液氨儲(chǔ)罐事故性泄漏擴(kuò)散過(guò)程模擬分析術(shù)

1、液氨儲(chǔ)罐事故性泄漏擴(kuò)散過(guò)程模擬分析術(shù)液氨是化工企業(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)(IndexofPotentialInhalationToxicity,Prr)<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，建立液氨泄漏和擴(kuò)散膜性，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，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)

2、評(píng)價(jià)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(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(guò)對(duì)建國(guó)50年以來(lái)我國(guó)化工系統(tǒng)所發(fā)生的重(特)大、典型事故性泄漏的統(tǒng)計(jì)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(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

3、泄漏源。1.1.1 液氨泄漏模型2液氨通過(guò)其出口接管泄漏可等效為液體通過(guò)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池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:Qm=PACo2(P0/p+ghr)12(1)式中：Qm為質(zhì)量泄漏速率，kg/s；Co為泄漏系數(shù)；A為裂口面積，近；PO為儲(chǔ)罐內(nèi)壓，Pa;hr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

4、氨會(huì)發(fā)生閃蒸，其閃蒸率的大小可由式(2)計(jì)算：=(H1-H2)/Hv式中:Mv，為閃蒸蒸氣的質(zhì)量，kg;Mo為泄漏液體的總質(zhì)量，kg;H1為液體儲(chǔ)存溫度時(shí)的焓，J/kg;H2為常壓下液體沸點(diǎn)Tb時(shí)的焓，J/kg:Hv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Mv/Mo三0.2時(shí)，則泄漏的液氨全部閃蒸，當(dāng)Mv/Mo<o2時(shí)，則泄漏的液氨會(huì)在地面形成液池。1.1.2 氣氨泄漏模型對(duì)于氣氨通過(guò)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，高壓蒸氣通過(guò)裂縫或孔洞噴出，儲(chǔ)

5、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(guò)熱狀態(tài)，過(guò)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(guò)熱狀態(tài)，因此不會(huì)發(fā)生蒸氣爆炸，其泄漏速率可采用下式計(jì)算：Qm=CoAPo2rM/RgTo(rT)(P/Po)2/r-(P/Po)r+1/r1/2式中：Q為質(zhì)量泄漏速率，kg/s;Co為泄漏系數(shù)；A為裂口面積，m2;PO為儲(chǔ)罐內(nèi)壓，Pa;M為氣體或蒸氣的摩爾質(zhì)量，kg/mol;Rg為理想氣體常數(shù)；To為泄漏源溫度，K；P為

6、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。重氣擴(kuò)散模式可采用式(4)計(jì)算：b=bo1+15gho(p-pa)/pai/1/vbo(itv2bh式中：b為重氣云羽的橫風(fēng)向半寬，m；bo為泄漏源點(diǎn)重氣云羽的橫風(fēng)向半寬,m；ho為泄漏源點(diǎn)重氣云羽高度，m；pa為空氣密度，kg/m3；v為重氣云羽的軸向蔓延速度,m/s；h為重氣云羽高度,m；we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。1.2

7、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，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：式中：C'為泄漏介質(zhì)在大氣中的摩爾百分比濃度Qm。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(shí)間，s；Hr為有效源高，m；6x、6y、6z為預(yù)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，m；Ox，q，o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。1-

8、9;1aL孔.-引(c尤,V盅)二112瑪如exp巴任_比廣(z+)2-exp2+esp珂-(6)式中：Qm為源的泄放速率，kg/s°6x、6y、6z是高斯模型的重要參數(shù)，6x、6y、oz呸是由排放源到計(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)荷氨氣為毒性物質(zhì)。人類對(duì)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(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：式中：TL為毒物的毒負(fù)荷，它決定中毒程度；tl、t2分別為開(kāi)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

9、毒物的濃度；n為冪指數(shù)，對(duì)于氨氣，n取2。2模擬分析針對(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、袁2、表3所示，得到計(jì)算結(jié)果如圖1圖10所示。表1液氨理化特性液氨理化特性相魁分子雖沸點(diǎn)相對(duì)密段村對(duì)密廈（空氣二1）飽和裁汽壓空氣中允許蔽度(水=n（kPti他了）(%)17.03-315(1S2a6S0&6215.7-27.斗30表裂存儲(chǔ)條件裝數(shù)；充MW鑼型儲(chǔ)類306臥罐15H)SO表3氣象條件平均氣溫平均鳳速輻太陽(yáng)輻(E)m/皆)風(fēng)向射強(qiáng)度IS.3

10、27東南風(fēng)中等13液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏影響區(qū)域圖圖I圖2液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下鳳向100m處地面濃度隨時(shí)間的變化曲線圉3液氨連續(xù)穗定泄漏下鳳向WOin處地匱濃度毒員荷隨時(shí)間的變化曲線圉4液氨連績(jī)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向2001齊V沁攤丙濟(jì)障屢時(shí)閘朋變代曲縁5液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向200m處地面濃度毒奐荷隨時(shí)間的變化曲線tocominutes圖$液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下鳳向處地面濃度隨時(shí)間的變化曲線S«H<I7圖7液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏下風(fēng)向500ni處地面濃度莓員荷隨時(shí)間的變化曲線."-ymlnuiet團(tuán)8灑氨連續(xù)泄漏下岡向1<MM»m處地面滾度隨時(shí)間的變化曲線300山12OQIC

11、O'Q“-r0W20304050nuAutes圖10液氨連續(xù)穩(wěn)定泄漏速率隨時(shí)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(jiàn)，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(guò)程中假設(shè)泄漏工廠周圍地勢(shì)平坦，因此由模擬結(jié)果得出的氨氣影響范圍偏大：一但這對(duì)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(shí)，下風(fēng)向100m、200m、500m及1000m處室內(nèi)、外氨氣濃度隨時(shí)間的變化分別見(jiàn)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（3mg/m3），虛線代表室內(nèi)濃度隨時(shí)間的變化，實(shí)線代表室外濃度隨時(shí)間的變化。從圖中可以看出，室外濃度在某一段時(shí)間內(nèi)很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)LOC濃度，而室內(nèi)濃度在泄漏一段時(shí)間后才高于LOC濃度，且這一時(shí)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