道路運(yùn)輸液氨泄漏濃度分布仿真研究

王文璇, 朱可寧, 張錦榮,劉浩學(xué)

(長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064)

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道路運(yùn)輸液氨泄漏濃度分布仿真研究

王文璇, 朱可寧, 張錦榮,劉浩學(xué)

(長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064)

針對道路上發(fā)生的液氨泄漏擴(kuò)散事故，以液氨在道路運(yùn)輸過程中發(fā)生的泄漏擴(kuò)散事故為研究對象，在高斯模型的基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，引入罐車速度、車輛運(yùn)行方向與風(fēng)向的夾角等，建立了更準(zhǔn)確的模型，模擬液氨在道路運(yùn)輸過程中發(fā)生泄漏事故后的擴(kuò)散過程。利用MATLAB軟件對道路液氨泄漏事故進(jìn)行模擬仿真，并將氨氣影響區(qū)域劃分為輕度區(qū)、中度區(qū)、重度區(qū)、死亡區(qū)和立即死亡區(qū)5個(gè)區(qū)域；通過實(shí)例對比移動點(diǎn)源和固定點(diǎn)源的泄漏擴(kuò)散過程，得出了兩種情況下泄漏過程中和泄漏停止后危險(xiǎn)區(qū)域范圍、位置和峰值濃度及其對應(yīng)坐標(biāo)的變化特點(diǎn)。該模型可以快速準(zhǔn)確地模擬道路運(yùn)輸泄漏事故的影響范圍，可以為事故后的應(yīng)急救援提供參考。

交通工程；擴(kuò)散；仿真；液氨；危險(xiǎn)區(qū)域

0 引言

液氨是一種重要的化工原料，主要用于生產(chǎn)硝酸、尿素和其他化學(xué)肥料，在家禽養(yǎng)殖業(yè)被用于殺菌和制冷作用；還可以用作醫(yī)藥和農(nóng)藥的原料；在國防工業(yè)中，用于制造火箭、導(dǎo)彈的推進(jìn)劑。為了氨氣的運(yùn)輸和儲存，通常將氨氣加壓或冷卻得到液氨，存儲于耐壓鋼瓶或鋼槽中，但一旦發(fā)生泄漏，就會對周圍的居民和環(huán)境造成非常嚴(yán)重的影響。如2013年8月31日，在上海寶山區(qū)一冷庫出現(xiàn)液氨泄漏事件，導(dǎo)致15人死亡、5人重傷、20人輕傷[1]。氨氣在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用涉及到很多道路運(yùn)輸問題，一旦在道路運(yùn)輸過程中發(fā)生泄漏，會對周圍的居民和環(huán)境造成很大的傷害。因此，有必要對液氨運(yùn)輸泄漏事故后的氣體擴(kuò)散過程進(jìn)行分析。

目前多數(shù)對液氨泄漏的研究都集中在其生產(chǎn)或存儲過程中的泄漏,尤其是化工廠固定的高壓罐泄漏事故或高架點(diǎn)源的氣體排放，即針對固定點(diǎn)源的泄漏事故研究很豐富[2-5]。但是在其運(yùn)輸過程中泄漏的研究還有待深入，運(yùn)輸過程中的泄漏需要考慮運(yùn)輸車輛的運(yùn)行狀態(tài)對其泄漏擴(kuò)散狀態(tài)的影響，故其擴(kuò)散機(jī)理要復(fù)雜很多。目前研究氣體擴(kuò)散的模型中[6]，高斯模型可以模擬連續(xù)性泄漏和瞬時(shí)泄漏兩種泄漏方式，還具有模型簡單、易于理解、運(yùn)算量相對較小、計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能較好吻合的優(yōu)勢，故應(yīng)用較廣[7-8]。

本文結(jié)合運(yùn)輸泄漏事故的特點(diǎn)，對高斯模型進(jìn)行改進(jìn)，建立運(yùn)輸液氨泄漏事故擴(kuò)散模型，然后通過MATLAB對泄漏過程模擬仿真并劃分出事故后的5個(gè)警戒區(qū)域。該模型簡單有效，對于事故現(xiàn)場的應(yīng)急救援行動有非常積極的意義[9]。

1 運(yùn)輸液氨泄漏擴(kuò)散模型

根據(jù)泄漏事故發(fā)生過程持續(xù)的時(shí)間和泄漏過程中罐車的運(yùn)動狀態(tài)，可以將泄漏事故分為固定點(diǎn)源瞬時(shí)泄漏、固定點(diǎn)源連續(xù)泄漏和移動點(diǎn)源連續(xù)泄漏[10]。相對于固定點(diǎn)源泄漏，移動點(diǎn)源泄漏具有一些特點(diǎn)：危險(xiǎn)氣體的濃度分布影響因素不僅包括風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度和地表粗糙度等，還包括車輛的運(yùn)行速度和方向。

在高斯模型中,假設(shè)泄漏強(qiáng)度Q是常數(shù)，但對于儲罐氣體，發(fā)生泄漏事故后，泄漏速率會隨著儲罐內(nèi)壓強(qiáng)的減小而降低，即：

q(t)=q0(1-0.007t0.5)，

(1)

式中，q0為液氯的初始泄漏速率；q(t)為t時(shí)刻的液氯泄漏速率;t為泄漏的時(shí)刻。

連續(xù)排放的氣體可以看作由無數(shù)個(gè)時(shí)間間隔很短并且依次排列的煙團(tuán)組成。根據(jù)擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)理論，排放的第i個(gè)煙團(tuán)在空間內(nèi)(x,y,z)處的濃度計(jì)算公式為[11]：

(2)

式中，Ci(x,y,z)為第i個(gè)煙團(tuán)在(x,y,z)處所產(chǎn)生的濃度；Qi為第i個(gè)煙團(tuán)的排放量；σx，σy，σz分別為x，y，z方向的擴(kuò)散標(biāo)準(zhǔn)差；u為平均風(fēng)速；H為有效源高。

(3)

(4)

t時(shí)段連續(xù)泄漏的氨氣在(x,y,z)處的濃度為:

(5)

圖1 煙團(tuán)擴(kuò)散示意圖Fig.1 Schematic diagram of puff diffusion

(6)

因此，從泄漏開始到結(jié)束的(0,tr)時(shí)間段內(nèi)，泄漏的氨氣在空間一點(diǎn)(x,y,z)的總濃度為tr內(nèi)泄漏氣體疊加的濃度和：

(7)

2 危險(xiǎn)區(qū)域的劃分

液氨是一種有強(qiáng)烈刺激性氣味的無色液體，泄漏后因會迅速蒸發(fā)，立即隨風(fēng)向往下風(fēng)向擴(kuò)散，可導(dǎo)致大面積內(nèi)的人員、牲畜中毒事故。氨氣遇火源還有火災(zāi)和爆炸的危險(xiǎn)。氨氣被人吸入會對黏膜和皮膚有刺激和腐蝕作用，使人中毒。不同濃度的氨氣對人體的危害關(guān)系[12]見圖2。

圖2 氨氣的濃度與其對人體的危害關(guān)系Fig.2 Ammonia concentration and its harm to human body

根據(jù)不同的氨氣濃度對人體造成的傷害以及氨氣泄漏后可能與其他物質(zhì)反應(yīng)發(fā)生燃燒爆炸等情況，需要對其擴(kuò)散區(qū)域進(jìn)行劃分來對其中的傷員進(jìn)行有效救援，或?qū)M(jìn)入其中的人員需要的防護(hù)設(shè)備提供可靠的參考依據(jù)；另外，在事故現(xiàn)場依據(jù)危險(xiǎn)區(qū)域劃分出相應(yīng)的警戒區(qū)域可以對應(yīng)急救援人員和物資的調(diào)配安置方案提供合理依據(jù)。為此，將氨氣泄漏區(qū)域分為立即死亡區(qū)、死亡區(qū)、重度區(qū)、中度區(qū)和輕度區(qū)5個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域。

3 實(shí)例應(yīng)用

一輛裝有25 t液氨的罐式車輛在平直的公路上行駛，假設(shè)有兩種泄漏情況：(1)罐車以45 km/h沿著與風(fēng)向成35°夾角的方向勻速行駛，發(fā)生泄漏后，駕駛員沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)；(2)罐車在靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)生泄漏。泄漏出的氨氣沿著公路擴(kuò)散成線狀濃度場，初始泄漏速率為6.5 kg/s，泄漏點(diǎn)距地面高1 m，從開始泄漏到成功堵漏經(jīng)過的時(shí)間為300 s，泄漏的總質(zhì)量為1.792 t，大氣穩(wěn)定度為E級，平均風(fēng)速u=2 m/s。

因?yàn)榘睔獾拿芏缺瓤諝庑?，故泄漏出的氣體會向上浮，而考慮到人的身高，故研究z=1.5 m高度平面的氨氣濃度。通過液氨泄漏擴(kuò)散模型進(jìn)行模擬仿真，得出上述兩種情形下發(fā)生泄漏后不同時(shí)刻的1.5 m高度處的濃度等值曲線和模擬結(jié)果，見圖3和圖4。

圖3和圖4中，標(biāo)記30，350，553，1 500，3 500 的等值線分別表示氨氣濃度為30，350，553，1 500，3 500 mg/m3。5條等值線把區(qū)域劃分為6個(gè)區(qū)：最外一層為安全區(qū),面積最大,離泄漏源最遠(yuǎn)；等值線30～350 mg/m3之間的區(qū)域?yàn)檩p度區(qū)；等值線350～553 mg/m3之間的區(qū)域?yàn)橹卸葏^(qū)；等值線553～1 500 mg/m3之間的區(qū)域?yàn)橹囟葏^(qū)；等值線1 500～3 500 mg/m3之間的區(qū)域?yàn)樗劳鰠^(qū)；等值線500 mg/m3內(nèi)部的區(qū)域?yàn)榱⒓此劳鰠^(qū)。

圖3 移動點(diǎn)源連續(xù)泄漏1.5 m高度處濃度等值曲線Fig.3 Contour curves of concentration of continuous leakage of moving point source at 1.5 m height

圖4 固定點(diǎn)源連續(xù)泄漏1.5 m高度處濃度等值曲線Fig.4 Contour curves of concentration of continuous leakage of fixed point source at 1.5 m height

通過圖3～圖4和表1～表2可以看出以下結(jié)果。

(1)移動點(diǎn)源連續(xù)泄漏事故發(fā)生后

① 在持續(xù)泄漏的0～300 s期間內(nèi)，泄漏點(diǎn)源附近氨氣濃度極大，形成立即死亡區(qū)和死亡區(qū)，重度區(qū)、中度區(qū)和輕度區(qū)也迅速擴(kuò)大，危險(xiǎn)區(qū)域沿著風(fēng)向和車輛行駛方向移動，形成一個(gè)線狀濃度場。

② 300 s 以后，由于泄漏停止，濃度峰值迅速下降，之前形成的煙片沿著風(fēng)向向下移動，同時(shí)向四周擴(kuò)散，輕度區(qū)的面積先增大再減小，死亡區(qū)、死亡區(qū)、重度區(qū)和中度區(qū)的面積逐漸減小并且危險(xiǎn)級別逐級下降直至消失。

③在0～300 s期間，泄漏時(shí)間較短，泄漏的速率可以保持基本不變，所以峰值濃度基本不變，濃度峰值對應(yīng)的坐標(biāo)會沿著風(fēng)向與車輛行駛方向移動，移動速度由風(fēng)速和車速共同決定；300 s后，已形成的煙片只受到風(fēng)的作用，峰值濃度迅速下降，對應(yīng)坐標(biāo)沿著風(fēng)向以風(fēng)速移動。

表1 液氨運(yùn)輸移動點(diǎn)源瞬時(shí)泄漏事故模擬結(jié)果Tab.1 Simulation result of instantaneous leakage of liquid ammonia transport from moving point source

表2 液氨運(yùn)輸固定點(diǎn)源瞬時(shí)泄漏事故模擬結(jié)果Tab.2 Simulation result of instantaneous leakage of liquid ammonia transport from fixed point source

(2)固定點(diǎn)源連續(xù)泄漏事故發(fā)生后

① 0～300 s期間，由于泄漏的持續(xù)，從泄漏點(diǎn)到下風(fēng)向300 m 的區(qū)域在150 s 和300 s 時(shí)氨氣濃度均超過3 500 mg/m3，為立即死亡區(qū); 0～300 s 期間，每個(gè)級別的危險(xiǎn)區(qū)域面積都在不斷擴(kuò)大。

② 300 s 以后泄漏停止，有毒氣體濃度峰值逐漸減小，之前釋放的煙團(tuán)匯聚成一個(gè)較大的煙片，在風(fēng)的作用下，沿著下風(fēng)向移動，同時(shí)向四周擴(kuò)散，輕度區(qū)的面積先增大再減小，在1 500 s時(shí)達(dá)到最大值0.287 3 km2，立即死亡區(qū)、死亡區(qū)、重度區(qū)和中度區(qū)面積逐漸減小并且危險(xiǎn)級別逐級下降直至消失。

③ 0～300 s期間，峰值濃度基本不變，泄漏點(diǎn)源保持固定，因此對應(yīng)的坐標(biāo)也保持不變；300 s之后在風(fēng)的作用下峰值濃度迅速減小，對應(yīng)的坐標(biāo)以風(fēng)速沿著風(fēng)向(x軸方向)移動。

(3)移動點(diǎn)源泄漏事故和固定點(diǎn)源連續(xù)泄漏事故相比，前者氨氣濃度下降快得多，1 350 s即可消除警戒，而后者2 850 s才可以消除警戒；后者氨氣峰值濃度比前者大很多，事故后同時(shí)刻的后者峰值濃度可達(dá)前者的4倍左右；但前者總的影響區(qū)域，即輕度區(qū)的范圍通常比后者大得多，尤其在事故發(fā)生后0～600 s可達(dá)后者的4倍之多。

4 結(jié)論

氨氣作為一種劇毒氣體，一旦發(fā)生泄漏將會導(dǎo)致重大惡性事故的發(fā)生。本文通過對移動點(diǎn)源和固定點(diǎn)源的液氨泄漏后的擴(kuò)散過程進(jìn)行分析，向高斯擴(kuò)散模型中引入車速、風(fēng)速與行駛方向夾角進(jìn)行改進(jìn)，再通過MATLAB進(jìn)行仿真模擬，分析結(jié)論如下：

(1)根據(jù)不同氨氣對人體的危害可以將泄漏點(diǎn)源周圍的區(qū)域劃分為5個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域，并通過MATLAB仿真模擬得出不同濃度的氯氣等值曲線。

(2)利用MATLAB能夠更直觀地得到移動點(diǎn)源和固定點(diǎn)源的液氨發(fā)生泄漏事故后的濃度分布及液氨泄漏擴(kuò)散后泄漏點(diǎn)源附近的氨氣濃度變化過程。

(3)通過對比，得到移動點(diǎn)源和固定點(diǎn)源液氨泄漏事故后5個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域范圍及面積和峰值濃度的變化規(guī)律。

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Simulation of Distribution of Leakage Concentration of Liquid Ammonia in Road Transport

WANG Wen-xuan，ZHU Ke-ning，ZHANG Jin-rong,LIU Hao-xue

(School of Automobile, Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064，China)

To cope with the liquid ammonia leakage diffusion accidents happened on roads, taking the leakage diffusion accidents of liquid ammonia during road transport as research object, by introduction tank truck speed, the angle between directions of tank truck movement and wind, the Gaussian model is improved to more accurately one to simulate the diffusion process of liquid ammonia leakage during road transport. The road liquid ammonia leakage accidents are simulate by using MATLAB software, and the ammonia affect area is divided into mild zone, moderate zone, severe zone, dead zone and instantaneous dead zone. With a comparison example of the leakage diffusion processes of moving and fixed point sources, the change characters of hazardous areas’ size, location, peak concentration, and the corresponding coordinates during and after leakage in 2 cases are obtained. The model can simulate the influence area of leakage accident of road transport rapidly and accurately, and can provide a reference for emergency rescue after accident.

traffic engineering; diffusion; simulation; liquid ammonia; dangerous area

2016-04-12

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目 (310812161012)

王文璇(1992-)，女，山西襄汾人，碩士研究生.(wangwenxuan@126.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.11.022

U492.3+36.3, X951

A

1002-0268(2016)11-0146-06