張俊明，袁鵬，郭繼香，許偉寧，宋永會*

1.中國環(huán)境科學研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012 2.中國石油大學(北京)提高采收率研究院，北京 102249

基于MATLAB模擬的石化企業(yè)蒸餾裝置泄漏擴散環(huán)境風險分析

張俊明1,2，袁鵬1，郭繼香2，許偉寧1，宋永會1*

1.中國環(huán)境科學研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012 2.中國石油大學(北京)提高采收率研究院，北京 102249

為快速評估石化企業(yè)蒸餾裝置突發(fā)性泄漏事故可能產生的環(huán)境風險，基于危險物質泄漏和擴散模型，應用MATLAB軟件編程，計算得到在一定泄漏時間后泄漏出的原油蒸氣在無風和有風兩種氣象條件下的擴散結果，并將結果可視化。在兩種氣象條件下泄漏出的原油蒸氣最高濃度分別出現在泄漏源處和距泄漏源1 200 m處，并得到了相應的擴散濃度等高線圖。在可能發(fā)生爆炸的事故區(qū)內，事故超壓可使周圍的設備不同程度的燃燒或變形，爆炸區(qū)域上空的大氣環(huán)境也會受到一定程度的影響。在不同超壓半徑內的人員受體也會受到不同程度的傷害，半徑為90.3 m范圍內的人員全部死亡，半徑為145.4 m范圍內的人員造成重傷。爆炸事故中未完全燃燒的烷烴和非爆炸事故區(qū)的原油蒸氣也會對周圍環(huán)境造成影響，并對人員造成不同程度的健康傷害。

蒸餾裝置；泄漏；擴散；環(huán)境風險；MATLAB

當今蓬勃發(fā)展的石化行業(yè)滿足了社會和經濟發(fā)展對化工原材料日益增長的需求，也帶來了巨大的環(huán)境風險。石化企業(yè)生產和儲存的化學品中包括了大量有毒有害、易燃、易爆、易腐蝕等性質的危險化學品，并且其生產工藝一般都在高溫高壓條件下進行，由此引發(fā)的環(huán)境安全和環(huán)境風險可能導致人員傷亡、環(huán)境污染和經濟損失等，引起了各界對石化行業(yè)風險評估的高度關注[1-3]。國內對石化行業(yè)風險評估的研究主要集中在生產安全風險，主要考慮生產設備失效情況、廠內人員傷亡情況、造成的經濟損失等因素，黃衛(wèi)強[4]分析了高含硫原油導致蒸餾裝置腐蝕的風險并提出了相應的安全防范對策；曾小紅等[5]應用安全風險評價模型對液氨儲罐泄漏后造成的人員傷亡和財產損失情況進行了評估。但現有研究針對突發(fā)事故發(fā)生后對周圍環(huán)境影響考慮的不多[6]。因此，對石化企業(yè)來說，擁有一套完善的安全與環(huán)境風險防范、預警系統(tǒng)至關重要[7]。環(huán)境風險防范系統(tǒng)制定的第一步是開展風險識別，據此進行模擬情景分析與風險評估，并根據分析結果制定出相應的風險控制、應急、減緩措施。

在對環(huán)境風險進行分析和計算時可以應用現有的環(huán)境風險評價軟件，但大部分軟件并未充分考慮具體設備的泄漏類型，或計算模型與參數設定復雜、結果展示不直觀。MATLAB工具能夠集數值計算、符號計算和圖形可視化功能于一體，其所應用的語言結構簡單，能夠大大簡化計算過程，也非常適用于工程模擬[8]?；诖?，筆者以石化行業(yè)典型裝置蒸餾塔泄漏風險為研究對象，選用MATLAB作為模擬計算工具，將MATLAB語言引入泄漏擴散模型之中，以期得到高效且準確的模擬結果，同時為解決類似的環(huán)境風險評估與計算提供參考。

1 計算模型的選取

1.1 蒸餾塔的生產原理與風險特征

蒸餾是分離液體混合物的典型單元操作，是將液體混合物部分氣化，利用其中各組分揮發(fā)度不同的特性實現分離，這種分離操作通過液相和氣相間的質量傳遞來實現，實現蒸餾操作的裝置就是蒸餾塔。蒸餾操作是煉油化工的第一道工序。通過蒸餾可以按產品生產方案將原油分割成相應的直餾汽油、煤油及各種潤滑油餾分等半成品[9]。原油蒸餾一般包括常壓蒸餾和減壓蒸餾兩個部分[10]。

蒸餾塔的風險防范包括以下幾方面：常壓蒸餾應注意易燃液體的蒸餾不能采用明火做熱源，應采用水蒸氣或過熱水蒸氣加熱較為安全；當蒸餾具有強烈腐蝕性的高含硫原油時，應防止塔壁、塔盤腐蝕、易燃液體或蒸氣逸出、遇明火或灼熱爐壁燃燒；石化企業(yè)的蒸餾操作應注意蒸餾系統(tǒng)密閉，防止因高溫泄漏遇空氣而自燃[11]。

近年來，我國進口劣質原油總量在逐年增加，這些劣質原油的共同點是硫含量和酸含量較高。因此，常減壓蒸餾塔裝置的風險主要是由這些物質引起的設備腐蝕，從而導致塔內物料泄漏到周圍環(huán)境中[12]。由蒸餾裝置泄漏事故歷史統(tǒng)計數據[13]可知，蒸餾塔較易發(fā)生泄漏的部位為管道連接處、管接頭處、塔圈法蘭連接處、人孔處。

1.2 泄漏模型的選取

石化企業(yè)蒸餾裝置為高溫(裝置最高溫度700～800 ℃，介質最高溫度380 ℃)、帶壓(最高壓力2.5 MPa)、易燃(多種介質操作溫度高于其自燃點，遇空氣發(fā)生爆炸)、易爆(與空氣混合即形成爆炸性混合氣體的石油氣，爆炸極限為0.76%～6.9%的汽油)的生產裝置[14]。結合蒸餾裝置的以上特點，可選用以下泄漏模型計算氣體的泄漏速率和泄漏量。

基于空氣動力學的氣體泄漏速率模型綜合考慮了反應裝置泄漏速率與氣體性質、氣體狀態(tài)、泄漏裂口條件、裝置內部條件和外部大氣條件的關系等因素[15]。當氣體在音速流動時，泄漏速率計算式為：

(1)

式中，Q為氣體泄漏速率，kgs；Cd為氣體泄漏系數，當裂口形狀為圓形時取1.00，三角形時取0.95，長方形時取0.90；A為裂口面積，m2，按事故實際裂口情況或按《建設項目環(huán)境風險評價技術導則》[16]推薦的數值；ρ為泄漏氣體密度，kgm3；M為相對分子質量；R為氣體常數，J(mol·K)；k為氣體絕熱指數；T為氣體溫度，K。

當氣體在亞音速流動時，其泄漏速率計算式為：

(2)

式中，Y為氣體膨脹因子。

氣體膨脹因子與蒸餾塔內介質壓力、環(huán)境壓力和氣體絕熱指數有關，其計算式為：

(3)

式中，P為容器壓力，Pa；P0為環(huán)境壓力，Pa。

1.3 擴散模型的選取

危險性物質的泄漏有兩種方式：連續(xù)性泄漏和瞬時性泄漏。連續(xù)性泄漏指泄漏源是連續(xù)源或泄漏時間大于等于擴散時間；瞬時泄漏是指泄漏時間相對于擴散時間比較短的泄漏[17]。

泄漏出的氣體在大氣中的擴散模型，因氣象和地形條件的不同而不同。目前國內外對大氣擴散模型的研究很多，主要有高斯煙羽模型、高斯煙團模型、BM模型、Sutton模型及FEM3模型等[18]。高斯模型提出較早，發(fā)展到目前已較為成熟，適用于中性氣體，可模擬連續(xù)性泄漏和瞬時泄漏兩種泄漏方式，具有易于理解、運算量相對較小、計算結果與試驗結果能較好吻合等優(yōu)點，在計算氣體擴散時已得到廣泛應用。

選取的模擬條件為突發(fā)事故情景，選用連續(xù)性泄漏的高斯煙羽模型對風險進行模擬。假設沿x方向有一定的風速，則連續(xù)釋放后污染物形成的煙羽在向三個方向擴散的同時，會被風向下推流。

高架連續(xù)點源高斯煙羽模型[19]：

(4)

式中，C(x,y,z)為下風向(x,y,z)點處的污染物濃度，mgm3；Qm為泄漏的風險物質排放量，mg；σx、σy、σz為三個方向濃度分布的標準差，稱擴散參數；u為當地常年平均風速，ms；x為下風向距離，m；y為橫風向距離，m；z為計算點與泄漏源的垂直距離，m；H為有效排放高度，m。

擴散參數σx=σy=γ01T，σz=γ02T，其中γ01、γ02為靜風擴散參數系數，可從文獻[20]查得。

參考《地面氣象觀測規(guī)范》[21]，設定化工園區(qū)常年平均風速為2 ms，選取的大氣穩(wěn)定度為C級。根據《建設項目環(huán)境風險評價技術導則》的規(guī)定，因研究中選定的石化企業(yè)位于化工園區(qū)，故采用城市的擴散系數。在C級大氣穩(wěn)定度下的σy、σz分別為：σy=0.22x(1+0.000 4x)；σz=0.20x。

1.4 爆炸傷害模型的選取

泄漏出的原油蒸氣在短時間內即可形成足夠大的蒸氣云團，這種可燃蒸氣云團隨風飄移，遇火源發(fā)生蒸氣云爆炸。因此，可選取蒸氣云爆炸傷害模型。蒸氣云爆炸的能量常用TNT當量描述，TNT當量計算公式如下[22]：

(5)

式中，WTNT為蒸氣云的TNT當量，kg；Wf為蒸氣云中燃料的總質量，kg；α為蒸氣云爆炸的效率因子，表明參與爆炸的可燃氣體的比例，一般取3%或4%；Qf為蒸氣的燃燒熱，MJkg；QTNT為TNT的燃燒熱，一般取4.52 MJkg。

對于地面爆炸，一般應在式(5)的基礎上乘以地面爆炸系數1.8。

爆炸事故發(fā)生后，其對周圍受體產生的影響可以用爆炸波超壓來衡量，根據下式可計算出爆炸中心與給定超壓間的距離，即傷害半徑(r)[23]。

r=0.396 7WTNTexp[3.503 1-0.724 1lnΔp+0.039 8(lnΔp)2]

(6)

式中，Δp為超壓，psi(1 psi=6.9 kPa)。

2 過程模擬與后果計算

2.1 總體設計

該研究的設計結構主要包括風險源與事故情景分析、氣象參數、模型參數設定、模型計算、結果可視化、環(huán)境風險分析六部分。首先收集蒸餾塔內部危險物料數據，設定事故場景，查找氣象參數；然后確定大氣穩(wěn)定度，并選擇泄漏、擴散與爆炸模型參數；根據風險源與事故情景數據，選擇風險源擴散模式；選用MATLAB軟件作為模擬和結果可視化工具，模擬得出擴散結果并將最終的計算結果可視化；最后對爆炸風險區(qū)和非爆炸風險區(qū)進行環(huán)境風險分析，總體的分析流程如圖1所示。

圖1 分析流程Fig.1 Flowchart of the analysis

2.2 模擬參數設定

以某在建千萬噸級煉廠項目中的蒸餾裝置作為研究對象，對其在運行過程中塔體泄漏后的擴散結果進行模擬預測，并分析出爆炸風險存在區(qū)域發(fā)生爆炸后的影響范圍及非爆炸風險區(qū)對周圍人群受體可能造成的傷害。

假設運行中的蒸餾塔發(fā)生小孔泄漏，泄漏時間超過10 min后得到有效控制。因其泄漏時間相對較長，且根據蒸餾裝置溫度壓力特點可知，泄漏出的原油蒸氣會迅速擴散，故可將該泄漏視為高架連續(xù)點源泄漏。采用氣體泄漏速率模型〔式(1)〕和高架連續(xù)泄漏擴散模型〔式(4)〕評估泄漏可能造成的后果，計算出從開始泄漏到10 min后的原油蒸氣擴散濃度變化和范圍，并計算出可能發(fā)生爆炸事故的最大范圍。

設定模擬泄漏孔高度為40 m，蒸餾裝置中在40 m處原油蒸氣的具體組分及所占比例見表1。

表1 原油蒸氣組分及所占比例

根據表1得出原油蒸氣泄漏速率估算時所需參數，其他參數參考《建設項目環(huán)境風險評價技術導則》中推薦的數值。具體參數數值如表2所示。

表2 原油蒸氣泄漏速率的相關計算參數

根據文獻[24]提供的數據，原油蒸氣在573.15 K時的爆炸極限為4.26%～15.62%。

該蒸餾裝置的模擬泄漏擴散參數見表3，不難理解，當位于蒸餾塔塔體的泄漏小孔越大時，原油蒸氣的泄漏速率和泄漏量都會增加。

表3 模擬蒸餾塔泄漏擴散計算參數[25]

蒸氣云爆炸傷害模型中的相關參數見表4。因研究所涉及物質均為簡單烴類，故頻率因子取3%。

表4 蒸氣云爆炸傷害計算模型的相關參數[26-27]

2.3 模擬計算結果及結果可視化

在MATLAB7.0的命令窗口中，將表2與表3各參數值賦值給音速流動氣體泄漏計算公式〔式(1)〕及瞬時泄漏擴散模型〔式(4)〕中涉及的變量，再寫出上述兩種模型的MATLAB語言表達式，調用軟件自帶的繪圖函數，得到原油蒸氣在空間中的濃度分布如圖2～圖5所示。在擴散濃度等高線圖中，根據原油蒸氣的爆炸極限標記出在無風和有風氣象條件下可能發(fā)生爆炸事故的范圍。

圖2為在無風氣象條件下，泄漏出的原油蒸氣濃度隨距離x的變化。從圖2可以看出，由于沒有風的加速擴散作用，蒸氣濃度在泄漏源處的濃度最大，為0.049 mgm3。圖3為無風氣象條件下泄漏出的原油蒸氣的擴散濃度等高線。其中，黑色濃度等高線表示原油蒸氣的爆炸下限濃度，即4.26%。黑色濃度等高線圈定的區(qū)域就是在無風氣象條件下的爆炸風險存在區(qū)，風險區(qū)域半徑約為183 m。

圖2 無風氣象條件下蒸氣濃度隨距離的變化曲線 Fig.2 Vapor concentration changing curve in windless conditions

圖3 原油蒸氣在無風氣象條件下的擴散濃度等高線Fig.3 Diffusion concentration contour map of crude oil vapor in windless conditions

圖4 在風速為2 ms條件下蒸氣濃度隨下風向距離的變化 Fig.4 Vapor concentration changing curve in the downwind directions in the wind speed of u=2 ms

圖5 原油蒸氣在風速為2 ms條件下的擴散濃度等高線Fig.5 Diffusion concentration contour map of crude oil vapor in the wind speed of u=2 ms

2.4 環(huán)境風險分析

以模擬結果中的爆炸上限原油蒸氣濃度區(qū)域發(fā)生的爆炸事故為最大可信事故，計算事故發(fā)生后的影響區(qū)域范圍。根據式(6)計算出發(fā)生蒸氣云爆炸時的TNT當量值(WTNT)為60 513 kg。

爆炸產生的熱輻射可能燒毀設備甚至造成人員傷亡，當產生的熱輻射強度足夠大時，可使周圍的物體燃燒或變形。表5列出了不同熱輻射強度對周圍設備和人員受體所造成的傷害。

表5 不同熱輻射強度所造成的傷害

爆炸產生的沖擊波所引起的人員傷害范圍主要分為死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)和安全區(qū)四個區(qū)。根據表4中的超壓參數，由式(7)計算出各級爆炸傷害半徑，結果見表6。

表6 蒸氣云爆炸各級傷害半徑

圖3和圖5中黑色濃度等高線圈定的區(qū)域為可能的爆炸事故區(qū)。蒸氣云團和空氣的預混物在低能量點火條件下發(fā)生爆燃后，云團區(qū)內的爆炸波作用、云團外的沖擊波作用、高溫燃燒作用和熱輻射作用，以及缺氧造成的窒息作用等主要因素，可導致半徑為90.3 m范圍內的人員全部死亡，半徑為145.4 m范圍內的人員造成重傷，半徑為278.6 m范圍內的人員造成輕傷，半徑為354.3 m范圍內的建筑物(磚砌)房屋外表面50%～70%破損[28]。發(fā)生的蒸氣云爆炸事故除了對周圍人員及建筑物造成以上傷害外，對周圍環(huán)境也會造成一定的影響：爆炸產生的含油滴濃煙會造成以爆炸點為中心一定范圍內降落大量的油煙塵；同時，爆炸點上空局部空間氣溫、氣壓、能見度等也將產生明顯的變化，對局部大氣環(huán)境造成污染[29]。

在標記的黑色濃度等高線以外，即不會發(fā)生爆炸風險的區(qū)域，人員暴露在該區(qū)域中，泄漏出的原油蒸氣濃度為9%時，人體不會產生不良反應。如果吸入濃度更高的原油蒸氣，則會引起前額和眼部有壓迫感，但只要恢復呼吸新鮮空氣，就可消除這種不適感[30]。

3 結論

將MATLAB應用到石化企業(yè)蒸餾裝置泄漏場景的風險評價當中，可實現風險模型和所涉及的模型參數的設定和優(yōu)化，繪制出在一定泄漏時間后的原油蒸氣擴散濃度等高線圖，得到模擬分析結果。

案例模擬計算表明，蒸餾塔原油蒸氣泄漏在無風和風速為2 ms的條件下，最終的擴散結果相差很大，說明選定的擴散模型對風速敏感性較強；泄漏出的原油蒸氣發(fā)生爆炸時，產生的熱輻射會對周圍裝置和人員受體造成不同程度的影響和傷害；在可能爆炸事故區(qū)，爆炸上限區(qū)域發(fā)生爆炸事故后，死亡半徑為90.3 m，重傷半徑為145.4 m，輕傷半徑為278.6 m，財產損失半徑為354.3 m，周圍的大氣環(huán)境也會受到一定程度的污染；在模擬結果中不具有爆炸風險的區(qū)域里，泄漏出的原油蒸氣對周圍的公眾受體將會造成不同程度的健康影響和傷害。

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AnalysisofEnvironmentalRiskofLeakageandDiffusionofDistillationColumninPetrochemicalEnterprisesBasedonMATLAB

ZHANG Jun-ming1,2, YUAN Peng1, GUO Ji-xiang2, XU Wei-ning1, SONG Yong-hui1

1.Department of Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.Enhanced Oil Recovery Research Institute, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China

In order to fast assess the environmental risks of emergency leakage from the distillation columns in petrochemical enterprises, the diffusion results of crude oil vapor under both calm and windy conditions were obtained and then visualized by applying the software MATLAB based on hazardous substance leakage and diffusion models. Under the two types of meteorological conditions, the maximum concentrations of the released crude oil vapor were found at release source and at the point in the distance of 1 200 m from the release point respectively. The figures of concentration contours were obtained based on simulating calculations. In the possible explosion areas, the facilities around the explosion sites could be on fire or deformed because of overpressure, and the atmospheric environment over the explosion sites would be polluted. People in different radius ranges of overpressure would be damaged by different degrees. People would all get to death within a radius of 90.3 m of explosion accident and would be heavily injured within a radius of 145.4 m. The alkane from incomplete combustion of the explosion accidents and the crude oil vapor beyond the explosion areas would also have some adverse effects on the people's health and the surrounding environment.

distilling column; leakage; diffusion; environmental risk; MATLAB

1674-991X(2013)03-0259-07

2012-12-20

國家高技術發(fā)展計劃(863)項目(2008AA06A404)

張俊明(1987—)，男，碩士研究生，主要研究環(huán)境風險評價與管理，z_junming@163.com

*責任作者:宋永會(1967—)，男，研究員，博士，主要從事水污染控制技術與環(huán)境管理研究，songyh@craes.org.cn

X821

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.03.041