液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散事故危害區(qū)域的動(dòng)態(tài)劃分

陳彥平， 陳二瑞， 湯 靜

(安徽理工大學(xué)， 安徽 淮南， 232001)

液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散事故危害區(qū)域的動(dòng)態(tài)劃分

陳彥平， 陳二瑞， 湯 靜

(安徽理工大學(xué)， 安徽 淮南， 232001)

基于高斯煙團(tuán)疊加模型，建立了液氨儲(chǔ)罐泄漏事故動(dòng)態(tài)泄漏擴(kuò)散模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)泄漏后氨氣空間濃度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分析，并根據(jù)濃度閾值進(jìn)行了危害區(qū)域的劃分。對(duì)某化工企業(yè)液氨儲(chǔ)罐進(jìn)行了事故模擬研究，得到了不同時(shí)刻危害區(qū)域劃分情況，繪制了各級(jí)危害區(qū)域下風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向最遠(yuǎn)距離隨時(shí)間的變化曲線，分析了危害區(qū)域增長變化情況。

液氨；泄漏擴(kuò)散；高斯模型；危害區(qū)域

液氨沸點(diǎn)極低，常溫下極易蒸發(fā)、擴(kuò)散。同時(shí)，氨氣遇明火、高熱能發(fā)生燃燒爆炸，爆炸極限為15.7%～27.4%[1]。因此，液氨在儲(chǔ)運(yùn)、使用過程中存在泄漏及二次燃爆的可能。及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氨氣泄漏擴(kuò)散后的危害區(qū)域范圍對(duì)于消防人員有效組織事故應(yīng)急救援及減少事故損失具有重要意義[2]。

1 擴(kuò)散模型

液氨泄漏時(shí)會(huì)發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，產(chǎn)生大量氨蒸汽，在擴(kuò)散初期主要是氨蒸汽與空氣混合物，顯示出重氣的特征。在之后的擴(kuò)散中，氨蒸汽吸熱，最終變?yōu)榘睔馀c空氣的混合物。由于氨分子量為17，小于空氣，氨在擴(kuò)散后期以中性氣云的形式存在[3-4]。氨蒸汽在擴(kuò)散過程中以重氣形式存在的時(shí)間短、影響小，因而在擴(kuò)散模型分析時(shí)應(yīng)選用適用于非重氣云的高斯模型。

根據(jù)泄漏源的不同，高斯模型又可分為適用于連續(xù)源的高斯煙羽模型和適用于瞬時(shí)源的高斯煙團(tuán)模型[5]。通過高斯煙羽模型往往只能得到泄漏擴(kuò)散后的空間穩(wěn)定濃度，為了得到氨氣空間濃度隨時(shí)間的變化情況，本文采用高斯煙團(tuán)疊加模型，即將煙羽看作有限個(gè)煙團(tuán)的疊加。高斯煙羽模型的計(jì)算公式如式(1)所示，高斯煙團(tuán)疊加模型的計(jì)算公式如式(2)-(3)所示[6]：

(3)

其中：C(x,y,z,t)為t時(shí)刻空間任意一點(diǎn)的濃度，kg/m3；x，y，z分別為下風(fēng)向距離、側(cè)風(fēng)向距離和垂直風(fēng)向距離，m；Qm為連續(xù)擴(kuò)散的平均泄漏速率，kg/s；u為環(huán)境風(fēng)速，m/s；t為泄漏擴(kuò)散時(shí)間，s；Hr為泄漏源有效高度，m；σx，σy，σz分別為下風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向和垂直風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù)，m。

擴(kuò)散系數(shù)和下風(fēng)向距離的關(guān)系可用式(4)表示，取值按照Pasquill-Gifford模型確定[7-8]，具體取值參考表1、表2。

σx=σy=axb σz=cxd (4)

注：x為下風(fēng)向距離,m。

表2 Pasquill-Gifford大氣穩(wěn)定度等級(jí)

2 危害區(qū)域劃分

根據(jù)《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》(GBZ230-2010)，結(jié)合國家衛(wèi)生部門相關(guān)規(guī)定，選取有代表性的幾個(gè)濃度閾值對(duì)泄漏危害區(qū)域進(jìn)行劃分[9]。具體劃分如表3所示。

表3 毒性危害區(qū)域劃分

在事故發(fā)生后的應(yīng)急救援及人員疏散階段，對(duì)于不同的危害區(qū)域應(yīng)采取不同的措施。具體辦法如下[10]：

(1) 受影響區(qū)。氨氣對(duì)人員的毒害性短期內(nèi)表現(xiàn)并不明顯，被困人員可以自主進(jìn)行疏散而不會(huì)受到太大傷害，一般在脫離接觸后24 h能自主恢復(fù)正常。

(2) 輕度危害區(qū)。暴露一定時(shí)間后，半數(shù)人員可能發(fā)生輕度或中度中毒，經(jīng)門診治療可以康復(fù)，需要在救援人員的引導(dǎo)下進(jìn)行疏散。在疏散過程中，被困人員需要用濕毛巾、手絹等物品捂住口鼻盡量減少與氨氣的接觸，并在救援人員的引導(dǎo)下進(jìn)行有序疏散，避免擁擠、踩踏等惡性事件的發(fā)生。

(3) 中度危害區(qū)。暴露一定時(shí)間后，半數(shù)人員可能會(huì)發(fā)生中度或重度中毒，需要住院治療，個(gè)別人員可能中毒死亡。被困人員不建議自行疏散，建議就地避難，待救援人員到來并在其協(xié)助下疏散。在疏散過程中往往需要佩戴呼吸器或防毒面具等專業(yè)器具，中毒癥狀較為嚴(yán)重的要使用救援擔(dān)架。

(4) 重度危害區(qū)。短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重中毒反應(yīng)，如無防護(hù)而進(jìn)行疏散，半數(shù)人員可能會(huì)死亡。該區(qū)域的人員應(yīng)立即就地避難，等待救援。救援過程要盡快完成，必須佩帶呼吸器和救援擔(dān)架，被困人員被解救后應(yīng)立即送往醫(yī)院進(jìn)行緊急治療。

3 實(shí)例模擬

現(xiàn)對(duì)某化工企業(yè)立式液氨儲(chǔ)罐進(jìn)行泄漏事故仿真模擬。利用MATLAB軟件模擬計(jì)算泄漏后不同時(shí)刻的氨氣空間濃度值，根據(jù)氨氣濃度值劃分危害區(qū)域。事故基本假定如下：

(1)液氨泄漏速率Qm=7.67 kg/s，泄漏連續(xù)發(fā)生且速率保持不變，泄漏的氨全部閃蒸不形成液池。

(2)環(huán)境風(fēng)速μ=2.0 m/s，事故過程中保持不變。

(3)泄漏發(fā)生在白天日照中等，大氣穩(wěn)定度為B，擴(kuò)散系數(shù)為σx=σy=0.14x0.92，σz=0.53x0.73。

(4)泄漏源有效高度Hr=0.5 m。

(5)空間垂直高度z=1.5 m。

(6)泄漏源周邊環(huán)境開闊，不考慮地面粗糙度對(duì)擴(kuò)散的影響。

3.1 模擬計(jì)算結(jié)果

圖1-圖3分別為連續(xù)泄漏10 min、20 min、30 min的危害區(qū)域劃分情況?；诟咚篃熡鹉Ｐ瓦M(jìn)行同等事故條件下連續(xù)穩(wěn)態(tài)煙羽的危害區(qū)域劃分，如圖4所示。

圖1 泄漏10 min危害區(qū)域劃分

圖2 泄漏20 min危害區(qū)域劃分

圖3 泄漏30 min危害區(qū)域劃分

圖4 連續(xù)穩(wěn)態(tài)煙羽危害區(qū)域劃分

圖5 危害區(qū)域下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離隨時(shí)間的變化曲線

圖6 危害區(qū)域側(cè)風(fēng)向最遠(yuǎn)距離隨時(shí)間的變化曲線

3.2 結(jié)果分析

危害區(qū)域在約30 min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，各危害區(qū)域下風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向最遠(yuǎn)距離增長速率不同，如圖5-圖6所示。在曲線增長階段，下風(fēng)向距離增長速率基本保持不變，而側(cè)風(fēng)向增長速率則逐漸減小。

由圖1-圖3可以看出，在連續(xù)擴(kuò)散過程中危害區(qū)域呈蒲扇形。由于濃度值范圍不同，各級(jí)危害區(qū)域呈現(xiàn)不同增長趨勢(shì)：高濃度值區(qū)域?qū)⒆钕冗_(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于氨氣濃度值較高，中度危害區(qū)和重度危害區(qū)將在泄漏發(fā)生后迅速擴(kuò)展至穩(wěn)定范圍。本例中，重度危害區(qū)在泄漏約2 min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定范圍，下風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向最遠(yuǎn)距離分別為294 m、21 m。中度危害區(qū)在泄漏發(fā)生后約3 min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定范圍，下風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向最遠(yuǎn)距離分別為546 m、37 m。受影響區(qū)和輕度危害區(qū)則將在較長時(shí)間內(nèi)保持增長。本例中，輕度危害區(qū)在泄漏后約22 min時(shí)增長至最大穩(wěn)定范圍，下風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向最遠(yuǎn)距離分別能達(dá)到2 207 m、135 m。受影響區(qū)在約30 min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，下風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向最遠(yuǎn)距離分別能達(dá)到3 008 m、180 m。

通過對(duì)比圖3與圖4可以發(fā)現(xiàn)，二者的相似程度極高，說明基于高斯煙團(tuán)疊加模型計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)危害區(qū)域劃分結(jié)果與同等條件下經(jīng)典高斯煙羽模型的計(jì)算結(jié)果相符合，說明高斯煙團(tuán)疊加模型具有合理性和可行性。

3 結(jié) 語

本文利用高斯煙團(tuán)疊加模型建立了描述氨氣泄漏擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同時(shí)刻空間濃度場(chǎng)的模擬計(jì)算。

對(duì)氨氣泄漏危害區(qū)域進(jìn)行劃分時(shí)，選取適當(dāng)?shù)奈：舛乳撝?，將危害區(qū)域劃分為受影響區(qū)、輕度危害區(qū)、中度危害區(qū)、重度危害區(qū)等四級(jí)危害區(qū)域，并對(duì)各危害區(qū)的情況進(jìn)行了說明。

對(duì)某化工企業(yè)液氨儲(chǔ)罐進(jìn)行了模擬，研究結(jié)果表明發(fā)生泄漏事故后，氨氣擴(kuò)散將在30 min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，受影響區(qū)域下風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向最遠(yuǎn)距離分別能達(dá)到3 008 m、180 m，影響范圍較大。若事故發(fā)生，應(yīng)對(duì)不同危害區(qū)域采取相應(yīng)的應(yīng)急對(duì)策，減少事故損失與人員傷亡。

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(責(zé)任編輯：陸俊杰)

Dynamic Division of Hazard Areas for the Accident of Liquid Ammonia Tank Leakage and Diffusion

CHEN Yan-ping, CHEN Er-rui, TANG Jing

(Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001,China)

In order to study the liquid ammonia tank leakage accident, based on Gaussian superposition model， a new mathematical model is established, and then the dynamic analysis of the ammonia concentration field is implemented after leakage. As well as, considering risk concentration threshold the hazard zones are finally divided. Using the new model simulates the leakage of a tank for liquefied ammonia in a chemical enterprise. According to the simulation results, instantaneous hazard zones are divided, the distance growth curve for downwind as well as crosswind are drawn in this paper.

liquid ammonia; leakage and diffusion; Gaussian model; hazard zone

2015-06-28

陳彥平(1989—)，女，河北滄州人，碩士生，主要研究方向?yàn)槲ｋU(xiǎn)化學(xué)品安全評(píng)價(jià)。

1671-6906(2015)06-0061-04

X928

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2015.06.014