1所示。表4实施例计算结果通过表4计算结果知，当储罐内液面高度h、距水平地面高度h1、泄漏口形状及孔径确定后，泄漏口处液体落地水平距离s随着储罐内液面下降高度δh的增大而呈现减小的趋势，见图1。可知，其他同等条件下，泄漏刚刚开始时，即储罐内液面下降高度δh为零时，泄漏口处液体落地水平距离s值最大，为5.3842m。步骤七：建立储罐泄漏口距水平地面的高度h1与泄漏口处液体落地水平距离s模型根据求根公式，继续推导公式(8)，且所述泄漏口处液体落地水平距离s的物理意义知其数值为正值，即得到所述泄漏口处液体落地水平距离s与储罐泄漏口距水平地面高度h1的关系为：其中，h1为储罐泄漏口距水平地面的高度，m；p’为储罐内泄漏口上方压力，pa；ρ为储罐内液体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；h为储罐原始液体高度，m；δh为储罐内液面下降高度，m；c0为泄漏系数。通过模拟储罐不同泄漏口距水平地面高度h1，计算出任意泄漏口处泄漏液体落地水平距离s；根据已知条件储罐内原始液面高度h，泄漏刚刚开始时，即储罐内液面下降高度δh为零时，实施例12至33为在不同泄漏口距水平地面高度h1情况下，泄漏口处液体落地水平距离s的计算数值，其各实施例的计算结果见表5，其关系曲线如图2所示。表5实施例计算结果通过表5计算结果知，当储罐内液面高度h、泄漏口形状及孔径确定，泄漏口距水平地面高度h1不定时，泄漏口处液体落地水平最远距离s见图2。由图2及表5中可知，其他同等情况下，当泄漏口距水平地面高度h1为9.0m时，泄漏口处液体落地水平距离为最大值smax为6.1740m。因此，该值smax即为泄漏液体的最大波及范围，在设置储罐防火堤或为事故救援提供准确的安全防护距离，有利于开展有效救援，减少救援事故损失，在工业安全分析方面有广阔的应用前景。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。当前第1页12