液氨儲(chǔ)罐事故性泄漏擴(kuò)散過程模擬分析_丁曉曄

1、第3卷第3期中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)Vol . 3No . 32007年6月Journal of Safety Science and Technology Jun . 2007文章編號(hào):1673-193X (2007 -03-0007-05液氨儲(chǔ)罐事故性泄漏擴(kuò)散過程模擬分析丁曉曄, 蔣軍成, 黃琴(南京工業(yè)大學(xué), 南京210009摘要:液氨是化工企業(yè)常用的原料, 而每年因?yàn)橐喊眱?chǔ)罐的泄漏造成的事故也十分頻繁, 液氨屬于高度危險(xiǎn)性物質(zhì), 一旦泄漏極可能造成災(zāi)難性后果。本文探討了描述液氨儲(chǔ)罐事故性泄漏及擴(kuò)散過程的數(shù)學(xué)模型, 并用所建模型針對(duì)某市化學(xué)園區(qū)某化工公司液氨儲(chǔ)罐工程建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行模擬分析。從模

2、擬結(jié)果來(lái)看, 采用數(shù)學(xué)模型的方法對(duì)事故后果進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析具有一定程度的可靠性, 對(duì)于救災(zāi)、重大危險(xiǎn)源編制應(yīng)急事故預(yù)案以及對(duì)新建項(xiàng)目進(jìn)行危險(xiǎn)性預(yù)評(píng)價(jià)都具有一定程度的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:液氨; 泄漏; 擴(kuò)散; 模擬中圖分類號(hào):X928. 02文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ASimulation analysis on release and dispersion processof liquefied ammonia tankDING Xiao -Ye , JIANG Jun -cheng , HUANG Qing(Nanjing University of Technology , Nanjin 210009, C

3、hina A bstract :The liquefied ammonia is a ra w material which is in common use in the chemical plant . Since the leaka ge in -cidents of the liquid ammonia ar e frequent every year , liquefied a mmonia is a high -danger ous material . It will cause the disastr ous consequence if the leakage occurs

4、. The mathematic model of release and dispersion process in liquefied ammo -nia leakage incidents is discussed in this paper . Validation of this model is made to simulate the leakage of a tank for liq -uefied a mmonia in the Chemical Park in some city . And the result indicates that we could have a

5、 general idea on the scope of a certain leakage for the liquified a mmonia by using this model . It deserves to be a guide for making the emer -genc y plan for a factor y , and safety pr e -assessment for a new project as well . Key words :liquefied ammonia ; release ; dispersion ; simulation 液氨是化工企

6、業(yè)常用的原料, 用途廣泛, 而每年因?yàn)橐喊钡男孤┰斐傻氖鹿室彩诸l繁, 由于其毒性很大, 吸入毒性指數(shù)(Index of Potential Inhalation Toxicity , I PIT <300, 危險(xiǎn)等級(jí)2, 屬于高度危險(xiǎn)物質(zhì), 一旦泄漏極可能造成嚴(yán)重的事故后果。決定液氨泄漏狀況的因素多而復(fù)雜, 與其理化收稿日期:2007-03-23作者簡(jiǎn)介:丁曉曄(1980- , 女, 碩士?；痦?xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):29936110 資助性質(zhì)、閃蒸系數(shù)、泄漏源的壓力和幾何形狀、泄漏地的地貌情況和氣象條件、儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)牟僮鞒绦虻榷加忻芮嘘P(guān)系。因此, 綜合考慮各種因素, 建立液氨

7、泄, ,·8·中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)第3卷和擴(kuò)散的規(guī)律, 對(duì)于救災(zāi)、重大危險(xiǎn)源編制應(yīng)急事故預(yù)案以及對(duì)新建項(xiàng)目進(jìn)行危險(xiǎn)性預(yù)評(píng)價(jià)都具有一定程度的指導(dǎo)意義。M v H 1- H 2=M 0H v(2式中:M v 為閃蒸蒸氣的質(zhì)量, kg ; M 0為泄漏液體的總質(zhì)量, kg ; H 1為液體儲(chǔ)存溫度T s 時(shí)的焓, J /kg ; H 2為常壓下液體沸點(diǎn)T b 時(shí)的焓, J /kg :H v 為泄漏液體的蒸發(fā)熱, J /kg ; 泄漏所造成的氣氨在空氣中的濃度分布只是空間的函數(shù)。M v通常情況下, 當(dāng)閃蒸率0. 2時(shí), 則泄漏的液M 0M v0. 2時(shí), 則泄漏的液氨會(huì)在地面氨全部

8、閃蒸, 當(dāng)M <0形成液池。1. 1. 2氣氨泄漏模型對(duì)于氣氨通過其出口接管的泄漏, 情況較復(fù)雜。由于出口接管處于氣相空間, 其泄漏形式主要與泄漏面積的大小有關(guān)。在泄漏面積較大的情況下, 高11數(shù)學(xué)模型通常情況下, 液氨在常溫下加壓壓縮, 液化儲(chǔ)存, 一旦泄漏到空氣中會(huì)在常壓下迅速膨脹, 大量氣化, 并擴(kuò)散到大的空間范圍。1. 1泄漏模型對(duì)于災(zāi)難性破壞引起的液氨泄漏, 可保守地認(rèn)為容器內(nèi)所有的貯存物質(zhì)瞬間全部泄漏, 全部泄漏時(shí)一般有爆炸發(fā)生, 對(duì)其發(fā)生爆炸后的狀況再運(yùn)用數(shù)值模擬進(jìn)行預(yù)測(cè)意義不大。因此, 文中所研究的是液氨儲(chǔ)罐連續(xù)性泄漏的數(shù)值模擬。通過對(duì)建國(guó)50年以來(lái)我國(guó)化工系統(tǒng)所發(fā)生的重

9、(特 大、典型事故性泄漏的統(tǒng)計(jì)分析表明, 閥門或法蘭處的密封失效及閥門或管道斷裂是造成事故性泄漏的主要原因, 因而可以確定液氨儲(chǔ)罐下方的液氨出口接管、儲(chǔ)罐上方的氣氨出口接管以及安全閥為主要泄漏源。1. 1. 1液氨泄漏模型2壓蒸氣通過裂縫或孔洞噴出, 儲(chǔ)罐內(nèi)壓急劇下降, 直到環(huán)境壓力(常溫 。由于內(nèi)壓急劇下降, 氣液平衡遭到破壞, 儲(chǔ)罐內(nèi)液氨處于過熱狀態(tài), 過熱狀態(tài)的液氨為了再次恢復(fù)平衡, 內(nèi)部會(huì)均勻地產(chǎn)生沸騰核, 同時(shí)產(chǎn)生大量氣泡, 液氨體積急劇膨脹, 最終導(dǎo)致爆炸; 當(dāng)泄漏面積不大時(shí), 即使有蒸氣噴出, 但由于儲(chǔ)罐內(nèi)壓下降不急劇, 液氨不會(huì)達(dá)到過熱狀態(tài), 因此不會(huì)發(fā)生蒸氣爆炸, 其泄漏速率

10、可采用下式計(jì)算:Q m =C 0AP R g T 0(r -1P 02/r液氨通過其出口接管泄漏可等效為液體通過受壓儲(chǔ)罐上的孔洞泄漏。雖然氨在常溫常壓下為氣體, 但是由于泄漏發(fā)生在液相空間, 流動(dòng)阻力較大, 故系統(tǒng)內(nèi)壓下降緩慢, 不會(huì)發(fā)生因大量液氨閃蒸而造成的蒸氣爆炸。另外, 由于泄漏路徑較短, 來(lái)不及形成汽化核心而使部分液氨在泄漏管道中汽化而形成閃蒸兩相流。因此, 其泄漏速率可采用式(1 計(jì)算3-Pr +1/1/2(3式中:Q m 為質(zhì)量泄漏速率, kg /s ; C 0為泄漏系數(shù); A 為裂口面積, m 2; P 0為儲(chǔ)罐內(nèi)壓, Pa ; M 為氣體或蒸氣的摩爾質(zhì)量, kg /mol ;

11、R g 為理想氣體常數(shù); T 0為泄漏源溫度, K ; P 為泄漏處壓力, Pa ; r 為絕熱指數(shù)。1. 2擴(kuò)散模型1. 2. 1液氨擴(kuò)散模型液氨泄漏后發(fā)生閃蒸的氨由于夾帶有氨的液滴, 因此其密度比周圍空氣的密度大, 在一段時(shí)間內(nèi)其擴(kuò)散行為受到重力沉降的作用, 表現(xiàn)為重氣的擴(kuò)散。5:P 0+gh r Q m =A C 0 221/2(1式中:Q m 為質(zhì)量泄漏速率, kg /s ; C 0為泄漏系數(shù); A 為裂口面積, m ; P 0為儲(chǔ)罐內(nèi)壓, Pa ; h r 是泄漏處與液面之間的距離, m 。根據(jù)式(1 , 隨著儲(chǔ)罐漸漸變空, 液體高度減少, 流速和質(zhì)量流速也隨之減少。泄漏的液氨會(huì)發(fā)生

12、閃蒸, 其閃蒸率的大小可由 式4b第3期中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)·9·w e =dx c =b 0h 0c 0bh(41. 2. 2氣氨擴(kuò)散模型氣態(tài)氨在大氣中的擴(kuò)散, 可以用高斯模型來(lái)計(jì)算其危害范圍。高斯模型包括高斯煙羽模型和高斯煙團(tuán)模型。其中, 高斯煙羽模型適用于連續(xù)源的氣體擴(kuò)散, 而高斯煙團(tuán)模型適用于瞬時(shí)源的氣體擴(kuò)散4。在泄漏發(fā)生的初始一段時(shí)間內(nèi), 其濃度分布是不穩(wěn)定的, 是空間和時(shí)間的函數(shù), 此時(shí)采用高斯煙團(tuán)迭加模型(高斯煙羽模型與高斯煙團(tuán)模型的結(jié)合 進(jìn)行描述6式中:b 為重氣云羽的橫風(fēng)向半寬, m ; b 0為泄漏源點(diǎn)重氣云羽的橫風(fēng)向半寬, m ; h 0為泄漏源點(diǎn)3重

13、氣云羽高度, m ; 為重氣a 為空氣密度, kg /m ;云羽的軸向蔓延速度, m /s ; h 為重氣云羽高度, m ; w e 為空氣卷吸系數(shù)。泄漏后的液氨在空氣中稀釋后表現(xiàn)為非重氣云的擴(kuò)散, 此時(shí)其擴(kuò)散模式為氣氨擴(kuò)散模式。2Q mexp exp C 223/222x y (2 x y z, 其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:(z -H r (z +H r exp +exp 2z 2z(5式中:C 為泄漏介質(zhì)在大氣中的摩爾百分比濃度; Q u 為環(huán)境平均風(fēng)m 為質(zhì)量泄漏速率, kg /s ; 速, m /s ; t 為泄漏時(shí)間, s ; H r 為有效源高, m ; x 、y 、z 為預(yù)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo), m

14、; x , y , z 分別為下風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎直風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù), m 。在經(jīng)過一段時(shí)間以后, 濃度分布已處于穩(wěn)定分布狀態(tài), 即濃度只是空間的函數(shù), 與時(shí)間沒有關(guān)系。此時(shí), 應(yīng)采用高斯煙羽模型進(jìn)行描述, 高斯煙羽模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:C(x ,2接觸的毒物的濃度有關(guān), 而且還與暴露在該濃度下的時(shí)間有關(guān), 因此, 為了同時(shí)反映毒物濃度和暴露時(shí)間對(duì)中毒反應(yīng)的影響, 人們提出了毒負(fù)荷的概念, 其定義如下:TL =C (t d t n 1t 2(7式中:TL 為毒物的毒負(fù)荷, 它決定中毒程度; t 1、t 2分別為開始暴露時(shí)刻和結(jié)束暴露時(shí)刻, min ; C 為t 時(shí)刻暴露環(huán)境中毒物的濃度; n 為冪

15、指數(shù), 對(duì)于氨氣, n 取2。y , z =2Q m2y z uy-exp 2y2(z -H -2expz(z +H -2+expz2模擬分析(6針對(duì)某市化學(xué)園區(qū)某化工公司液氨儲(chǔ)罐工程建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)用以上數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬, 假設(shè)液氨儲(chǔ)罐底部由于法蘭接頭處墊片腐蝕破裂而發(fā)生連續(xù)性泄漏, 泄漏當(dāng)量直徑為2cm , 模擬計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1、表2、表3所示, 得到計(jì)算結(jié)果如圖1圖10所示。式中:Q m 為源的泄放速率, kg /s 。x , y , z 是高斯模型的重要參數(shù), x , y , z 是由排放源到計(jì)算點(diǎn)的下風(fēng)向距離和大氣穩(wěn)定度的函數(shù), 也與煙羽的排放高度及地面粗糙度有關(guān)。1. 3毒負(fù)荷

16、氨氣為毒性物質(zhì)。人類對(duì)毒物的反應(yīng)不僅與所表1液氨理化特性相對(duì)分子量17. 03沸點(diǎn)( -33. 5相對(duì)密度(水=1 0. 82相對(duì)密度(空氣=10. 6飽和蒸汽壓(kPa (4. 7 506. 62爆炸極限(% 15. 727. 4空氣中允許濃度(mg /m 3 30·10·中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)第3卷表2存儲(chǔ)條件儲(chǔ)罐容積(m 3 30儲(chǔ)罐尺寸(m 儲(chǔ)罐類型儲(chǔ)存溫度( 15儲(chǔ)存壓力(at m 10充裝系數(shù)(% 80圖5液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向200m 處太陽(yáng)輻射強(qiáng)度中等地面濃度毒負(fù)荷隨時(shí)間的變化曲線2. 6×5. 6臥罐表3氣象條件平均氣溫( 15. 3平均風(fēng)速(m

17、/s 2. 7主導(dǎo)風(fēng)向東南風(fēng) 圖6液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向500m 處地面濃度隨時(shí)間的變化曲線圖1液氨連續(xù)穩(wěn) 定泄漏影響區(qū)域圖圖7液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向500m 處地面濃度毒負(fù)荷隨時(shí)間的變化曲線圖2液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向100m 處 地面濃度隨時(shí)間的變化曲線圖8液氨連續(xù)泄漏下風(fēng)向1000m 處圖3液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向100m 處 地面濃度毒負(fù)荷隨時(shí)間的變化曲線地面濃度隨時(shí)間的變化曲線圖4液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向200m 處 圖9液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向1000m 處 第3期中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)·11·液氨連續(xù)泄漏時(shí)的泄漏速率隨著時(shí)間的推移是逐漸減小的, 其隨時(shí)間的變化曲線如圖1

18、0。由圖10可知, 儲(chǔ)罐內(nèi)的液氨在泄漏發(fā)生48min 內(nèi)完全泄漏完, 最大泄漏速率為324kg /min 。圖10液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏速率隨時(shí)間的變化4結(jié)論本文首先建立了液氨事故性泄漏和擴(kuò)散模型, 運(yùn)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行模擬, 分析其泄漏和擴(kuò)散的規(guī)律。而后針對(duì)某市化學(xué)園區(qū)某化工公司液氨儲(chǔ)罐工程建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)用以上數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬, 對(duì)可能發(fā)生的液氨泄漏事故后果進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析。從文中對(duì)液氨泄漏事故后果模擬的結(jié)果來(lái)看, 基本上能夠反映出泄漏擴(kuò)散過程的趨勢(shì)和范圍, 表明模擬分析的有效性, 但準(zhǔn)確度不夠高, 這與所用模型和參數(shù)選取有關(guān)。如何提高模擬分析的準(zhǔn)確度是今后研究工作的重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1潘旭海, 蔣軍

19、成. 重(特 大泄漏事故統(tǒng)計(jì)分析及事故模式研究J . 化學(xué)工業(yè)與工程, 2002, 19(3 :2482522Daniel A . Crowl , Joseph F . Louvar . Chemical process safetyfundamentals with application M . New Jersey :Prentice Hall , 19903潘旭海, 蔣軍成. 事故泄漏源模型研究與分析J . 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 24(1 :1051104蔡鳳英, 談宗山, 孟赫等. 化工安全工程M . 北京:科學(xué)出版社, 2001.5化工部化工勞動(dòng)保護(hù)研究所. 重要有毒物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模型研究J . 化工勞動(dòng)保護(hù), 1996(91 :1196A . C . Daniel , F . L . Joseph . Chemical Process Safety -F