王 丹，趙文武

（1.西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院，陜西 西安 710000；2.中建三局集團(tuán)有限公司西北分公司，陜西 西安 710075）

氨作為一種重要的化工原料，為運(yùn)輸及儲(chǔ)存便利，通常將氣態(tài)的氨氣通過加壓或冷卻得到液態(tài)氨。液氨一種無色液體，有強(qiáng)烈刺激性氣味[1]。同樣液氨也是一種有毒易爆化學(xué)品，一旦發(fā)生泄漏，后果相當(dāng)嚴(yán)重。

因此，本研究運(yùn)用MATLAB 軟件，采用高斯羽流模型研究不同氣象條件下液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散的危險(xiǎn)區(qū)域，并使用Origin 軟件，對(duì)不同氣象條件下泄漏擴(kuò)散造成的最遠(yuǎn)傷害距離進(jìn)行擬合預(yù)測(cè)，為化工行業(yè)發(fā)生有毒物質(zhì)泄漏事故時(shí)，人員疏散應(yīng)急預(yù)案的編制奠定基礎(chǔ)和提供支持。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

以陜西省渭南市某化工企業(yè)的10000m3的液氨儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，模擬其泄漏情況。該市氣象數(shù)據(jù)如下：年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)及東北風(fēng)，年平均風(fēng)速為1.93m/s，最大風(fēng)速為15.3m/s，白天一般大氣穩(wěn)定度為A，夜間為D。本研究運(yùn)用軟件對(duì)該企業(yè)對(duì)不同氣象條件下液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散造成的最遠(yuǎn)傷害距離進(jìn)行擬合預(yù)測(cè)。

1.2 泄漏速率

該化工企業(yè)的10000m3液氨儲(chǔ)罐，罐內(nèi)壓力均為1.0MPa（絕壓），溫度均為-33℃，環(huán)境壓力取0.1MPa（絕壓）。對(duì)于其泄漏速率計(jì)算運(yùn)用液體泄漏模型經(jīng)驗(yàn)公式（1）如下[2]：式中：Q 為液體泄漏速率，kg/s；Cd為液體泄漏系數(shù)；在這里取0.5；A 為泄漏孔面積，m2；ρ 為液體密度，kg/m3，在這里取681kg/m3；P 為容器內(nèi)介質(zhì)壓力（絕壓），Pa，P=1.0×106；P0為大氣壓力（絕壓），Pa，P0=0.1×106；g 為重力加速度，g=9.8m/s2；h 為裂口之上液位高度，m，h=22.3m。

在此研究10000m3液氨儲(chǔ)罐，泄漏孔徑分為50mm 和25mm 的泄漏速率，經(jīng)計(jì)算其泄漏速率分別為35.1kg/s 和8.8kg/s。

1.3 建立模擬區(qū)域

本研究選用MATLAB 作為模擬工具，建立模擬區(qū)域[3]。根據(jù)液氨儲(chǔ)罐周圍人員密集程度，設(shè)定模擬液氨儲(chǔ)罐泄漏計(jì)算區(qū)域?yàn)镚x×Gy×Gz（1500×400×2）。設(shè)定兩泄漏源為內(nèi)徑分別為50mm 和 25mm 的圓孔，其位置坐標(biāo)為（0，0，1）。

1.4 液氨擴(kuò)散模型

本研究以非重氣的氨氣作為研究對(duì)象，探討液氨儲(chǔ)罐連續(xù)穩(wěn)定泄漏擴(kuò)散的情況，所以以高斯羽流模型[3]為基礎(chǔ)建立液氨的泄漏擴(kuò)散模型。

在此假設(shè)隨著泄漏罐內(nèi)壓力和液體密度不發(fā)生變化。當(dāng)液氨儲(chǔ)罐泄漏達(dá)到連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，運(yùn)用高斯羽流模型研究其擴(kuò)散特點(diǎn)[2]，擴(kuò)散模型見公式（2）：式中：C 為氣云中危險(xiǎn)物質(zhì)濃度，mg/m3；Q 為連續(xù)泄漏速率，mg/s；μ 為風(fēng)速，m/s；σx為x 方向的擴(kuò)散系數(shù)，m；σy為y 方向的擴(kuò)散系數(shù)，m；z為普通人均高度，m；x、y 為距離泄漏源的下風(fēng)向和橫風(fēng)向距離，m；H 為有效原高，m。

1.5 危險(xiǎn)區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)國(guó)內(nèi)氨氣衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，將液氨泄漏的危險(xiǎn)區(qū)域劃分為：致死、重傷和輕傷區(qū)域；致死區(qū)：氨氣的濃度為1500mg/m3；重傷區(qū)：氨氣的濃度為553mg/m3；輕傷區(qū)：氨氣的濃度為350mg/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)結(jié)果

本文以10000m3液氨儲(chǔ)罐作為研究對(duì)象，分別以大氣穩(wěn)定度、風(fēng)速和泄露速率作為研究條件，采用高斯羽流模型，得到不同條件下泄漏擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域，結(jié)果見表1。

2.2 不同氣象條件下危險(xiǎn)區(qū)域擬合預(yù)測(cè)分析

根據(jù)MATLAB 軟件模擬結(jié)果，再通過Origin軟件擬合出不同氣象條件下各危險(xiǎn)區(qū)域的各個(gè)風(fēng)向最遠(yuǎn)距離。擬合結(jié)果見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5 和圖6。

由圖1～圖6 看出，利用函數(shù)Y=aXb，將風(fēng)速分別與最遠(yuǎn)輕傷距離、最遠(yuǎn)重傷距離和最遠(yuǎn)死亡距離的擬合效果較好。

分析圖1 與圖2、圖3 與圖4、圖5 與圖6 可以看出，風(fēng)向?qū)ψ钸h(yuǎn)輕傷距離、最遠(yuǎn)重傷距離和最遠(yuǎn)死亡距離有較大影響，下風(fēng)向?qū)ζ溆绊懹葹槊黠@。

從圖1、圖2、圖3、圖4、圖5 和圖6 可以看出，最遠(yuǎn)輕傷距離、最遠(yuǎn)重傷距離和最遠(yuǎn)死亡距離受大氣穩(wěn)定度影響較大，大氣穩(wěn)定度越好，最遠(yuǎn)傷害距離越大。

表1 不同條件下液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域范圍

圖1 不同氣象條件下橫風(fēng)向最遠(yuǎn)輕傷距離

圖2 不同氣象條件下下風(fēng)向最遠(yuǎn)輕傷距離

圖3 不同氣象條件下橫風(fēng)向最遠(yuǎn)重傷距離

圖4 不同氣象條件下下風(fēng)向最遠(yuǎn)重傷距離

圖5 不同氣象條件下橫風(fēng)向最遠(yuǎn)死亡距離

圖6 不同氣象條件下下風(fēng)向最遠(yuǎn)死亡距離

3 結(jié)論

本研究以陜西省渭南市某化工企業(yè)液氨儲(chǔ)罐泄漏為對(duì)象，通過模擬計(jì)算，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）風(fēng)速對(duì)最遠(yuǎn)傷害距離的關(guān)系可以用Y=aXb 函數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)模型可知風(fēng)速越大，大氣穩(wěn)定度和泄漏量的差異均對(duì)橫風(fēng)向和下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離的影響越不明顯。

2）風(fēng)向?qū)ψ钸h(yuǎn)傷害距離具有明顯的影響，下風(fēng)向?qū)ζ溆绊懹葹槊黠@，這是因?yàn)橄嘛L(fēng)向?yàn)閿U(kuò)散主導(dǎo)風(fēng)向，下風(fēng)向空氣流動(dòng)速度較快導(dǎo)致的。

3）大氣穩(wěn)定度對(duì)最遠(yuǎn)傷害距離也有較為明顯的影響，大氣越穩(wěn)定，最遠(yuǎn)傷害距離越大，這是由于大氣穩(wěn)定度受日照強(qiáng)弱差異影響，日照越弱，大氣的氣溫垂直加速度運(yùn)動(dòng)越慢，大氣越穩(wěn)定，越有利于氨氣擴(kuò)散造成的。

4）風(fēng)速相同情況下，大氣穩(wěn)定度對(duì)下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離影響比對(duì)橫風(fēng)向最遠(yuǎn)距離影響大，這主要是由于下風(fēng)向?yàn)閿U(kuò)散主導(dǎo)風(fēng)向，一定的風(fēng)速會(huì)使大氣更穩(wěn)定度造成的。