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三维风险分析方法的发展
国家云林科技大学，Touliu 640，台湾安全卫生与环境工程系
2007年4月16日收到; 2007年8月15日修订; 2007年9月3日接受
2007年9月5日在线
摘要
由于越来越多严重的自然灾难发生在过程行业，近年来对定量风险分析（QRA）的研究受到了重视。由于其计算复杂性，很少的软件，如SAFETI，可以真正做出风险提示符合实践要求。然而，传统的风险提示方法，如SAFETI的个人风险等值线，主要是基于分散建模的后果分析结果，其通常假定蒸气云分散在恒定的磨碎粗糙度上在平坦的地形上，没有障碍物和浓度波动，这与化学工厂的实际情况截然不同。所有这些模型通常会过度预测危险区域，以保持其原始性，这也增加了不确定性。然而，它无法解决风险计算的复杂性。
在这项研究中，概念三维（3D）风险计算通过一系列CFD模拟结果与一些后处理程序的结合提出了方法，以获得3D个别风险等面。相信这种技术不仅限于地面层面的风险分析，而且还可以扩展到空中，潜艇或空间风险分析在不久的将来。
copy;2007 Elsevier B.V.保留所有权利。
关键词：3D风险分析; 最大物理效应; 等值面；CFD； 储存罐; 液化石油气
介绍
在过去几十年里，由于植物的规模和复杂程度的增加，化工行业的灾难越来越多了。
虽然已经做了很多努力以减少化学品的规模和可能性事故。定量风险分析（QRA）[1-3]方法
最初用于航空航天电子和核能以及在化学生产行业。最近许多规定，如美国的风险管理计划 -和欧盟的SEVESO II指令都包含部分或大部分QRA技术预测潜在危害的严重性或可能性。常见的QRA技术，包括危害识别，结果分析，频率分析和风险计算要素是风险管理程序的一部分（见图1）。通过比较计算出的个人风险概况和社会风险曲线并根据一些风险标准，可以决定是否具有风险可接受性，需要减少其目标价值的风险。在过去的几十年里，有许多新的应用和开发的风险分析技术[4-11]。但是，这些风险分析方法只能预测某些风险值设施和人员这两个因素;这不可以区分在同一环境下不同级别高度的风险值。为了改善这一缺点，3D风险分析技术在研究中发展起来并应用于一系列火灾和爆炸模拟在储罐区内石油化工厂。本研究采用CFD软件[12-14]调查三个因素的影响（过压环境，脉冲压力和热辐射）在全方位分析危险性。通过应用自主研发的风险分析模块采用模拟结果从CFD中，可以根据这三个因素的结果估算3D个人风险值。
定义
A1-A4浮顶罐
B1-B4浮顶罐
D1-D2冷藏罐
E1-E2废油罐
F1或P超压（barg）
F2或J压力冲击（Pas）
F3或I热辐射（kW / m 2）
FI事件频率（1 /年）
FI 不同的物理参数
F i最大物理效应
G1-G4高压球形液化石油气罐
I1-I3点火点
IR 个人风险（个人/年）
I 指出危险的物理效应
I 在一定时间和位置内瞬态热辐射（kW / m 2）
K i，1，K i，2对应物理学的转换因子效果
n数量的危险物理效应
P I发射云的点火概率
PDi人员死亡率（％）
PWIDE 来自八方风的可能性
P Z 人员出现概率
T 辐射温度（K）
Ta 初始环境温度（K）
T 时间（s）
Te 经过时间间隔（s）
XHI X轴上的边界平面（坐标值最高）
XLO X轴边界平面（坐标值最小）
（x，y，z） 笛卡尔坐标
Yi 人员伤亡概率值
YHI Y轴上的边界平面（坐标值最高）
YLO Y轴上的边界平面（坐标值最低）
ZHI Z轴上的边界平面（坐标值最高）
ZLO Z轴上的边界平面（坐标值最低）
2.研究方法
2.1 物理模型
在模拟站点内,一种用于预测不同的危害，连带和不可比拟的事件的物理模型。在这项研究中，一种称为火灾和爆炸CFDFLACS [15-17]的软件被用作物理模型为了模拟“流体场的物理参数”（超压，冲击压力，温度和通风速度等）。FLACS由三部分构成：（1）CASD，可以建立一个三维模型，并设置不同参数用于模拟; （2）Flacs，其中编程3D数值模拟（3）（3）FlowVis，其将处理模块可以将模拟结果转换成可以从任何角度或任何横截面平面观察的任何2D / 3D格式。凭借其3D动态特性，FLACS可以方便了解那些传统的方法不能观察的许多空间和瞬态分布物理参数。
2.2 效应模型
效应模型可以采用物理模型的模拟结果。它可以用来评估人员受超压，压力冲击，或热辐射的伤害程度。 在这项研究中，效应模型是由Compaq Visual Fortran 6.6编程语言和METFOR 3.0 Fortran 90/95构造。为了计算火灾和爆炸的影响，从FLACS输出文件按顺序访问相关数据以及最终的结果并通过一系列3D死亡百分比图显示。为了预测灾害的有效水平的模拟
现场，在这项研究中，“最大物理效应”（x，y，z）在危险时间段内被提出用于模拟现场数值。 根据等式，不同的物理参数（F i（t，x，y，z），这是时间和笛卡尔坐标的函数）通过效果模型从FLACS输出文件访问然后处理和保存为时间独立“最大物理效应”（F i，max（x，y，z）） （1）.其中F 1，F 2和F 3代表过压（P），压力冲击（J）和热辐射（I）; 瞬态热辐射 在一定时间和位置，计算I（t，x，y，z）通过辐射经过时间间隔（t e（t，x，y，z）），
温度（T a）和辐射温度（T（t，x，y，z））（2）。 首先是“最大物理效应”被转换为“人员伤亡概率值”（Y i（x，y，z）） （3），其中K i，1和K i，2代表相关因素的物理效应，及其对应的物理含义在表1中变为“人员死亡百分比”（P Di（x，y，z））在某些不确定的事件中进行计算（见方程式 （4））。
表格1
概率值不同的物理参数的影响评估的概率公式
物理参数 概率公式
超压 Y 1（x，y，z）= -77.1 6.91ln [P max（x，y，z）]
压力脉冲 Y 2（x，y，z）= -46.1 4.82ln [J max（x，y，z）]
热辐射 Y 3（x，y，z）= -14.9 2.56ln [I max（x，y，z）]
图2. 模拟场地的设备布局; 符号“*”表示点火点
2.3。 风险量化
近年来，人们对个人差异的预测，受工厂内的员工死亡率以及某些危险事件所影响（火灾和爆炸事件在本研究中选择）。 效果模型的结果可以用于计算3D死亡率;后者可以进一步应用于通过结合大气环境条件，减少相关天气的影响，来预测每个个体的风险点火率和事故频率。 计算个人风险算法是康尼汀[1,2]的修订形式如式（5），其中IR（x，y，z）代表个人风险在特定位置; i和n分别为索引和危险物理影响的数量（超压，压力脉冲和热辐射; n等于3）;F1表示事故发生频率（1times;10 -7 /年在一个研究阶段）;P I代表释放云的点火概率（1代表100％点火）; P WIND代表来自八种不同风向的能力（见表2;为了简化计算，最大值（阴影块）
列2-9用于选择“代表风速”（列1中的阴影块）和底线上的值（阴影块）被用作“相应的风力概念能力”）; P Z（x，y，z）和P Di（x，y，z）分别表示表示人员出现概率和死亡率
它们属于坐标的函数。总个人风险是某些列举事件在不同危险物理影响下累积的风险值的总和。最终结果以3D显示，并以ISO表面的形式和叠加在3D工厂设施的布局，以方便相关人员的理解。
表格四 在FLACS模拟中使用的初始和边界条件
项目 单位 数值
重力常数 g / s 2 9.8
特性速度 m / s 1.5 a
相对湍流强度 - 0.05
湍流长度刻度 m 0.6
温度 ◦C 25
环境压力 Pa 101,325
地面高度 m 0
地面粗糙度 m 0.1
参考高度 m 11
纬度 度 23.5
帕斯奎尔类 - F
地面粗糙度条 - Rural
边界条件
项目 设置 内容
YLO,YHI,XLO 风 风速=1.5 am/s 风向：东风 起风时间0s
ZLO 风 风速为零
XHI,ZHI 平面波 -
a 将对风速和不同模拟方向进行调整根据表2的阴影区域。
2.4 模拟站点描述
选择了一个位于石油化工厂的仓库（460平方米，310万平方米），工厂，控制室和火炬灯，作为模拟研究。现场有三条宽阔的三十八米的道路和十六座位于不同地区的储罐（见图二），其中包括四个4.5万立方米的浮动顶储罐 （A1-A4号），四个1.5万立方米的浮顶储罐（No.B1-B4），两个2.5万立方米冷藏储罐（D1-D2），四个2500m 3高压球形液化石油气罐（No. G1-G4），和两个较小的废油箱（No.E1-E2）。圆柱形控制室负责控制转移和分配化学品，耀斑负责处理来自储油罐安全阀的应急排放的化学物质。
图3. 模拟场景的3D人口分布和设备布局（阴影区域）
通常人口分布将直接影响风险分析的结果，因此，有必要调查现场员工人数及相应的现象发生概率（P）。化工过程设施中的人力部署主要取决于员工的工作情况他们活动的特点。除此之外，人不会始终保持在同一个地方一整天，除非工作非常重要。因此，为保持工作或过程的不间断，需进行相应的轮班政策。在本次研究过程中，控制室和工厂是最集中的人力资源面积，其中有15人和8人，分别留在他们的岗位上每天轮番24小时工作。与此相反，只有六个人散开在各种大的空地上，他们的个人P Z值设置为0.1（见表3）。由于人和车必须使用这个道路网络来完成各种活动，于是分配了10人在这些道路上，它们的P Z值等于0.5。
假设在这项研究中，每个油箱必须通过操作员每小时的步行进行检查（10/60 = 0.167）由至少两名专家维持一周年（（1/50）times;（12/24）times;2 = 0.02），平均来说，有两个人是被分配到做这些工作和他们的个人P Z值被设置为0.2（0.167 0.02 =0.187asymp;0.2）。通常人们在工作
储罐位置将显示在储罐的顶端板上或在堤坝内的地面（见灰色地带图3模拟中的3D人口分布）。表3还列出了P Z值从高到低的排名如下：控制室ge;认证gt;现场道路gt;油罐周边
区域gt;空地。
图 4. 高温模拟结果及其相关计算效果：（a）火焰前进（47s）; （b）火焰前进（79s）;
（c）最高温度效应的温度等表面（700,1273和1573K）; （d）人员死亡率（1,50，和100％）的等面积; （e）东风下个人风险（3D视图）; （f）东风条件下个别的热辐射风险（投影视图的X-Y平面）
- 结果与讨论
WCS是一种常用的风险分析发生在某一进程区域内最严重危害的管理程序，在本次研究中，一个灾难性的破裂的G2的液化石油气储罐（图2中的darkarea）被选为案例研究。事件频率设定为1times;10 -7 /年，因为这种情况很少发生或几乎完全不可能[1
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