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摘要：随着化学工业的迅速发展，化工厂储存易燃、易爆等危险化学品数量越来越多，其危险性也越大。本文分析了某化工厂储罐区危险物质的危险性，通过MATLAB编程，对该灌区发生蒸气云爆炸事故后果进行模拟，得出其伤害区域，并将计算结果以图形的形式表示出来，安全人员能直观地判断和分析事故后果，有利于制定相应的预防和应急措施。同时，利用MATLAB程序使整个评价过程更加简洁高效。
关键词：危险化学品；安全评价；MATLAB；蒸气云爆炸
the application of MATLAB on safety evaluation of the irrigation area of dangerous chemicals
Liang Jinyan Pang Qizhi Wang Lixia Hua Shui
（Faculty of Engineering， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China）
Abstract： With the rapid development of the chemical industry， the quantity of hazardous chemicals， which are inflammable and explosive， is more and more， and the risk is more big. This paper analyzes the hazardous characteristics of dangerous substances in a chemical plant tank area， simulates accident consequences and achieves the damage area by MATLAB programming when vapor cloud explosion happens. The calculated results are showed in the form of graphic， thus security personals can intuitively judge and analyze accident consequence in order to formulate corresponding prevention and emergency measures. At the same time， MATLAB makes the whole evaluation process more concise and high efficiency.
Key words： Dangerous chemicals；Safety evaluation；MATLAB；Vapor cloud explosion
1、引言
随着化学工业的迅速发展，化工生产工艺过程中处理和储存易燃、易爆等危险物质的数量也越来越多，潜在危险性越来越大。在储罐中，危险化学品的量相对集中，不可避免地发生泄漏事故，一旦储罐发生泄漏、火灾爆炸，轻则影响装置安全生产，重则造成人员伤亡的严重后果。所以对危险化学品储罐区进行危险性评价，得出其伤害区域，对储罐区的安全管理具有非常重要的意义。
本文通过MATLAB编程，对储罐区蒸气云爆炸模型进行分析和后果模拟，得出了死亡、重伤、轻伤的区域半径，进而对伤害区域进行了划分，并用各种图形表示出来，同时也证明了MATLAB在危险化学品储罐区安全评价中具有一定的计算和分析优势，减少计算工作量，缩短评价周期，提高效率。
2、危险化学品灌区危险性分析
某化工企业储罐区存有甲醇、甲基叔丁基醚、液化石油气、碳4四种危险化学品，进行安全评价前有必要了解他们的理化性质。
甲醇、甲基叔丁基醚属于GB3.2类易燃液体，而C4馏分、液化石油气属于GB2.1类易燃气体，前三种物质泄漏易与空气形成爆炸性混合物，与明火易引起燃烧与爆炸。
某化工厂目前储罐区情况如表1所示
经过危险化学品重大危险源识别与分级的计算得出：则该化工厂储罐区不仅构成重大危险源，而且还是一级危险化学品重大危险源。
3、蒸气云爆炸模型
蒸气云爆炸是指可燃气体或蒸气与空气的云状混合物在开阔地上空遇到点火源引发的爆炸。它的发生有一定的条件，包括一定量的气体泄漏，并与周围空气预混、延迟点火、局限化的空间等。灌区的气体以液态储存，如果瞬间泄漏遇到迟点火，或以气体储存时泄漏到空气中， 泄漏的气体如果没有发生沸腾液体膨胀蒸汽云爆炸现象或立即引发大火，就会在一定的范围聚集起来，形成预混蒸汽云。如果在稍后的某一时刻遇火点燃，由于气液两相物质已经与空气充分混合均匀，一经点燃其过程极为剧烈，火焰前沿速度可达50～100m/s，形成爆燃。对蒸汽云覆盖范围内的建筑物及设备产生冲击波破坏，危及人们的生命安全[1]。
由2可知该化工厂储罐区构成了一级重大危险源，而且储存的这几种物质本身危险性都很大，又都是爆炸性气体和易挥发性液体，在储罐中可能会有各种意外原因发生泄漏，泄漏后随着风向扩散，与周围空气混合形成易燃易爆混合物，达到爆炸下限遇明火就会发生蒸气云爆炸。由此可知该储罐区一旦发生蒸汽云爆炸事故后果会很严重，所以很有必要对其危险性进行定量的分析。
3.1、蒸气云爆炸能量的计算
储罐区形成的蒸气云爆炸产生的能量采用TNT当量法，可由下式计算：
■ （1）
式中，α为蒸气云当量系数，取α=0.04；Wf为泄漏介质在大气中的质量，kg；Qf为储罐内介质的燃烧热，MJ／kg；QTNT为TNT爆热，取QTNT=4.2 MJ／kg。 3.2、冲击波伤害模型[2]
在安全分析中，通常把冲击波超压所破坏的范围分为人员伤害分区和财产损失分区，人员伤害区又可分为死亡区，重伤区，轻伤区和安全区。
在死亡区中，人员若无防护将受到严重伤害或死亡。其半径可用下式计算：
R1=13.6（WTNT/1000）0.37 （2）
其中，WTNT为蒸气云爆炸时产生的TNT当量。
财产损失半径公式：
R2=4.6·WTNT1/3/【1+（3175/WTNT）2】1/6 （3）
其中，4.6为建筑物三级破坏系数
在得到云团中燃料质量的情况下，可按下式计算爆炸冲击波超压△Ps [3]
Ln（△Ps/Pa）=-0.9126-1.5058（LnZ）+0.1675（LnZ）2-0.0320（LnZ）3 （4）
0.3≤Z≤12 Z=R（E/Pa） （5）
E=1.8aWQC （6）
式中：△Ps为 冲击波正相最大超压（Pa）；Z为无量纲距离；Pa为环境压力；R为目标到爆源的水平距离（m）；E为爆源总能量（J）；W为蒸气云中对爆炸冲击波有实际贡献的燃料质量（Kg）；Qc为燃料的燃烧热（J/Kg）。
重伤半径R3和轻伤半径R4波面冲击波超压△Ps分别为44000 Pa和17000Pa，都是已给定值，根据其可计算出重伤、轻伤半径，但计算过程很复杂。
4、MATLAB实现蒸气云爆炸后果模拟
4.1 MATLAB 简介
MATLAB 是用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境 ，其应用范围包括信号与图像处理、通讯、控制系统设计、测试与测量、财务建模与分析以及计算生物学等众多应用领域 ，其附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境 ，以解决这些应用领域内特定类型的问题。MATLAB 语言结构简单 ，能够大大简化计算过程 。由于MATLAB强大的计算和绘图能力，大量简化对事故后果的计算分析，分析结果也能通过各种图形较直观地反映出来。而蒸气云爆炸模拟评价模型需要进行复杂计算，并输出大量数据的模型[4]。故本文选用 MATLAB 作为工具对该化工厂危化品灌区进行模拟。
4.2 后果的模拟
（1）TNT当量计算及图形结果。利用以上基本条件，根据公式（1）、公式（2）和公式（3），用MATLAB编程计算可得到4种物质蒸气云爆炸能量、死亡半径和财产损失半径；并画出直方图进行比较，如图1和图2所示。
（2）冲击波影响范围后果模拟。在MATLAB中，根据公式（4）编程得到4种物质的冲击波超压与距离的关系如图3所示，可以在图中直接读出重伤半径和轻伤半径。
5、结果分析
从图1和图2可以直接读出TNT当量，死亡半径和财产损失半径，得出TNT当量越大，其死亡半径和财产损失半径也越大，即甲基叔丁基醚的死亡半径和财产损失半径最大，根据表征最大可能危险的原理，建立爆炸模型时应选取贮满TNT当量最大物质的储罐，以表征爆炸事故的严重程度，即选取贮满甲基叔丁基醚的储罐的死亡半径131.24 m作为储罐区的死亡半径，354.84 m为财产损失半径。
当发生蒸气云爆炸时，图3可以很直观地反映出4种物质冲击波超压随距离的变化情况，而且利用MATLAB工具可以根据重伤和轻伤的冲击波超压直接读出4种物质的重伤半径和轻伤半径，结果如图4所示：
6、结论
利用MATLAB软件进行编程，不仅能够解决原本繁琐复杂的计算和分析，使安全分析与评价过程简单化，而且还能够将事故后果的计算结果多样化地反应出来，对安全工作者迅速准确地划分事故后果的伤害区域非常便利，能够更好地完善评价结果，为企业安全管理和应急管理提供准确的依据，以便采取更有效的预防措施，提高企业的安全管理水平。根据事故后果计算中不同的精确度要求，安全人员可以自主调节步长，以达到更好的计算和模拟效果。
参考文献：
[1] 魏伴云.火灾与爆炸灾害安全工程学[M].武汉：中国地质大学出版社，2004.
[2] 艾唐伟，陆愈实，徐小贤.MATLAB 在储罐区蒸气云爆炸分析中的运用[J].工业安全与环保，2009，35（2）：31-32.
[3] 杨波，徐娇. MATLAB在专用线危险品装卸区安全评价中的应用[J].铁道运输与经济，2011，33（3）：47-51.
[4] 杨倩，宋建池.蒸气云火灾爆炸模型模拟计算软件的开发与应用[J].河南化工，2008.1（25）：45-46.
[5] 王 颖，伍 颖，陈宁宁等.基于 MATLAB 平台的凝聚相爆炸模型的分析与程序实现[J]. 工业安全与环保，2009，35（11）：38-40.
作者简介：
梁金燕，1987年生，女，硕士研究生，从安全管理的研究，
王莉霞， 1987年，女，硕士研究生，主要从事安全检测与控制研究工作。
滑帅，1987年生，男，硕士研究生，从事工业安全和公共安全研究工作。
通讯作者：庞奇志，1966 ，女，副教授，主要从事安全风险管理的研究。
科学研究
据物理学家组织网、《天文学》杂志在线版消息称，天文学家去年发现的名为“雨燕J1644+57”的高能辐射源，原是一颗恒星在被超大质量黑洞撕碎时发出的“求救”耀斑，近日研究人员在《科学》网站发布报告称，他们发现“已故”恒星残存的余晖，在围绕着“凶手”黑洞旋转并发出X射线，这是45亿光年外物质落入黑洞发出的挣扎信号，其给了科学家一次绝无仅有的机会，去探索一个重量可能接近千万个太阳质量的黑洞的性质，以及能在一个超大尺度中去重测爱因斯坦相对论。
关键词：危险化学品；安全评价；MATLAB；蒸气云爆炸
the application of MATLAB on safety evaluation of the irrigation area of dangerous chemicals
Liang Jinyan Pang Qizhi Wang Lixia Hua Shui
（Faculty of Engineering， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China）
Abstract： With the rapid development of the chemical industry， the quantity of hazardous chemicals， which are inflammable and explosive， is more and more， and the risk is more big. This paper analyzes the hazardous characteristics of dangerous substances in a chemical plant tank area， simulates accident consequences and achieves the damage area by MATLAB programming when vapor cloud explosion happens. The calculated results are showed in the form of graphic， thus security personals can intuitively judge and analyze accident consequence in order to formulate corresponding prevention and emergency measures. At the same time， MATLAB makes the whole evaluation process more concise and high efficiency.
Key words： Dangerous chemicals；Safety evaluation；MATLAB；Vapor cloud explosion
1、引言
随着化学工业的迅速发展，化工生产工艺过程中处理和储存易燃、易爆等危险物质的数量也越来越多，潜在危险性越来越大。在储罐中，危险化学品的量相对集中，不可避免地发生泄漏事故，一旦储罐发生泄漏、火灾爆炸，轻则影响装置安全生产，重则造成人员伤亡的严重后果。所以对危险化学品储罐区进行危险性评价，得出其伤害区域，对储罐区的安全管理具有非常重要的意义。
本文通过MATLAB编程，对储罐区蒸气云爆炸模型进行分析和后果模拟，得出了死亡、重伤、轻伤的区域半径，进而对伤害区域进行了划分，并用各种图形表示出来，同时也证明了MATLAB在危险化学品储罐区安全评价中具有一定的计算和分析优势，减少计算工作量，缩短评价周期，提高效率。
2、危险化学品灌区危险性分析
某化工企业储罐区存有甲醇、甲基叔丁基醚、液化石油气、碳4四种危险化学品，进行安全评价前有必要了解他们的理化性质。
甲醇、甲基叔丁基醚属于GB3.2类易燃液体，而C4馏分、液化石油气属于GB2.1类易燃气体，前三种物质泄漏易与空气形成爆炸性混合物，与明火易引起燃烧与爆炸。
某化工厂目前储罐区情况如表1所示
经过危险化学品重大危险源识别与分级的计算得出：则该化工厂储罐区不仅构成重大危险源，而且还是一级危险化学品重大危险源。
3、蒸气云爆炸模型
蒸气云爆炸是指可燃气体或蒸气与空气的云状混合物在开阔地上空遇到点火源引发的爆炸。它的发生有一定的条件，包括一定量的气体泄漏，并与周围空气预混、延迟点火、局限化的空间等。灌区的气体以液态储存，如果瞬间泄漏遇到迟点火，或以气体储存时泄漏到空气中， 泄漏的气体如果没有发生沸腾液体膨胀蒸汽云爆炸现象或立即引发大火，就会在一定的范围聚集起来，形成预混蒸汽云。如果在稍后的某一时刻遇火点燃，由于气液两相物质已经与空气充分混合均匀，一经点燃其过程极为剧烈，火焰前沿速度可达50～100m/s，形成爆燃。对蒸汽云覆盖范围内的建筑物及设备产生冲击波破坏，危及人们的生命安全[1]。
由2可知该化工厂储罐区构成了一级重大危险源，而且储存的这几种物质本身危险性都很大，又都是爆炸性气体和易挥发性液体，在储罐中可能会有各种意外原因发生泄漏，泄漏后随着风向扩散，与周围空气混合形成易燃易爆混合物，达到爆炸下限遇明火就会发生蒸气云爆炸。由此可知该储罐区一旦发生蒸汽云爆炸事故后果会很严重，所以很有必要对其危险性进行定量的分析。
3.1、蒸气云爆炸能量的计算
储罐区形成的蒸气云爆炸产生的能量采用TNT当量法，可由下式计算：
■ （1）
式中，α为蒸气云当量系数，取α=0.04；Wf为泄漏介质在大气中的质量，kg；Qf为储罐内介质的燃烧热，MJ／kg；QTNT为TNT爆热，取QTNT=4.2 MJ／kg。 3.2、冲击波伤害模型[2]
在安全分析中，通常把冲击波超压所破坏的范围分为人员伤害分区和财产损失分区，人员伤害区又可分为死亡区，重伤区，轻伤区和安全区。
在死亡区中，人员若无防护将受到严重伤害或死亡。其半径可用下式计算：
R1=13.6（WTNT/1000）0.37 （2）
其中，WTNT为蒸气云爆炸时产生的TNT当量。
财产损失半径公式：
R2=4.6·WTNT1/3/【1+（3175/WTNT）2】1/6 （3）
其中，4.6为建筑物三级破坏系数
在得到云团中燃料质量的情况下，可按下式计算爆炸冲击波超压△Ps [3]
Ln（△Ps/Pa）=-0.9126-1.5058（LnZ）+0.1675（LnZ）2-0.0320（LnZ）3 （4）
0.3≤Z≤12 Z=R（E/Pa） （5）
E=1.8aWQC （6）
式中：△Ps为 冲击波正相最大超压（Pa）；Z为无量纲距离；Pa为环境压力；R为目标到爆源的水平距离（m）；E为爆源总能量（J）；W为蒸气云中对爆炸冲击波有实际贡献的燃料质量（Kg）；Qc为燃料的燃烧热（J/Kg）。
重伤半径R3和轻伤半径R4波面冲击波超压△Ps分别为44000 Pa和17000Pa，都是已给定值，根据其可计算出重伤、轻伤半径，但计算过程很复杂。
4、MATLAB实现蒸气云爆炸后果模拟
4.1 MATLAB 简介
MATLAB 是用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境 ，其应用范围包括信号与图像处理、通讯、控制系统设计、测试与测量、财务建模与分析以及计算生物学等众多应用领域 ，其附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境 ，以解决这些应用领域内特定类型的问题。MATLAB 语言结构简单 ，能够大大简化计算过程 。由于MATLAB强大的计算和绘图能力，大量简化对事故后果的计算分析，分析结果也能通过各种图形较直观地反映出来。而蒸气云爆炸模拟评价模型需要进行复杂计算，并输出大量数据的模型[4]。故本文选用 MATLAB 作为工具对该化工厂危化品灌区进行模拟。
4.2 后果的模拟
（1）TNT当量计算及图形结果。利用以上基本条件，根据公式（1）、公式（2）和公式（3），用MATLAB编程计算可得到4种物质蒸气云爆炸能量、死亡半径和财产损失半径；并画出直方图进行比较，如图1和图2所示。
（2）冲击波影响范围后果模拟。在MATLAB中，根据公式（4）编程得到4种物质的冲击波超压与距离的关系如图3所示，可以在图中直接读出重伤半径和轻伤半径。
5、结果分析
从图1和图2可以直接读出TNT当量，死亡半径和财产损失半径，得出TNT当量越大，其死亡半径和财产损失半径也越大，即甲基叔丁基醚的死亡半径和财产损失半径最大，根据表征最大可能危险的原理，建立爆炸模型时应选取贮满TNT当量最大物质的储罐，以表征爆炸事故的严重程度，即选取贮满甲基叔丁基醚的储罐的死亡半径131.24 m作为储罐区的死亡半径，354.84 m为财产损失半径。
当发生蒸气云爆炸时，图3可以很直观地反映出4种物质冲击波超压随距离的变化情况，而且利用MATLAB工具可以根据重伤和轻伤的冲击波超压直接读出4种物质的重伤半径和轻伤半径，结果如图4所示：
6、结论
利用MATLAB软件进行编程，不仅能够解决原本繁琐复杂的计算和分析，使安全分析与评价过程简单化，而且还能够将事故后果的计算结果多样化地反应出来，对安全工作者迅速准确地划分事故后果的伤害区域非常便利，能够更好地完善评价结果，为企业安全管理和应急管理提供准确的依据，以便采取更有效的预防措施，提高企业的安全管理水平。根据事故后果计算中不同的精确度要求，安全人员可以自主调节步长，以达到更好的计算和模拟效果。
参考文献：
[1] 魏伴云.火灾与爆炸灾害安全工程学[M].武汉：中国地质大学出版社，2004.
[2] 艾唐伟，陆愈实，徐小贤.MATLAB 在储罐区蒸气云爆炸分析中的运用[J].工业安全与环保，2009，35（2）：31-32.
[3] 杨波，徐娇. MATLAB在专用线危险品装卸区安全评价中的应用[J].铁道运输与经济，2011，33（3）：47-51.
[4] 杨倩，宋建池.蒸气云火灾爆炸模型模拟计算软件的开发与应用[J].河南化工，2008.1（25）：45-46.
[5] 王 颖，伍 颖，陈宁宁等.基于 MATLAB 平台的凝聚相爆炸模型的分析与程序实现[J]. 工业安全与环保，2009，35（11）：38-40.
作者简介：
梁金燕，1987年生，女，硕士研究生，从安全管理的研究，
王莉霞， 1987年，女，硕士研究生，主要从事安全检测与控制研究工作。
滑帅，1987年生，男，硕士研究生，从事工业安全和公共安全研究工作。
通讯作者：庞奇志，1966 ，女，副教授，主要从事安全风险管理的研究。
科学研究
据物理学家组织网、《天文学》杂志在线版消息称，天文学家去年发现的名为“雨燕J1644+57”的高能辐射源，原是一颗恒星在被超大质量黑洞撕碎时发出的“求救”耀斑，近日研究人员在《科学》网站发布报告称，他们发现“已故”恒星残存的余晖，在围绕着“凶手”黑洞旋转并发出X射线，这是45亿光年外物质落入黑洞发出的挣扎信号，其给了科学家一次绝无仅有的机会，去探索一个重量可能接近千万个太阳质量的黑洞的性质，以及能在一个超大尺度中去重测爱因斯坦相对论。