江 南,陳玉明

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093)

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結(jié)合Fluent的液氨泄漏擴(kuò)散模擬及中毒定量評(píng)估

江 南,陳玉明

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093)

運(yùn)用Fluent數(shù)值模擬軟件計(jì)算分析液氨泄漏擴(kuò)散濃度場(chǎng)及擴(kuò)散規(guī)律,并與基于高斯煙羽模型的理論計(jì)算結(jié)果相對(duì)比,驗(yàn)證其結(jié)果的可靠性。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和暴露時(shí)間,對(duì)人員在靜止?fàn)顟B(tài)及疏散狀態(tài)下的死亡百分率進(jìn)行定量評(píng)估。結(jié)果表明結(jié)合Fluent數(shù)值模擬的急性中毒定性評(píng)估方法能夠直觀、動(dòng)態(tài)、可靠的反應(yīng)泄漏擴(kuò)散的范圍及影響,具有良好的應(yīng)用前景。

液氨泄漏;Fluent;高斯煙羽模型;中毒;定量評(píng)估

氨是化工行業(yè)重要的原材料之一,企業(yè)通常用物理方法使其處于液化狀態(tài)并置于壓力容器中以便于儲(chǔ)存及運(yùn)輸[1]。近年來液氨泄漏事故多次發(fā)生,除了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失外,對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境也造成了不可逆的損害。目前對(duì)泄漏中毒危害的研究主要有三種方法:理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬[2]。數(shù)值模擬可以準(zhǔn)確得到泄漏場(chǎng)的濃度分布,彌補(bǔ)了理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的不足,將其模擬結(jié)果結(jié)合中毒劑量反應(yīng)模型,可對(duì)液氨泄漏中毒危害進(jìn)行定量評(píng)估。

1 液氨泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬

1.1 液氨泄漏CFD控制方程

對(duì)液氨泄漏事故進(jìn)行數(shù)值模擬,可以借助以流體運(yùn)動(dòng)為研究對(duì)象的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD,computational fluid dynamics)模型,常用的CFD軟件有Fluent、CEX、FLOW3D等。選用目前國際上最為通用的Fluent進(jìn)行模擬,建立無化學(xué)反應(yīng)的組分運(yùn)輸模型[3],通過離散化守恒方程并對(duì)其迭代求解,可以得到泄漏氣體的實(shí)時(shí)濃度場(chǎng),該方程為

(1)

其中:ρ為氣體密度(kg/m3);Yi為組分i質(zhì)量分?jǐn)?shù)(kg/s);Ji為組分i質(zhì)量擴(kuò)散(m2/s);Si為離散源項(xiàng)導(dǎo)致的額外參數(shù)速率(m/s)。

1.2 模擬場(chǎng)景簡(jiǎn)介

事故場(chǎng)景選定公稱直徑15 m的液氨儲(chǔ)罐為泄漏源,最大貯存量為1 700 t,儲(chǔ)存溫度保持15 ℃,內(nèi)部壓力控制在1.6 MPa;假設(shè)儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏速度為9.6 m2/s的連續(xù)泄漏,泄漏口為圓形,面積1×10-4m2,得出泄漏源強(qiáng)為3 kg/s。泄漏時(shí)周圍環(huán)境溫度20℃ ,風(fēng)速自左向右0.8 m/s,泄漏模擬時(shí)間為1 000 s。

1.3 模擬結(jié)果及分析

為獲得目標(biāo)結(jié)果,通過后處理截取水平面來顯示模擬情況。持續(xù)泄漏時(shí)間分別為50 s、100 s、200 s、400 s、700 s、1 000 s時(shí)數(shù)值模擬的濃度時(shí)空分布見圖1。

從圖1可以看出液氨泄漏后受風(fēng)力影響,在順風(fēng)方向擴(kuò)散速度快、濃度高,而垂直風(fēng)向方向擴(kuò)散速度慢、濃度小,表明在風(fēng)力作用下的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)大于氨氣自身的擴(kuò)散速度,因此一旦發(fā)生液氨泄漏事故,應(yīng)及時(shí)沿垂直風(fēng)向的方向撤離。

圖1 液氨泄漏擴(kuò)散模擬Fig.1 Liquid ammonia leakage diffusion simulated diagram

根據(jù)氨氣致死區(qū)、重傷區(qū)和致傷區(qū)的劑量標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果,可以得出液氨泄漏后下風(fēng)向致死區(qū)、重傷區(qū)和致傷區(qū)距離分別為335 m、650 m、1 402 m。處于致死區(qū)的人員會(huì)重度中毒,危及生命;重傷區(qū)中人員有中度中毒危險(xiǎn),人體不適反應(yīng)強(qiáng)烈;人員若長(zhǎng)時(shí)間在致傷區(qū)停留會(huì)導(dǎo)致輕度中毒。企業(yè)可以根據(jù)該結(jié)果合理制定疏散方案,減少人員傷亡。

2 液氨泄漏擴(kuò)散理論計(jì)算

連續(xù)泄漏和瞬時(shí)泄漏是液氨儲(chǔ)罐泄漏的兩種形式,液氨連續(xù)泄漏是由于儲(chǔ)罐連接附件或罐體裂縫損壞而導(dǎo)致,而瞬時(shí)泄漏則是由于罐體內(nèi)部超壓而引起的爆炸事故[4]。在研究氣體泄漏擴(kuò)散濃度時(shí)通常采用高斯擴(kuò)散模型,其中計(jì)算連續(xù)泄漏采用高斯煙羽模型,計(jì)算瞬時(shí)泄漏采用高斯煙團(tuán)模型[5]。液氨泄漏是連續(xù)擴(kuò)散的過程,因此采用高斯煙羽模型公式來估算擴(kuò)散濃度,取泄漏點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),X軸與主導(dǎo)風(fēng)向順風(fēng)方向一致。高斯煙羽模型公式為

其中:C(x,y,z)為下風(fēng)向某一位置的污染物質(zhì)量濃度(kg/m3);Q為泄漏物質(zhì)量流量(kg/s);u為平均風(fēng)速(m/s);σy、σz分別為 y、z方向上的擴(kuò)散參數(shù);H為有效源高(m)。

根據(jù)公式(2),代入風(fēng)速與距離可以得到下風(fēng)向 1.5 m高度(相當(dāng)于人員口鼻高度)不同距離處擴(kuò)散理論質(zhì)量濃度值,見表1。

表1 風(fēng)向 1.5 m高度不同距離處的濃度值

將數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比,比較結(jié)果見圖2。

根據(jù)圖2可得,數(shù)值模擬獲得的值較理論值更為保守,其數(shù)據(jù)差異均在5%以內(nèi),極為接近,說明Fluent數(shù)值模擬對(duì)液氨泄漏擴(kuò)散的模擬可為企業(yè)獲得可信度較高的參考。相比理論計(jì)算,數(shù)值模擬的高效性、可視性使得其更受研究者和企業(yè)的青睞,淺顯易見的濃度分布圖使得不管是桌面演練還是全面演練都有可靠的科學(xué)理論支撐。

3 液氨泄漏急性中毒定量評(píng)估

3.1 中毒劑量反應(yīng)模型

目前主要利用概率函數(shù)法來描述毒物對(duì)人體的危害程度,該方法由人體接觸毒物的濃度、性質(zhì)常數(shù)以及接觸時(shí)間確定[6]。毒物對(duì)評(píng)估對(duì)象所造成危害的概率為

圖2 理論值與數(shù)值模擬值的比較Fig.2 Comparison between theoretical values and numerical simulation values

(3)

其中:Y為死亡概率;a,b為毒物性質(zhì)常數(shù);V為毒物劑量,其計(jì)算方法為

(4)

其中:C為毒物體積濃度(×10-6);n為濃度指數(shù);t為接觸時(shí)間(min);t0、tend分別為接觸開始和結(jié)束時(shí)間;Ci為間隔時(shí)間內(nèi)毒物濃度;Δti為間隔時(shí)間;K為間隔時(shí)間總數(shù)。

概率Y與中毒死亡百分率P之間的關(guān)系為

(5)

將氨氣的毒物性質(zhì)代入式(5),可得到氨氣中毒劑量反應(yīng)模型為

(6)

根據(jù)式(6)可對(duì)液氨儲(chǔ)罐泄漏時(shí)不同位置、不同時(shí)間的人員中毒危害進(jìn)行定量評(píng)估。

3.2 靜止?fàn)顟B(tài)急性中毒評(píng)估

液氨泄漏后氨氣在空氣中擴(kuò)散,人員在靜止?fàn)顟B(tài)下隨距離與暴露時(shí)間不同,死亡百分率也有所不同。靜止?fàn)顟B(tài)下人員暴露死亡百分率曲線見圖3。

從圖3中可以看出,與泄漏源的距離越近或暴露時(shí)間越長(zhǎng),死亡百分率越高。距離泄漏口100 m可在5 min達(dá)到94%死亡率,在泄漏源下風(fēng)向200 m處25 min時(shí)死亡概率仍達(dá)到55%(暴露5 min的死亡百分率為0),可見及時(shí)撤離危險(xiǎn)濃度區(qū)域的重要性。

圖3 靜止?fàn)顟B(tài)下人員暴露死亡百分率曲線Fig.3 Exposure mortality percentage curve graph of personnel in the stationary state

通過人員靜止?fàn)顟B(tài)急性中毒評(píng)估與泄漏時(shí)間發(fā)生點(diǎn)相結(jié)合,可獲得周邊受影響區(qū)域每一點(diǎn)的死亡百分率。企業(yè)組織應(yīng)急救援演練時(shí),可以將靜止?fàn)顟B(tài)急性中毒評(píng)估中周邊區(qū)域內(nèi)死亡概率較大的居民加入應(yīng)急演練,同時(shí)對(duì)這一區(qū)域的居民進(jìn)行必要的預(yù)防教育,以便收到警報(bào)或自身發(fā)現(xiàn)后能立即撤離現(xiàn)場(chǎng)或采取防護(hù)措施。

3.3 疏散狀態(tài)急性中毒評(píng)估

在實(shí)際工作過程中出現(xiàn)液氨泄露時(shí),現(xiàn)場(chǎng)工作人員發(fā)現(xiàn)后會(huì)立即按應(yīng)急預(yù)案規(guī)定路線疏散,因此對(duì)近距離工作人員在疏散過程中的急性中毒風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)估十分重要[7]。設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)與泄漏源距離分別為100 m、200 m、300 m、400 m、500 m,高度為1.5 m,記為P1～P5。人員經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)的質(zhì)量濃度見表2。

表2 人員經(jīng)過檢測(cè)點(diǎn)時(shí)的質(zhì)量濃度值

根據(jù)公式(6)可得:疏散的過程中死亡百分率為3.15%,對(duì)于近距離工作人員,若疏散不及時(shí),在5 min時(shí)死亡概率就高達(dá)95%,據(jù)此可見日常應(yīng)急疏散演練的重要性。

通過人員疏散狀態(tài)下的急性中毒定量分析,企業(yè)可以制定更加合理的應(yīng)急疏散路線。平時(shí)注意保持該路線的暢通,避免發(fā)生泄漏事故時(shí)道路阻礙的情況,特別是儲(chǔ)罐區(qū)域內(nèi)的工作人員,必須熟知發(fā)生泄漏時(shí)的最佳撤離路線。

4 結(jié)論

(1) Fluent數(shù)值模擬結(jié)果能直觀反映液氨儲(chǔ)罐泄漏后氨氣在空氣中的擴(kuò)散情況,風(fēng)力作用下的氨氣的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)大于其自身的擴(kuò)散速度,氨氣濃度在水平方向隨距離逐漸減弱。因此一旦發(fā)生液氨泄漏事故,應(yīng)逆風(fēng)或垂直于風(fēng)向方向疏散至安全區(qū)域,最大限度減少人員傷亡。

(2) 對(duì)比同一位置數(shù)值模擬測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果,得到其誤差在5%以內(nèi),說明Fluent模擬液氨泄漏擴(kuò)散結(jié)果直觀、動(dòng)態(tài)、可靠,可為企業(yè)提供良好參照。

(3) 采用中毒劑量反應(yīng)模型對(duì)人員在靜止及疏散過程中的中毒概率進(jìn)行定性評(píng)估,結(jié)合靜止?fàn)顟B(tài)急性中毒評(píng)估可制定周圍居民應(yīng)急方案,根據(jù)疏散狀態(tài)急性中毒評(píng)估可規(guī)劃近距離操作人員應(yīng)急撤離路線,為液氨泄漏事故應(yīng)急救援與疏散提供指導(dǎo)。

(4) 結(jié)合Fluent數(shù)值模擬的液氨泄漏中毒定量評(píng)估方法,可以定量的對(duì)任意位置及任意時(shí)間人員的死亡百分率進(jìn)行評(píng)估,彌補(bǔ)了定性評(píng)價(jià)及經(jīng)驗(yàn)公式得出概率不準(zhǔn)確的不足,同時(shí)也可以為相似毒物泄漏中毒評(píng)估提供方法。

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Liquid Ammonia Leakage Diffusion Simulation and Poisoning Quantitative Evaluation Combined with Fluent

Jiang Nan,Chen Yuming

(Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China)

Apply the Fluent numerical simulation software to calculate and analyze the liquid ammonia leakage diffusion concentration field and diffusion rule,compare it with theoretical calculation results based on Gaussian plume model to verify the reliability of results. Combine the numerical simulation results and exposure duration to conduct the quantitative evaluation on the personnel mortality percentage under the conditions of stationary state and evacuation state. The results show that the acute poisoning qualitative evaluation method combined with Fluent numerical simulation can intuitional,dynamic and reliable reflect the leakage diffusion scope and influence and it has very good application prospect.

Liquid ammonia leakage;Fluent;Gaussian plume model;Poison;Qualitative evaluation

Jiang Nan,Chen Yuming.Liquid Ammonia Leakage Diffusion Simulation and Poisoning Quantitative Evaluation Combined with Fluent[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(6):69-72.[江南,陳玉明.結(jié)合Fluent的液氨泄漏擴(kuò)散模擬及中毒定量評(píng)估[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(6):69-72.]

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.06.014.

2015-12-30;

2016-04-02.

江南(1992-),女,云南紅河人,碩士研究生,研究方向?yàn)榘踩夹g(shù).E-mail:hijiangnan@qq.com.

X928

A

1004-0366(2016)06-0069-04