基于MapInfo多米諾事故熱輻射疊加分析與設計

常州大學信息科學與工程學院 劉 俊

常州大學石油工程學院 李俊華 嵇 煒

基于MapInfo多米諾事故熱輻射疊加分析與設計

常州大學信息科學與工程學院 劉 俊

常州大學石油工程學院 李俊華 嵇 煒

引入了多米諾的定義，給出事故多米諾效應定量評價的具體程序，在觸發多米諾效應發生條件和發生模式的基礎上，重點研究了多米諾事故熱輻射疊加算法分析，利用Mapinfo設計了多米諾事故熱輻射疊加分析軟件以及相應的設計步驟，解決較為復雜的重大事故多米諾效應概率疊加計算問題。研究結果可以根據發生概率更加形象地動態地預測事故進一步發展的趨勢，為救援指揮提供決策，對相關園區的安全管理和救援決策具有重要指導意義。

多米諾效應；熱輻射疊加；MapInfo；概率

1.引言

在我國經濟的迅猛發展過程中，各地化工企業也不斷增多，各地方政府為了對化工企業更好地進行管理，通常都是將大量的化工企業集中到化工園區。化工園區的建設雖然促進當地經濟和化工產業發展，但是同時也帶來了嚴峻的安全問題。由于園區中多數企業生產、儲存、使用、運輸著大量高溫高壓、易燃易爆、有毒有害的危險化學品，稍有不慎就有可能發生事故，破壞性很大。園區內某重大危險源一旦發生火災、爆炸，極易造成事故蔓延，影響鄰近裝置甚至會波及相鄰企業，引發災難性的多米諾效應事故。

國內外多米諾效應事故比普通事故造成了根據嚴重的危害和損失，如：1984年墨西哥城發生液化石油氣槽車爆炸碎片引發連鎖爆炸事故，燒毀建筑面積27公頃，造成544人死亡，1800多人受傷，120萬人疏散[1]。2008年8月26日清晨6時45分，廣西河池市宜州郊區最大的有機化工企業廣西維尼綸集團有限責任公司，有機車間突然發生爆炸，爆炸引發的火災導致各倉庫內裝有甲醇、乙炔、醋酸乙烯、液氯等易燃易爆物品的儲存罐連環爆炸，造成20人死亡，60人受傷，疏散工廠生活區的居民及附近15個自然屯的群眾共計1.1萬多人[2]。

由血淋淋的教訓可見，多米諾效應的研究十分有必要。在歐盟頒布的塞韋索法令II[3-4](Directive 96/82/EC)中規定，為了完善風險控制、風險評價和預防措施程序，要求有重大危險源的相關企業提交的安全報告中必須要有廠內和廠外多米諾效應分析的內容，以及可能產生多米諾效應的企業之間要共享危險源信息等，這一規定顯示出國外對多米諾事故的重視。目前在國內，關于重大危險源的多米諾效應方面研究主要在理論研究方面較多，但是因為化工園區里的企業在空間地域中分布隨機性很大，一旦發生事故，單從理論模型有時很難為園區的企業進行實時定量的分析，通過基于Mapinfo的地理信息系統可以將模型與空間地域相結合，能夠有效地對多米諾效應事故進行實時定量地分析，在救援決策支持中起到重要的作用。

2.多米諾效應概述

2.1 多米諾效應原理

由初始事故引起的2次或2次以上的事故從而造成嚴重后果的現象稱為事故多米諾效應[5]。

多米諾事故發生的必要條件：

(1)事故所形成破壞效應的范圍之內存在敏感裝置；

(2)破壞效應強度足夠大以致裝置失效；

表1 火災事故的多米諾效應的臨界值表

(3)破壞的發生存在極大的可能性[6]。

多米諾效應模式：初始單元發生火災或爆炸，所釋放的能量作用于二級或三級單元，在滿足上述條件的情況下導致2次事故，以此類推導致3次事故的發生，這種現象將繼續傳播直到下一個區域內沒有危險源為止，多米諾效應模式見圖1。

能夠觸發多米諾效應發生的事故類型主要有：①火災；②爆炸；③毒物泄漏；④以上3種情況同時或交叉發生[7]。

2.2 定量評價多米諾事故風險的流程

V.Cozzani等人在前期研究的基礎上，根據QRA的思想提出了定量評價多米諾事故風險的流程，如圖2所示。從圖2可看出，定量評價多米諾事故風險的關鍵技術為：臨界值標準和擴展概率的確定及可能二次事故組合的發生概率和后果計算。

2.3 多米諾效應臨界值的確定

目前多米諾效應研究中主要考慮了熱輻射、超壓和拋射破片這三種擴展向量對二次目標設備的損壞。但是筆者目前主要針對熱輻射進行基于MapInfo的定量分析，其余兩種基于MapInfo的定量分析將在后續的研究中討論分析。

從圖2看出，多米諾效應一般利用臨界值標準來辨識初始事故是否可能引起周圍設備的損壞。如果初始事故在給定位置處的物理量值大于設定的臨界值，則初始事故就有可能對該處的設備造成一定程度的損壞，有必要進一步對其產生的多米諾效應進行深入分析，否則認為初始事故不會對該處的設備造成影響，沒有必要再分析，因此臨界值標準在多米諾效應的定量評價中占據著非常重要的地位。表1總結了火災事故的多米諾效應的參考臨界值[8]。

2.4 多米諾效應熱輻射概率分析

當二級單元吸收源于一級單元事故釋放出的熱輻射能量后，會引起單元內的設備溫度升高、壓力增大和設備材質的許用應力等物理特性的變化。一旦設備壓力超過它的許用壓力或者器壁所受應力超過其許用應力就有發生爆炸或破裂的可能性。

熱輻射多米諾效應的概率模型，即“失效(ttf)”及ttf VS．熱輻射簡化模型的概率模型[9]：

常壓圓柱形立式容器：

高壓圓柱形水平容器：

式中：

tff：設備失效時間，s；

I：作用于目標設備的熱輻射強度，kW/M2；

V：設備體積或容積，M3；

由上可知，熱輻射多米諾效應的概率計算是以熱輻射強度和設備體積為基礎的。

3.多米諾事故熱輻射疊加算法分析

3.1 熱輻射強度的疊加

(1)如圖3所示，假設在A處發生一級池火事故為例(不失一般性，其他火災或爆炸事故公式不再一一列舉)。可以通過以下公式算出池火的熱輻射通量：

設液池為一半徑為r的圓形池，則液池燃燒時放出的總熱通量Q為：

式中，

r—液池半徑，m；

h—火焰高度，m；

η—效率因子，可取0.13-0.35；

HC—液體燃燒熱，J/kg；

假設全部輻射熱都是從液池中心點的一個微小的球面發出的則在距液池中心某一距離的入射熱輻射強度I為：

式中，Q—總熱輻射通量，W；

tc—空氣導熱系數；

x—對象點到液池中心距離。

(2)通過公式(2-1)和(2-2)可以算出池火事故熱輻射強度，并根據危險程度劃分若干個等級的危險區域，如圖3所示A1區、A2區、A3區，各區的熱輻射強度均值分別為IA1、IA2、IA3。假設B點有一個危險源在A3區的影響范圍之內，可以通過公式(1-1)或(1-2)算出該點的多米諾效應的概率，其他各點也可以一一算出其概率。

(3)若B點因熱輻射影響而發生多米諾效應產生二級事故，通過同上原理，可以再為B點再劃分若干個等級的危險區域，如圖所示B1區、B2區、B3區，各區的熱輻射強度均值分別為IB1、IB2、IB3。這樣必然會產生A點和B點熱輻射強度的疊加區域1區、2區、3區、4區，疊加效果如圖4所示，疊加區域的輻射強度如下：

疊加1區輻射強度：I1=IA2+IB3

疊加2區輻射強度：I2=IA3+IB3

疊加3區輻射強度：I3=IA3+IB2

疊加4區輻射強度：I4=IA3+IB1

如若C處有危險源，C處位于疊加2區范圍內，分別受到A3區和B3區的輻射強度的疊加為I2，通過公式(1-1)或(1-2)算出該點的多米諾效應的概率。其他處危險源概率類似。

3.2 熱輻射區域圖元的疊加算法

(1)以圖4為例分析，B處事故為A處事故發生多米諾效應的下級事故，需判斷新發生B事故各等級危險區域與當前已發生的A事故各等級危險區域疊加，如下：

①判斷B3環形圖元是否與A1圖元相交，不相交；

②判斷B3環形圖元是否與A2環形圖元相交，結果為相交，交集為1號圖元；

③執行B3環形圖元減去1號交集圖元操作，剩余部分圖元判斷是否與A3環形圖元相交，結果為相交，交集為2號圖元；

④判斷B2環形圖元是否與A1圖元相交，不相交；

⑤判斷B2環形圖元是否與A2環形圖元相交，不相交；

⑥判斷B2環形圖元是否與A3環形圖元相交，結果為相交，交集為3號圖元；

⑦判斷B3圖元是否與A1圖元相交，不相交；

⑧判斷B3圖元是否與A2環形圖元相交，不相交；

⑨判斷B3圖元是否與A3環形圖元相交，結果為相交，交集為4號圖元；

(2)由以上分析可以歸納出熱輻射區域圖元的疊加算法如圖5所示，其中：

Feature(i)為多米諾效應中最近發生事故熱輻射的某個等級的區域；

Feature(j)為已發生事故的熱輻射的某個區域或疊加區域；

FeatureTemp為臨時圖元；

FeatureTemp∩Feature(j)為兩個圖元的交集；

4.實例研究

4.1 基于Mapinfo的多米諾事故熱輻射分析軟件設計流程

由于重大事故多米諾效應的分析計算較為復雜，涉及到眾多的影響因素和相關理論，為便于問題的解決，實際研究應在理論分析的基礎上加以合理簡化。利用Delphi7.0+Mapinfo開發了熱輻射事故多米諾效應分析軟件，主要程序流程如圖6所示。

4.2 圖層算法設計

4.2.1 地圖圖層設計

在Mapinfo地圖的圖層中增加一個temp圖層如圖7所示，在將整個熱輻射區算法中的所用到的圖元至于其中。在該圖層中建立如圖8所示表結構，ID為圖元的編號，ColorCol為圖元顏色的編號，RValues為該圖元熱輻射值。

4.2.2 疊加圖元分割設計算法實現

本程序中最核心內容的為疊加圖元的分割算法，利用Delphi7.0+Mapinfo算法實現如下

5.結論

目前，國內外對多米諾效應事故熱輻射疊加尤其是定量方面的研究尚處于初步階段，對于破片和超壓疊加的研究仍需進一步深入進行。筆者在國內外最新研究的基礎上，對基于MapInfo的多米諾事故熱輻射疊加進行了分析與研究，并對多米諾事故熱輻射疊加算法進行了模擬分析，開發了多米諾事故熱輻射疊加風險評估軟件。

由于我國在重大危險源的監管中很少考慮多米諾效應，又鑒于多米諾效應難以動態預測和控制，基于MapInfo的多米諾事故熱輻射疊加分析軟件可以更加直觀形象地反映事故的狀態，并根據發生概率動態預測事故進一步發展的趨勢，為救援指揮提供決策．筆者所給分析方法或可為相關安全評價提供一定的參考，對相關園區的安全管理和救援決策具有重要意義。

[1]C.M.Pietersen.Analysis 0f the LPG Disaster in Mexico City.Journal of Hazardous Materials.1988,20:85-107

[2]羅文勝.宜州化工廠突發連環爆炸[J].財經,2008,18:30-31.

[3]V.Cozzani,E.Salzano.The quantitative assessment of domino effects caused by overpressure Part I.Probit models[J].Journal of hazardous Materials.2004,A107:67-80.

[4]V.Cozzani,E.Salzano.The quantitative assessment of domino effects caused by overpressure Part II.Case studies[J].Journal of hazardous Materials.2004,A107:81-94.

[5]Lees F P.Loss prevention in process industries.Butterworths,l-3,London,1996.

[6]Latha P,Gautem G,Raghavan KV.Strategies For quantif i cation of thermally initiated cascade effects.Loss Prevention Industries 1992,5(1):15-21.

[7]Khan F I,Abbasi S A.Estamation of Probabiliyies and likely,consequences of a chain of accidents (domino effect )in manali industrial complex.Journal of Cleaner Production,2001(9):493-508．

[8]V.Cozzani,G.Antonioni,E.Salzano. Quantitative assessment of domino scenarios by a GIS-based software tool[J].Journal 0f Loss Prevention in the Process industries.2006,19:468-477.

[9]V.Cozzani,G.Gubinelli,E.Salzano,etal.The assessment of risk caused by domino effect in quantitative area risk analysis.Journal of Hazardous Materials.2005,A127:14-30.

劉俊（1979—），男，江蘇江都人，大學本科，常州大學信息科學與工程學院講師，研究方向：計算機技術。