液氨儲罐事故性泄漏擴(kuò)散過程模擬分析_丁曉曄_百度文庫

1、文章編號:1673-193X (2007-03-0007-05液氨儲罐事故性泄漏擴(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,而每年因為液氨儲罐的泄漏造成的事故也十分頻繁,液氨屬于高度危險性物質(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,并用所建模型針對某市化學(xué)園區(qū)某化工公司液氨儲罐工程建設(shè)項目進(jìn)行模擬分析。從模擬結(jié)果來看,采用數(shù)學(xué)模型的方法對事故后果進(jìn)行預(yù)測和分析具有一定程度的可靠性,對于救災(zāi)、重大危險源編制應(yīng)急事故預(yù)案以及對新建項目進(jìn)行危險性預(yù)評價都具有一定程度的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:液氨;泄漏;

2、擴(kuò)散;模擬中圖分類號:X928.02文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ASimulation analysis on release and dispersion processof liquefied ammonia tankDING Xiao -Ye ,JIANG Jun -cheng ,HUANG Qing(Nanjing University of Technology ,Nanjin 210009,China A bstract :The liquefied ammonia is a ra w material which is in common use in the chemical plant .S

3、ince 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 .The mathematic model of release and dispersion process in liquefied ammo -nia leakage incidents is discuss

4、ed 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 general idea on the scope of a certain leakage for the liquified a mmonia by using this model .It deserves to

5、 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 收稿日期:2007-03-23作者簡介:丁曉曄(1980-,女,碩士。*基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(編號:29936110資助液氨是化工企業(yè)常用的原料,用途廣泛,而每年因為液氨的泄漏造成的事故也十分頻繁,由于其毒性很大,吸入毒性指數(shù)(Ind

6、ex of Potential Inhalation Toxicity ,I PIT <300,危險等級2,屬于高度危險物質(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、儲存運輸?shù)牟僮鞒绦虻榷加忻芮嘘P(guān)系。因此,綜合考慮各種因素,建立液氨泄漏和擴(kuò)散模型,運用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行模擬,分析其泄漏第3卷第3期2007年6月中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)Journal of Safety Science and Technology Vol .3No .3Jun .2007和擴(kuò)散的規(guī)律,對于救災(zāi)、重大危險源編制應(yīng)急事

7、故預(yù)案以及對新建項目進(jìn)行危險性預(yù)評價都具有一定程度的指導(dǎo)意義。1數(shù)學(xué)模型通常情況下,液氨在常溫下加壓壓縮,液化儲存,一旦泄漏到空氣中會在常壓下迅速膨脹,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,全部泄漏時一般有爆炸發(fā)生,對其發(fā)生爆炸后的狀況再運用數(shù)值模擬進(jìn)行預(yù)測意義不大。因此,文中所研究的是液氨儲罐連續(xù)性泄漏的數(shù)值模擬。通過對建國50年以來我國化工系統(tǒng)所發(fā)生的重(特大、典型事故性泄漏的統(tǒng)計分析表明1,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罐下方的液氨出口接管、儲罐上方的

8、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液氨通過其出口接管泄漏可等效為液體通過受壓儲罐上的孔洞泄漏。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,流動阻力較大,故系統(tǒng)內(nèi)壓下降緩慢,不會發(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計算3:Q m =A C 02P 0+gh r 1/2(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 2;P 0為儲罐內(nèi)壓,Pa ;h r 是泄漏處與液面之間的距離,m 。根據(jù)式(1,隨著儲罐漸漸變

9、空,液體高度減少,流速和質(zhì)量流速也隨之減少。泄漏的液氨會發(fā)生閃蒸,其閃蒸率的大小可由 式(2計算4:M v M 0=H 1- H 2H 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為液體儲存溫度T s 時的焓,J /kg ;H 2為常壓下液體沸點T b 時的焓,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)。通常情況下,當(dāng)閃蒸率M vM 00.2時,則泄漏的液氨全部閃蒸,當(dāng)M vM 0<0.2時,則泄漏的液氨會在地面形成液池。1.1.2氣氨泄漏模型對于氣氨通過其出口接管的泄漏,情況較復(fù)雜。

10、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,高壓蒸氣通過裂縫或孔洞噴出,儲罐內(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)部會均勻地產(chǎn)生沸騰核,同時產(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,即使有蒸氣噴出,但由于儲罐內(nèi)壓下降不急劇,液氨不會達(dá)到過熱狀態(tài),因此不會發(fā)生蒸氣爆炸,其泄漏速率可采用下式計算:Q m =C 0AP 02rM R g T 0(r -1P P 02/r-PPr +1/r 1/2(3式中:Q m 為質(zhì)量泄漏速率,kg /s ;C 0

11、為泄漏系數(shù);A 為裂口面積,m 2;P 0為儲罐內(nèi)壓,Pa ;M 為氣體或蒸氣的摩爾質(zhì)量,kg /mol ;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。5b ·8·中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)第3卷dhdx =w e (4c =b 0h 0c 0bh式中:b 為重氣云羽的橫風(fēng)向半寬,m ;b 0為泄漏源點重氣云羽的橫風(fēng)向半寬,m ;h 0為泄漏源點重氣云羽高度,m ;a

12、 為空氣密度,kg /m 3;為重氣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,此時其擴(kuò)散模式為氣氨擴(kuò)散模式。1.2.2氣氨擴(kuò)散模型氣態(tài)氨在大氣中的擴(kuò)散,可以用高斯模型來計算其危害范圍。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)模型適用于瞬時源的氣體擴(kuò)散4。在泄漏發(fā)生的初始一段時間內(nèi),其濃度分布是不穩(wěn)定的,是空間和時間的函數(shù),此時采用高斯煙團(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,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:C =Q m(23/2x y zexp -(x

13、-ut 222x exp -y 222y exp -(z -H r 222z +exp -(z +H r 222z(5式中:C 為泄漏介質(zhì)在大氣中的摩爾百分比濃度;Q m 為質(zhì)量泄漏速率,kg /s ;u 為環(huán)境平均風(fēng)速,m /s ;t 為泄漏時間,s ;H r 為有效源高,m ;x 、y 、z 為預(yù)測點坐標(biāo),m ;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),與時間沒有關(guān)系。此時,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 ,y ,z =Q m2y z uexp -y222yexp-

14、(z -H r 222z+exp-(z +H r 222z(6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 是由排放源到計算點的下風(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)荷氨氣為毒性物質(zhì)。人類對毒物的反應(yīng)不僅與所接觸的毒物的濃度有關(guān),而且還與暴露在該濃度下的時間有關(guān),因此,為了同時反映毒物濃度和暴露時間對中毒反應(yīng)的影響,人們提出了毒負(fù)荷的概念,其定義如下:TL =t 21C n (t d t (7式中:TL 為毒物的毒負(fù)荷,它決定中毒程度;t 1、t 2分別為開始暴露時刻和結(jié)束暴露時刻,min ;C 為t 時

15、刻暴露環(huán)境中毒物的濃度;n 為冪指數(shù),對于氨氣,n 取2。2模擬分析針對某市化學(xué)園區(qū)某化工公司液氨儲罐工程建設(shè)項目應(yīng)用以上數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算機(jī)模擬,假設(shè)液氨儲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 ,模擬計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1、表2、表3所示,得到計算結(jié)果如圖1圖10所示。表1液氨理化特性相對分子量沸點(相對密度(水=1相對密度(空氣=1飽和蒸汽壓(kPa (4.7爆炸極限(%空氣中允許濃度(mg /m 317.03-33.50.820.6506.6215.727.430·9·第3期中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)表2存儲條件儲罐容積(m 3儲罐尺寸(m 儲

16、罐類型儲存溫度(儲存壓力(at m 充裝系數(shù)(%302.6×5.6臥罐151080表3氣象條件平均氣溫(平均風(fēng)速(m /s 主導(dǎo)風(fēng)向太陽輻射強(qiáng)度15.32.7東南風(fēng) 中等圖1液氨連續(xù)穩(wěn) 定泄漏影響區(qū)域圖圖2液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向100m 處 地面濃度隨時間的變化曲線圖3液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向100m 處 地面濃度毒負(fù)荷隨時間的變化曲線圖4液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向200m 處 地面濃度隨時間的變化曲線圖5液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向200m 處地面濃度毒負(fù)荷隨時間的變化曲線圖6液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向500m 處地面濃度隨時間的變化曲線圖7液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向500m 處地面濃度毒負(fù)荷隨時間的

17、變化曲線圖8液氨連續(xù)泄漏下風(fēng)向1000m 處地面濃度隨時間的變化曲線圖9液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向1000m 處地面濃度毒負(fù)荷隨時間的變化曲線·10·中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)第3卷 圖10液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏速率隨時間的變化3模擬分析結(jié)果圖1為液氨連續(xù)泄漏影響區(qū)域示意圖,圖中陰影部分表示氨氣濃度大于空氣中允許最高濃度,即30mg/m3。由圖1可見,液氨泄漏后其最遠(yuǎn)影響范圍已經(jīng)達(dá)到下風(fēng)向3200m處,橫風(fēng)向的最大影響距離也達(dá)到250m。由于模擬過程中假設(shè)泄漏工廠周圍地勢平坦,因此由模擬結(jié)果得出的氨氣影響范圍偏大,但這對于指導(dǎo)今后的緊急泄漏事故應(yīng)急處理方案是有益的。圖1中陰影部分外圍的虛線

18、表示氨氣云團(tuán)有可能影響到的區(qū)域,主要是風(fēng)向改變的影響。液氨連續(xù)泄漏時,下風(fēng)向100m、200m、500m及1000m處室內(nèi)、外氨氣濃度隨時間的變化分別見圖2、圖4、圖6和圖8。圖中LOC線代表空氣中的最高允許濃度(30mg/m3,虛線代表室內(nèi)濃度隨時間的變化,實線代表室外濃度隨時間的變化。從圖中可以看出,室外濃度在某一段時間內(nèi)很高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過LOC濃度,而室內(nèi)濃度在泄漏一段時間后才高于LOC濃度,且這一時間隨下風(fēng)向距離的增大而增大。下風(fēng)向100m、200m、500m及1000m處室內(nèi)、外氨氣毒負(fù)荷隨時間的變化分別見圖3、圖5、圖7和圖9。由圖9中可以看出,由于氨氣的毒負(fù)荷主要受其濃度的控制,因此對于全密閉的建筑,由于其室內(nèi)的氨氣濃度很低,小于L OC濃度,因此,室內(nèi)的毒負(fù)荷要比室外小的多。液氨連續(xù)泄漏時的泄漏速率隨著時間的推移是逐漸減小的,其隨時間的變化曲線如圖10。由圖10可知,儲罐內(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。4結(jié)論本文首先建立了液氨事故性泄漏和擴(kuò)散模型,運用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行模擬,分