有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模型模擬軟件系統(tǒng)開發(fā)

王云慧，邢志祥，陸中秋，侯振杰，楊扣華，趙 旭

(1．常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇常州213164;2常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇常州213164;3江蘇泰康安全環(huán)境科技有限公司，江蘇泰州225300)

有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模型模擬軟件系統(tǒng)開發(fā)

王云慧1，邢志祥1，陸中秋2，侯振杰2，楊扣華3，趙 旭1

(1．常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇常州213164;2常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇常州213164;3江蘇泰康安全環(huán)境科技有限公司，江蘇泰州225300)

為評(píng)估有毒物質(zhì)泄漏事故后果，分析了相關(guān)文獻(xiàn)中有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模型，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用Visual Studio 2013開發(fā)平臺(tái)，利用C#編程語言和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，構(gòu)建了基于B/S模式的定量評(píng)估有毒物質(zhì)泄漏事故后果的Web系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了泄漏事故危險(xiǎn)特征參數(shù)計(jì)算和事故后果危害范圍圖形顯示。實(shí)例應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，可為企業(yè)安全管理、泄漏事故預(yù)防和控制提供依據(jù)。

有毒物質(zhì)泄漏;Matlab;擴(kuò)散模型;濃度閾值;軟件系統(tǒng)開發(fā)

有毒有害物質(zhì)是化工、石化及其他行業(yè)中生產(chǎn)、儲(chǔ)存和使用的常見危險(xiǎn)化學(xué)品，一旦發(fā)生泄漏擴(kuò)散，若超過邊界條件，則會(huì)引發(fā)多米諾連鎖事故［1］，對(duì)周圍環(huán)境暴露人員或設(shè)備造成損壞。如1984年印度博帕爾市聯(lián)合碳化物有限公司農(nóng)藥廠45 t異氰酸甲酯儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏事故，造成了2．5萬人直接死亡，55萬人間接死亡，是歷史上迄今為止最嚴(yán)重的化學(xué)工業(yè)事故［2］。因此，對(duì)有毒物質(zhì)泄漏事故后果進(jìn)行評(píng)估對(duì)泄漏事故預(yù)防和控制具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模型的研究［3-6］主要集中在以下兩個(gè)方面:一是非重氣云擴(kuò)散模型的提出，如高斯模型，包括煙羽模型和煙團(tuán)模型，分別適用于連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散和瞬時(shí)點(diǎn)源擴(kuò)散，美國(guó)環(huán)保署(EPA)所采用的許多標(biāo)準(zhǔn)都是以高斯模型為基準(zhǔn)制定的;二是重氣云擴(kuò)散過程研究，如Van Ulden提出的箱模型，包括盒子模型和平板模型，分別適用于預(yù)測(cè)瞬時(shí)和連續(xù)泄漏重氣云半徑、高度、有毒氣體濃度等特征參數(shù)。例如Britter等利用多次重氣擴(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果，以量綱分析方法提出一系列經(jīng)驗(yàn)公式和無量綱數(shù)據(jù)擬合曲線，與地面水平的連續(xù)泄漏和瞬時(shí)重氣云泄漏結(jié)果吻合很好;Chan等基于計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法開發(fā)了三維有限元模型(3-D Finite Element Model，F(xiàn)EM3)和FEM3A模型模擬重氣云擴(kuò)散的三維常態(tài)湍流流動(dòng)過程，該模型考慮地形及障礙物的影響，但需要計(jì)算機(jī)大量運(yùn)算，在工程應(yīng)用中受到很大限制。我國(guó)在該方面的研究起步較晚，主要應(yīng)用于安全工程領(lǐng)域。

有毒泄漏擴(kuò)散模型形式復(fù)雜且計(jì)算量大，計(jì)算機(jī)輔助量化風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)成為定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要手段，而仿真技術(shù)具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算和圖像處理能力［7-8］，本文基于現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)資料［3-6］中的有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模型，利用Visual Studio 2013開發(fā)工具和C#編程語言，設(shè)計(jì)開發(fā)了定量評(píng)估不同類型泄漏事故擴(kuò)散后果的Web系統(tǒng)，以期為化工企業(yè)制定有毒物質(zhì)泄漏事故應(yīng)急預(yù)案和進(jìn)行應(yīng)急處理提供依據(jù)。

1 有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模型

由于有毒物質(zhì)泄漏事故后果模擬較為復(fù)雜，涉及不同泄漏模型和相關(guān)理論，因此本文分析了相關(guān)文獻(xiàn)資料，針對(duì)不同類型泄漏事故場(chǎng)景，并根據(jù)物質(zhì)類別、泄漏時(shí)間、存儲(chǔ)溫度和氣體密度等參數(shù)合理選擇不同的泄漏擴(kuò)散模型，如圖1所示。由于篇幅限制，泄漏速率、液池面積、蒸發(fā)量等參數(shù)計(jì)算在此不再贅述，本文主要概述非重氣云擴(kuò)散模型和重氣云擴(kuò)散模型中泄漏物質(zhì)危害濃度范圍計(jì)算過程，事故危險(xiǎn)特征參數(shù)計(jì)算詳見相關(guān)文獻(xiàn)。

圖1 不同類型泄漏事故場(chǎng)景計(jì)算模型Fig．1 Calculation model of different types of leakage accident scenarios

1．1 非重氣云擴(kuò)散模型

非重氣云擴(kuò)散模型應(yīng)用廣泛的為高斯模型，其基本假設(shè)為:氣云密度與空氣密度相當(dāng);云團(tuán)中心移動(dòng)速度等于風(fēng)速;云團(tuán)內(nèi)部或云羽橫截面上濃度、密度等參數(shù)服從高斯分布。取泄漏源為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸為下風(fēng)向，y軸為側(cè)風(fēng)向，z軸為垂直風(fēng)向。

連續(xù)泄漏采用高斯煙羽模型:

式中:C(x，y，z)為泄漏物質(zhì)在預(yù)測(cè)點(diǎn)(x，y，z)的濃度(kg/m3);Q為泄漏源強(qiáng)度(kg/s);u為風(fēng)速(m/s);H為泄漏源的有效高度(m);σy、σz分別為側(cè)風(fēng)向和垂直風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù)(m)，擴(kuò)散系數(shù)為與大氣穩(wěn)定度和泄漏點(diǎn)下風(fēng)向距離有關(guān)的函數(shù)，而大氣穩(wěn)定度的劃分取決于風(fēng)速和日照量，擴(kuò)散系數(shù)的確定詳見文獻(xiàn)［5］。

瞬時(shí)泄漏采用高斯煙團(tuán)模型:

式中:C(x，y，z，t)為t時(shí)刻泄漏物質(zhì)在預(yù)測(cè)點(diǎn)(x，y，z)的濃度(kg/m3);t為泄漏后擴(kuò)散時(shí)間(s);Q*為瞬時(shí)排放的物料質(zhì)量(kg);σx為下風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù)(m)。

1．2 重氣云擴(kuò)散模型

重氣云擴(kuò)散模型根據(jù)建模原理可分為箱模型、相似模型、淺層模型、三維流體力學(xué)模型，廣泛應(yīng)用的盒子模型和平板模型均屬于箱模型。

連續(xù)泄漏采用平板模型:

式中:C'為重氣云羽的濃度(kg/m3);b0為泄漏源點(diǎn)重氣云羽橫風(fēng)向半寬(m);h'0為泄漏源點(diǎn)重氣云羽的高度(m);C0為初始重氣云羽的密度(kg/m3);b為下風(fēng)向任意距離處的重氣云與橫截面半寬(m);h'為下風(fēng)向任意距離處的重氣云羽高度(m)。

重氣云羽的覆蓋面積為

式中:A為下風(fēng)向距離為x處重氣云羽的覆蓋面積(m2);x為下風(fēng)向距離(m);ρ0、ρa(bǔ)分別為蒸氣云密度和環(huán)境空氣密度(kg/m3);g為重力加速度，取值為9．81 m/s2。

瞬時(shí)泄漏采用盒子模型:

式中:C為下風(fēng)向距離為x處重氣云團(tuán)的濃度(kg/m3);C0為初始重氣云團(tuán)的密度(kg/m3);V0為重氣云團(tuán)的初始體積(m3)。

重氣云團(tuán)的覆蓋面積為

式中:A為下風(fēng)向距離為x處重氣云團(tuán)的覆蓋面積(m2);R為重氣云團(tuán)的半徑(m);R0為重氣云團(tuán)的初始半徑(m)。

2 有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模擬軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

2．1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本文基于國(guó)內(nèi)外有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模型研究，并利用C#編程語言和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)了．NET平臺(tái)下的有毒物質(zhì)泄漏事故后果評(píng)估Web應(yīng)用程序。

有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模擬軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，數(shù)據(jù)層LINQ to SQL將數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)模型映射到C#編程語言表示的對(duì)象模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、更新、添加、刪除等操作;邏輯層ASP．NET是基于．NET的開發(fā)環(huán)境，提供了程序數(shù)據(jù)與應(yīng)用層的接口;應(yīng)用層包括化工區(qū)域管理、設(shè)備管理、物料管理等5個(gè)模塊，主要功能設(shè)計(jì)詳見圖3。

2．2 軟件系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程

圖2 有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模擬軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig．2 Design structure of the simulation software system of toxic substance leakage diffusion

圖3 有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模擬軟件系統(tǒng)功能模塊Fig．3 Function modules of the simulation software system of toxic substance leakage diffusion

有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模擬軟件系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)思路［7］為:首先輸入發(fā)生泄漏事故設(shè)備和物料信息作為輸入條件，系統(tǒng)涉及7種不同的泄漏事故場(chǎng)景，并根據(jù)物質(zhì)類別、泄漏時(shí)間、存儲(chǔ)溫度和氣體密度等參數(shù)選擇不同的泄漏擴(kuò)散模型計(jì)算泄漏事故危險(xiǎn)特征參數(shù)和危害范圍，其計(jì)算結(jié)果通過GIS實(shí)現(xiàn)圖形顯示。該軟件系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程主要包括添加泄漏事故設(shè)備和事故、設(shè)置物質(zhì)物性參數(shù)和環(huán)境條件、查看、修改和刪除事故評(píng)價(jià)單元、計(jì)算事故危險(xiǎn)特性參數(shù)、繪制事故后果危害范圍圖等［8］，見圖4。

該軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為基于Visual Studio 2013開發(fā)工具的ASP．NET，服務(wù)器操作系統(tǒng)為Windows Server 2008，客戶端操作系統(tǒng)為 Microsoft Windows XP Professional，Web服務(wù)器采用IIS 7．0。

該軟件系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)模式［9，10］，由傳統(tǒng)二層客戶端/服務(wù)器(Client/Server，C/S)模式改進(jìn)，具有三層模式(3-Tier)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。B/S模式統(tǒng)一了客戶端，客戶端只需安裝一個(gè)Web瀏覽器如Internet Explorer，服務(wù)器則安裝SQL Server等數(shù)據(jù)庫(kù)，瀏覽器通過Web Server同數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，客戶端零安裝、零維護(hù)，節(jié)約了開發(fā)成本。服務(wù)器(Server)內(nèi)部采用模型-視圖-控制器(Model View Controller，MVC)構(gòu)架，如圖5所示。

圖4 有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模擬軟件系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程Fig．4 Design flow of the simulation software system of toxic substance leakage diffusion

圖5 服務(wù)器模型-視圖-控制器(MVC)架構(gòu)示意圖Fig．5 Schematic diagram of the MVC framework

該軟件系統(tǒng)編程語言采用由微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮?、運(yùn)行于．NET Framework的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言 C#。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用 SQL Server 2008，具有可信任性、高效性、智能性等特點(diǎn)，其包括化工區(qū)域信息表、危險(xiǎn)設(shè)備信息表、危險(xiǎn)化學(xué)品物質(zhì)物性參數(shù)表、有毒物質(zhì)泄漏事故模擬計(jì)算信息表等數(shù)據(jù)表，限于篇幅限制，本文僅列出危險(xiǎn)設(shè)備信息表，見表1。

表1 危險(xiǎn)設(shè)備信息表Table 1 Information of the dangerous equipment

3 實(shí)例應(yīng)用與分析

本文以某制藥企業(yè)液氨儲(chǔ)罐泄漏［11］和某化工企業(yè)液氯儲(chǔ)罐泄漏事故為例，對(duì)非重氣云和重氣云擴(kuò)散模型進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用。該企業(yè)泄漏設(shè)備和物料信息詳見表2和表3。

表2 泄漏設(shè)備基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of the leaking equipment

表3 泄漏物質(zhì)基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of leaking materials

根據(jù)上述信息及泄漏時(shí)間，系統(tǒng)可以自動(dòng)選擇泄漏事故后果計(jì)算模型，液氨和液氯泄漏模型輸入?yún)?shù)詳見表4和表5。

表4 液氨泄漏模型輸入?yún)?shù)Table 4 Input parameters of the liquid ammonia leakage model

表5 液氯泄漏模型輸入?yún)?shù)Table 5 Input parameters of liquid chlorine leakage model

300 平板模型 101 325 70．91 2 100 東南風(fēng)22

通過運(yùn)行軟件系統(tǒng)，液氨泄漏不同傷害程度的危害范圍模擬結(jié)果見圖6。由圖6可見，液氨ERPG-3、ERPG-2、ERPG-1濃度閾值等值曲線分別到達(dá)泄漏源下風(fēng)向121 m、281 m、801 m，表明液氨泄漏事故致死區(qū)域在廠區(qū)范圍內(nèi)，致傷區(qū)域波及到廠區(qū)西北方向的碼頭，吸入反應(yīng)區(qū)域波及范圍較廣且距泄漏源下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離可達(dá)801 m。

圖6 液氨泄漏擴(kuò)散范圍系統(tǒng)界面Fig．6 System interface of the range of liquid ammonia leakage diffusion

通過運(yùn)行軟件系統(tǒng)，液氯泄漏事故危險(xiǎn)特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表6。氯的3個(gè)濃度閾值ERPG-3、ERPG-2、ERPG-1分別為8．31×10－8kg/m3、2．49× 10－7kg/m3、1．66×10－6kg/m3，由表6可知，距泄漏源100 m目標(biāo)處重氣云羽濃度為1．41×10－9kg/m3小于氯的ERPG-3濃度閾值，表明目標(biāo)處不受液氯泄漏事故影響。

表6 液氯泄漏事故危險(xiǎn)特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 6 Results of risk characteristic parameters of the liquid chlorine leakage accident

圖7 液氯泄漏擴(kuò)散范圍系統(tǒng)界面Fig．7 System interface of the range of liquid chlorine leakage diffusion

液氯泄漏不同傷害程度的危害范圍模擬結(jié)果見圖7。由圖7可見，液氯ERPG-3、ERPG-2、ERPG-1濃度閾值等值曲線分別到達(dá)泄漏源下風(fēng)向33 m、85 m、148 m，表明液氯泄漏事故致死區(qū)域在廠區(qū)范圍內(nèi)，致傷區(qū)域波及到廠區(qū)北側(cè)鄰近企業(yè)的儲(chǔ)罐區(qū)，吸入反應(yīng)區(qū)域波及北側(cè)鄰近企業(yè)的生產(chǎn)區(qū)域。

4 結(jié) 論

(1)通過分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模型方面的研究，本文基于Visual Studio 2013開發(fā)平臺(tái)，利用C#編程語言和SQL Server2008數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，構(gòu)建了定量評(píng)估有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散事故后果的Web系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地模擬不同類型泄漏事故危險(xiǎn)特征參數(shù)隨目標(biāo)距離的變化結(jié)果，并實(shí)現(xiàn)事故危害范圍的圖形顯示，可為泄漏事故預(yù)防和控制提供依據(jù)。

(2)目前該軟件系統(tǒng)已應(yīng)用于泰州市10余家化工企業(yè)有毒物質(zhì)生產(chǎn)、儲(chǔ)存的安全評(píng)價(jià)，具有良好的應(yīng)用前景。但系統(tǒng)中部分物質(zhì)參數(shù)難以精確設(shè)置，需在今后的研究中不斷加以完善。

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Development of Simulation Software System of Toxic Substance Leakage Diffusion Model

WANG Yunhui1，XING Zhixiang1，LU Zhongqiu2，HOU Zhenjie2，YANG Kouhua3，ZHAO Xu1
(1．School of Environment＆Safety Engineering，Changzhou University，Changzhou213164，China; 2．School of Information Science＆Engineering，Changzhou University，Changzhou213164，China; 3．Jiangsu Taikang Security Environment Technology Company Limited，Taizhou225300，China)

In order to evaluate the consequence of toxic substance leakage accidents，this paper analyzes and summarizes the toxic substance leakage diffusion models in the relevant literature．Based on Visual Studio 2013 development platform，using C#programming language and SQL Server 2008 database system，the paper constructs a Web system for quantitative evaluation of the consequence of toxic substance leakage accidents based on B/S structure．The paper implements the calculation of risk characteristic parameters of leakage accidents and the visualization of the damage range of the consequence．The system is applied to a case．The results show that the system has a certain value in engineering application and may provide decision support for enterprises’safety management，leakage accident prevention and control．

toxic substance leakage;Matlab;diffusion model;concentration threshold;software system development

X937

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．027

1671-1556(2016)05-0158-05

2016-01-21

2016-03-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51276024);江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2012644);常州市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(CE20135035);江蘇省2014年度高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(1112)

王云慧(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛ぐ踩?。E-mail:wyh_9105@163．com