王丹,宋文軒

(西安建筑科技大學(xué) 華清學(xué)院,陜西 西安 71000)

近年來(lái),隨著社會(huì)需求的日益增長(zhǎng),化工企業(yè)發(fā)展速度也在不斷提升,一些具有易燃易爆、有毒等特性的危險(xiǎn)化學(xué)品被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,在一定程度上增加了重特大事故的發(fā)生概率,對(duì)城市安全及人類安全產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì),2000～2020年化工企業(yè)發(fā)生事故228起,其中國(guó)內(nèi)193起,占比84.6%,國(guó)外35起,占比15.3%,且事故總起數(shù)呈上升趨勢(shì),因此化工企業(yè)的安全問(wèn)題受到了廣泛的關(guān)注。

液氨是一種重要的化工原料,被廣泛應(yīng)用于煉焦、制冷等相關(guān)化工行業(yè)。但從液氨的理化特性來(lái)看,其也是有毒、易爆的危險(xiǎn)化學(xué)品,如若一旦發(fā)生泄漏,造成的事故后果以及影響將極為嚴(yán)重[1]。2013年4月四川峨眉山仁壽縣曾發(fā)生液氨泄露事故造成4死22中毒的較大事故;2013年8月上海曾發(fā)生液氨管路系統(tǒng)泄漏造成15死25人中毒的重大事故等等。由此可看出重要的化工原料液氨,雖然說(shuō)滿足了各行各業(yè)日益增長(zhǎng)的需求,但同時(shí)給各行各業(yè)也帶來(lái)了很大的威脅,稍有不慎就會(huì)釀成悲劇,進(jìn)而影響到個(gè)人、家庭、企業(yè)甚至社會(huì)的發(fā)展。因此本文擬以某液氨儲(chǔ)罐為研究對(duì)象,基于MATLAB軟件運(yùn)用泄漏模型以及高斯煙羽擴(kuò)散模型對(duì)其泄漏擴(kuò)散范圍進(jìn)行模擬研究,為涉氨化工企業(yè)安全管理以及事故應(yīng)急處置提供一定的參考價(jià)值。

1 研究對(duì)象

本文以延安某化工企業(yè)液氨儲(chǔ)罐為研究對(duì)象,該儲(chǔ)罐規(guī)格為規(guī)格Φ2 800 mm×20 328 mm,最大儲(chǔ)量48.5 t,儲(chǔ)存溫度為常溫(25 ℃),壓力為1.3 MPa,當(dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速為2.1 m/s,最大風(fēng)速為25 m/s,基于此基本背景情況對(duì)其進(jìn)行泄漏擴(kuò)散模擬。

2 基于MATLAB軟件的液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散模擬

2.1 液氨儲(chǔ)罐事故模式分析

液氨儲(chǔ)罐事故發(fā)生分為三個(gè)階段,分別為:泄漏、閃蒸(擴(kuò)散)、爆炸。

2.1.1 泄漏階段

液氨儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏的形式很多,主要從液氨本身的理化特性以及儲(chǔ)罐保護(hù)措施失效兩面引起泄漏事故的發(fā)生。從液氨儲(chǔ)罐事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看,以液氨儲(chǔ)罐管路系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致泄漏為主深入分析得知。一般情況下導(dǎo)致液氨儲(chǔ)罐泄漏原因主要有以下7點(diǎn):

1)設(shè)備故障:儲(chǔ)罐內(nèi)部的設(shè)備(如閥門、管道等)出現(xiàn)故障,導(dǎo)致液氨泄漏。

2)不當(dāng)操作:操作人員在操作液氨儲(chǔ)罐時(shí),未按照規(guī)定的程序進(jìn)行,或者未正確關(guān)閉閥門等設(shè)備,導(dǎo)致液氨泄漏。

3)外部因素:外部因素如地震、火災(zāi)等可能會(huì)導(dǎo)致液氨儲(chǔ)罐泄漏。

4)材料老化:儲(chǔ)罐內(nèi)部的材料長(zhǎng)時(shí)間使用后,可能會(huì)出現(xiàn)老化,導(dǎo)致儲(chǔ)罐的密封性能下降,從而導(dǎo)致液氨泄漏。

5)不當(dāng)維護(hù):儲(chǔ)罐的維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng),例如未定期檢查儲(chǔ)罐的密封性能、未及時(shí)更換老化的設(shè)備等,可能會(huì)導(dǎo)致液氨泄漏。

6)設(shè)計(jì)缺陷:儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)存在缺陷,例如儲(chǔ)罐的密封性能不足、閥門設(shè)計(jì)不合理等,可能會(huì)導(dǎo)致液氨泄漏。

7)環(huán)境因素:環(huán)境因素如溫度、濕度等也可能會(huì)影響液氨儲(chǔ)罐的密封性能,從而導(dǎo)致液氨泄漏。例如,在高溫環(huán)境下,儲(chǔ)罐內(nèi)部的壓力可能會(huì)升高,從而導(dǎo)致液氨泄漏。

2.1.2 閃蒸(擴(kuò)散)階段

液氨的閃蒸是指,當(dāng)液氨從高壓狀態(tài)下突然放到低壓狀態(tài)下時(shí),液氨會(huì)迅速蒸發(fā),產(chǎn)生大量的氣體。這種現(xiàn)象通常會(huì)在液氨儲(chǔ)罐、輸送管道等系統(tǒng)中發(fā)生,如果不加以控制,將會(huì)形成液氨蒸氣擴(kuò)散后在儲(chǔ)罐區(qū)大量堆積,造成儲(chǔ)罐周圍人員急性中毒,進(jìn)而導(dǎo)致安全事故。

2.1.3 爆炸階段

當(dāng)液氨泄漏蒸發(fā)后,與空氣混合達(dá)到一定比例后(即爆炸極限范圍內(nèi)),如果周圍有明火或高溫物體時(shí),就會(huì)發(fā)生爆炸。液氨爆炸后產(chǎn)生的沖擊波超壓、釋放的熱量等,都會(huì)對(duì)人、建筑物以及設(shè)備造成嚴(yán)重的威脅,造成嚴(yán)重的損失。液氨蒸氣云爆炸的發(fā)生與液氨的物理和化學(xué)性質(zhì)有關(guān),液氨是一種易揮發(fā)的氣體,蒸發(fā)后形成的氨氣云具有一定的濃度和可燃性。通過(guò)以上液氨儲(chǔ)罐事故原因分析,得出液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散的主要事故模式見(jiàn)下圖1。本文主要對(duì)液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散所造成的范圍進(jìn)行研究分析。

圖1 事故模式

2.2 液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散模擬

根據(jù)以上事故模式,基于MATLAB軟件,運(yùn)用泄漏模型和高斯擴(kuò)散模型,對(duì)液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散范圍進(jìn)行模擬計(jì)算。主要運(yùn)用兩相流泄漏模型以及高斯擴(kuò)散模型,模型簡(jiǎn)介如下。

2.2.1 兩相流泄漏模型

通過(guò)對(duì)液氨的特性以及儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存溫度和壓力的分析,泄漏模型擬用兩相流泄漏模型[2]。具體計(jì)算公式如下式(1):

(1)

式中:Q0——兩相流動(dòng)混合物泄漏速度,kg/s;

Cd——兩相流動(dòng)混合物的泄漏系數(shù);

A——裂口面積,m2;

p——兩相混合物的壓力,Pa;

PC——臨界壓力,Pa,可取0.55 Pa;

ρ——兩相流動(dòng)混合物的平均密度,kg/m3,可由下式(2)計(jì)算:

(2)

式中:ρ1——液體蒸發(fā)的蒸汽密度,kg/m3;

ρ2——液體密度,kg/m3;

Fv——蒸發(fā)的液體所占液體總量的比值。

(3)

式中:CP——液體的定壓比熱,J/(kg·K);

T——泄漏前液體的溫度,K;

T0——液體在常壓下的沸點(diǎn),K;

H——液體的氣化熱,J/kg。

根據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》AQ/T 3046—2013中附錄F確定液氨儲(chǔ)罐檢測(cè)系統(tǒng)為B級(jí)[3],隔離系統(tǒng)為B級(jí),因此假設(shè)其泄漏孔徑為25 mm,可得泄漏面積A=4.9×10-4m2;在此取泄漏系數(shù)Cd=0.8,液氨儲(chǔ)罐壓力P=1.3×106Pa,經(jīng)計(jì)算臨界壓力PC= 7.15×105Pa;經(jīng)計(jì)算Fv=0.2(其中,CP=4 700 J/(kg·K)、T=298 K、T0=239 K、H=1 371 000 J/kg),兩相流混合物平均密度ρ=55 kg/m3(其中,ρ1=11.61 kg/m3、ρ2=710 kg/m3),帶入兩相流泄漏公式,經(jīng)計(jì)算得出泄漏速率為Q0=3.15 kg/s。

2.2.2 高斯擴(kuò)散模型

在此假設(shè)泄漏過(guò)程中儲(chǔ)罐內(nèi)壓力和密度不變化,發(fā)生連續(xù)泄漏擴(kuò)散,運(yùn)用高斯煙羽模型模擬擴(kuò)散范圍。當(dāng)泄漏達(dá)到連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),擴(kuò)散模型[4]見(jiàn)公式如下:

(4)

式中:C——?dú)庠浦械奈ｋU(xiǎn)物質(zhì)含量,mg/m3;

Q——連續(xù)泄漏速率,mg/s;

μ——風(fēng)速,m/s;

σx——x方向的擴(kuò)散系數(shù),m;

σy——y方向的擴(kuò)散系數(shù),m;

z——普通人均高度,m;

x、y——為研究對(duì)象距液氨儲(chǔ)罐下風(fēng)和橫風(fēng)的距離,m;

H——為有效源高,m。

根據(jù)液氨儲(chǔ)罐所在地區(qū)氣象條件,可知液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散大氣穩(wěn)定度[2]白天為A,夜間為D。

根據(jù)國(guó)內(nèi)氨氣衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[4-5],再此以350 mg/m3為輕傷濃度,530 mg/m3為重傷濃度, 1 500 mg/m3為致死濃度,30 min以上可致人死亡(即重傷);3 800 mg/m3可危及生命(即死亡),5 min以上可致人死亡;3 800 mg/m3以上為即時(shí)死亡。

運(yùn)用MATLAB軟件模擬其靜風(fēng)(1 m/s)、年平均風(fēng)速(2.1 m/s)下不同大氣穩(wěn)定(A、D)的泄漏擴(kuò)散范圍,模擬結(jié)果見(jiàn)下圖2～圖5。

圖2 靜風(fēng)大氣穩(wěn)定度為A的各濃度下泄漏擴(kuò)散范圍

在泄漏速率為3.15 kg/s、靜風(fēng)速為1 m/s、年平均風(fēng)速為2.1 m/s的條件下,液氨儲(chǔ)罐泄漏情況如上:圖2為靜風(fēng)大氣穩(wěn)定度為A的泄漏擴(kuò)散范圍,圖3為靜風(fēng)大氣穩(wěn)定度為D的泄漏擴(kuò)散范圍,圖4為年平均風(fēng)速大氣穩(wěn)定度為A的泄漏擴(kuò)散范圍,圖5為年平均風(fēng)速大氣穩(wěn)定度為D的泄漏擴(kuò)散范圍,泄漏擴(kuò)散影響范圍結(jié)果如下(匯總見(jiàn)下表4):

圖3 靜風(fēng)大氣穩(wěn)定度為D的各濃度下泄漏擴(kuò)散范圍

圖4 年平均風(fēng)速大氣穩(wěn)定度為A各濃度下的泄漏擴(kuò)散范圍

圖5 年平均風(fēng)速大氣穩(wěn)定度為D的泄漏擴(kuò)散范圍

1)靜風(fēng)速下大氣穩(wěn)定度為A時(shí),死亡區(qū)濃度內(nèi)橫風(fēng)最遠(yuǎn)y=±26 m,下風(fēng)最遠(yuǎn)x=94 m;重傷濃度內(nèi)橫風(fēng)最遠(yuǎn)y=±42 m,下風(fēng)最遠(yuǎn)x=156 m;輕傷濃度內(nèi)橫風(fēng)最遠(yuǎn)y=±52 m,下風(fēng)最遠(yuǎn)x=198 m。

2)靜風(fēng)速下大氣穩(wěn)定度為D時(shí),死亡區(qū)濃度內(nèi)橫風(fēng)最遠(yuǎn)y=±24 m,下風(fēng)最遠(yuǎn)x=178 m;重傷濃度內(nèi)橫風(fēng)最遠(yuǎn)y=±38 m,下風(fēng)最遠(yuǎn)x=300 m;輕傷濃度內(nèi)橫風(fēng)最遠(yuǎn)y=±48 m,下風(fēng)最遠(yuǎn)x=380 m。

3)年平均風(fēng)速下大氣穩(wěn)定度為A時(shí),死亡區(qū)濃度內(nèi)橫風(fēng)最遠(yuǎn)y=±18 m,下風(fēng)最遠(yuǎn)x=65 m;重傷濃度內(nèi)橫風(fēng)最遠(yuǎn)y=±28 m,下風(fēng)最遠(yuǎn)x=107 m;輕傷濃度內(nèi)橫風(fēng)最遠(yuǎn)y=±36 m,下風(fēng)最遠(yuǎn)x=135 m。

4)年平均風(fēng)速下大氣穩(wěn)定為D時(shí),死亡區(qū)濃度內(nèi)橫風(fēng)最遠(yuǎn)y=±16 m,下風(fēng)最遠(yuǎn)x=122 m;重傷濃度內(nèi)橫風(fēng)最遠(yuǎn)y=±26 m,下風(fēng)最遠(yuǎn)x=203 m;輕傷濃度內(nèi)橫風(fēng)最遠(yuǎn)y=±34 m,下風(fēng)最遠(yuǎn)x=257.5 m。

根據(jù)上述結(jié)果分析得出以下結(jié)論:

1)從圖2～圖5可以看出,液氨儲(chǔ)罐泄漏后擴(kuò)散區(qū)域主要在下風(fēng)向,且橫風(fēng)較下風(fēng)向擴(kuò)散距離小,因此可以根據(jù)擴(kuò)散范圍對(duì)液氨儲(chǔ)罐周圍設(shè)備設(shè)施以及場(chǎng)所進(jìn)行規(guī)劃。

2)對(duì)圖2與圖3對(duì)比分析,可知在靜風(fēng)條件下,夜晚(大氣穩(wěn)定度為D)危險(xiǎn)區(qū)域更大,泄漏擴(kuò)散造成的死亡濃度范圍、重傷濃度范圍、輕傷濃度范圍更廣。

3)對(duì)圖4與圖5對(duì)比分析,可知在年平均風(fēng)條件下,夜晚(大氣穩(wěn)定度為D)危險(xiǎn)區(qū)域更大,泄漏擴(kuò)散造成的死亡濃度范圍、重傷濃度范圍、輕傷濃度范圍更廣。

4)分別對(duì)比分析圖2與圖3、圖4與圖5,可知在年平均風(fēng)速下,泄漏擴(kuò)散影響范圍更小,是因?yàn)轱L(fēng)速越大,導(dǎo)致大氣湍流越強(qiáng),進(jìn)而造成其對(duì)空氣的稀釋作用就越強(qiáng),導(dǎo)致死亡濃度下、重傷濃度下、輕傷濃度下影響的區(qū)域范圍變小。

3 結(jié)論

為有效控制和降低液氨儲(chǔ)罐事故后果,且為涉氨化工企業(yè)安全管理以及事故應(yīng)急處置提供一定的參考,本文擬以某液氨儲(chǔ)罐為研究對(duì)象,基于MATLAB軟件運(yùn)用泄漏模型以及高斯煙羽擴(kuò)散模型對(duì)其泄漏擴(kuò)散范圍進(jìn)行模擬研究,得出以下主要結(jié)論:

1)根據(jù)液氨蒸發(fā)量以及泄漏速率,進(jìn)行高斯煙羽模型MATLAB模擬,得出液氨儲(chǔ)罐在靜風(fēng)速下大氣穩(wěn)定度為A時(shí),泄漏擴(kuò)散模擬的死亡半徑是:x=94 m,y=±26 m;液氨儲(chǔ)罐靜風(fēng)下大氣穩(wěn)定度為D時(shí),泄漏擴(kuò)散模擬的死亡半徑是:x=178 m,y±24 m;液氨儲(chǔ)罐年平均風(fēng)速下大氣穩(wěn)定度是A時(shí),泄漏擴(kuò)散模擬的死亡半徑是:x=65 m,y=±18 m;液氨儲(chǔ)罐年平均風(fēng)速下大氣穩(wěn)定度是D時(shí),泄漏擴(kuò)散模擬的死亡半徑是:x=122 m,y=±16 m。

2)根據(jù)泄漏擴(kuò)散結(jié)果可知,同樣的泄漏條件下,夜晚(大氣穩(wěn)定度為D)泄漏危險(xiǎn)區(qū)域更大,擴(kuò)散死亡區(qū)域、重傷區(qū)域、輕傷區(qū)域更廣。

3)根據(jù)泄漏擴(kuò)散結(jié)果對(duì)比分析,年平均風(fēng)速下危險(xiǎn)區(qū)域反而更小,原因是風(fēng)速越大,大氣湍流越強(qiáng),空氣的稀釋作用就越強(qiáng),導(dǎo)致死亡濃度下、重傷濃度下、輕傷濃度下危險(xiǎn)區(qū)域范圍變小。

4)根據(jù)泄漏擴(kuò)散結(jié)果分析,在廠區(qū)規(guī)劃時(shí),建議將液氨儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)在遠(yuǎn)離人口密度較高的辦公場(chǎng)所,以及在液氨儲(chǔ)罐下風(fēng)向位置盡量不設(shè)置辦公場(chǎng)所。