液氨储罐泄漏扩散事故危害区域的动态划分

陈彦平， 陈二瑞， 汤 静

(安徽理工大学， 安徽 淮南， 232001)

液氨储罐泄漏扩散事故危害区域的动态划分

陈彦平， 陈二瑞， 汤 静

(安徽理工大学， 安徽 淮南， 232001)

基于高斯烟团叠加模型，建立了液氨储罐泄漏事故动态泄漏扩散模型，实现了对泄漏后氨气空间浓度场的动态分析，并根据浓度阈值进行了危害区域的划分。对某化工企业液氨储罐进行了事故模拟研究，得到了不同时刻危害区域划分情况，绘制了各级危害区域下风向、侧风向最远距离随时间的变化曲线，分析了危害区域增长变化情况。

液氨；泄漏扩散；高斯模型；危害区域

液氨沸点极低，常温下极易蒸发、扩散。同时，氨气遇明火、高热能发生燃烧爆炸，爆炸极限为15.7%～27.4%[1]。因此，液氨在储运、使用过程中存在泄漏及二次燃爆的可能。及时准确地预测氨气泄漏扩散后的危害区域范围对于消防人员有效组织事故应急救援及减少事故损失具有重要意义[2]。

1 扩散模型

液氨泄漏时会发生闪蒸现象，产生大量氨蒸汽，在扩散初期主要是氨蒸汽与空气混合物，显示出重气的特征。在之后的扩散中，氨蒸汽吸热，最终变为氨气与空气的混合物。由于氨分子量为17，小于空气，氨在扩散后期以中性气云的形式存在[3-4]。氨蒸汽在扩散过程中以重气形式存在的时间短、影响小，因而在扩散模型分析时应选用适用于非重气云的高斯模型。

根据泄漏源的不同，高斯模型又可分为适用于连续源的高斯烟羽模型和适用于瞬时源的高斯烟团模型[5]。通过高斯烟羽模型往往只能得到泄漏扩散后的空间稳定浓度，为了得到氨气空间浓度随时间的变化情况，本文采用高斯烟团叠加模型，即将烟羽看作有限个烟团的叠加。高斯烟羽模型的计算公式如式(1)所示，高斯烟团叠加模型的计算公式如式(2)-(3)所示[6]：

(3)

其中：C(x,y,z,t)为t时刻空间任意一点的浓度，kg/m3；x，y，z分别为下风向距离、侧风向距离和垂直风向距离，m；Qm为连续扩散的平均泄漏速率，kg/s；u为环境风速，m/s；t为泄漏扩散时间，s；Hr为泄漏源有效高度，m；σx，σy，σz分别为下风向、侧风向和垂直风向的扩散系数，m。

扩散系数和下风向距离的关系可用式(4)表示，取值按照Pasquill-Gifford模型确定[7-8]，具体取值参考表1、表2。

σx=σy=axb σz=cxd (4)

注：x为下风向距离,m。

表2 Pasquill-Gifford大气稳定度等级

2 危害区域划分

根据《职业性接触毒物危害程度分级》(GBZ230-2010)，结合国家卫生部门相关规定，选取有代表性的几个浓度阈值对泄漏危害区域进行划分[9]。具体划分如表3所示。

表3 毒性危害区域划分

在事故发生后的应急救援及人员疏散阶段，对于不同的危害区域应采取不同的措施。具体办法如下[10]：

(1) 受影响区。氨气对人员的毒害性短期内表现并不明显，被困人员可以自主进行疏散而不会受到太大伤害，一般在脱离接触后24 h能自主恢复正常。

(2) 轻度危害区。暴露一定时间后，半数人员可能发生轻度或中度中毒，经门诊治疗可以康复，需要在救援人员的引导下进行疏散。在疏散过程中，被困人员需要用湿毛巾、手绢等物品捂住口鼻尽量减少与氨气的接触，并在救援人员的引导下进行有序疏散，避免拥挤、踩踏等恶性事件的发生。

(3) 中度危害区。暴露一定时间后，半数人员可能会发生中度或重度中毒，需要住院治疗，个别人员可能中毒死亡。被困人员不建议自行疏散，建议就地避难，待救援人员到来并在其协助下疏散。在疏散过程中往往需要佩戴呼吸器或防毒面具等专业器具，中毒症状较为严重的要使用救援担架。

(4) 重度危害区。短时间内会出现严重中毒反应，如无防护而进行疏散，半数人员可能会死亡。该区域的人员应立即就地避难，等待救援。救援过程要尽快完成，必须佩带呼吸器和救援担架，被困人员被解救后应立即送往医院进行紧急治疗。

3 实例模拟

现对某化工企业立式液氨储罐进行泄漏事故仿真模拟。利用MATLAB软件模拟计算泄漏后不同时刻的氨气空间浓度值，根据氨气浓度值划分危害区域。事故基本假定如下：

(1)液氨泄漏速率Qm=7.67 kg/s，泄漏连续发生且速率保持不变，泄漏的氨全部闪蒸不形成液池。

(2)环境风速μ=2.0 m/s，事故过程中保持不变。

(3)泄漏发生在白天日照中等，大气稳定度为B，扩散系数为σx=σy=0.14x0.92，σz=0.53x0.73。

(4)泄漏源有效高度Hr=0.5 m。

(5)空间垂直高度z=1.5 m。

(6)泄漏源周边环境开阔，不考虑地面粗糙度对扩散的影响。

3.1 模拟计算结果

图1-图3分别为连续泄漏10 min、20 min、30 min的危害区域划分情况。基于高斯烟羽模型进行同等事故条件下连续稳态烟羽的危害区域划分，如图4所示。

图1 泄漏10 min危害区域划分

图2 泄漏20 min危害区域划分

图3 泄漏30 min危害区域划分

图4 连续稳态烟羽危害区域划分

图5 危害区域下风向最远距离随时间的变化曲线

图6 危害区域侧风向最远距离随时间的变化曲线

3.2 结果分析

危害区域在约30 min时达到稳定，各危害区域下风向、侧风向最远距离增长速率不同，如图5-图6所示。在曲线增长阶段，下风向距离增长速率基本保持不变，而侧风向增长速率则逐渐减小。

由图1-图3可以看出，在连续扩散过程中危害区域呈蒲扇形。由于浓度值范围不同，各级危害区域呈现不同增长趋势：高浓度值区域将最先达到稳定状态。由于氨气浓度值较高，中度危害区和重度危害区将在泄漏发生后迅速扩展至稳定范围。本例中，重度危害区在泄漏约2 min时达到稳定范围，下风向、侧风向最远距离分别为294 m、21 m。中度危害区在泄漏发生后约3 min时达到稳定范围，下风向、侧风向最远距离分别为546 m、37 m。受影响区和轻度危害区则将在较长时间内保持增长。本例中，轻度危害区在泄漏后约22 min时增长至最大稳定范围，下风向、侧风向最远距离分别能达到2 207 m、135 m。受影响区在约30 min时达到稳定，下风向、侧风向最远距离分别能达到3 008 m、180 m。

通过对比图3与图4可以发现，二者的相似程度极高，说明基于高斯烟团叠加模型计算得到的稳态危害区域划分结果与同等条件下经典高斯烟羽模型的计算结果相符合，说明高斯烟团叠加模型具有合理性和可行性。

3 结 语

本文利用高斯烟团叠加模型建立了描述氨气泄漏扩散的动态数学模型，实现了对不同时刻空间浓度场的模拟计算。

对氨气泄漏危害区域进行划分时，选取适当的危害浓度阈值，将危害区域划分为受影响区、轻度危害区、中度危害区、重度危害区等四级危害区域，并对各危害区的情况进行了说明。

对某化工企业液氨储罐进行了模拟，研究结果表明发生泄漏事故后，氨气扩散将在30 min时达到稳定，受影响区域下风向、侧风向最远距离分别能达到3 008 m、180 m，影响范围较大。若事故发生，应对不同危害区域采取相应的应急对策，减少事故损失与人员伤亡。

[1] 华敏, 尹新, 潘旭海. 氨气泄漏事故应急区域及中毒风险的MATLAB分析[J]. 工业安全与环保, 2012, 38(11): 5-6, 38.

[2] 丁晓晔, 蒋军成, 黄琴. 液氨储罐事故性泄漏扩散过程模拟分析[J]. 中国安全生产科学技术, 2007, 3(3): 7-11.

[3] 王洪德, 莫朝霞. 基于高斯模型的液氨储罐泄漏扩散仿真分析[J]. 中国安全科学学报, 2012, 22(9): 31-36.

[4] 蒋军成. 化工安全[M]. 北京 : 机械工业出版社, 2008: 185-210.

[5] 顾建伟, 张小平, 王颖. 电厂脱销工程液氨泄漏环境风险分析[J]. 安全与环境学报, 2012, 12(6): 108-112.

[6] 孙东亮, 蒋军成, 张明广. 基于质量流率离散方法的液氨储罐泄漏扩散模型的研究[J]. 工业安全与环保, 2010, 36(6): 5-8.

[7] 李云云. 高斯烟羽模型的改进及在危化品泄漏事故模拟中的应用[D]. 广州: 广州大学, 2013.

[8] 郑杨炜, 谢殿荣, 何衍兴, 等. 基于MATLAB的液氨泄漏环境风险分析[J]. 安全与环境工程, 2010, 17(1): 41-44, 50.

[9] 雷洋, 马继军, 谢永平, 等. 火电厂液氨泄漏事故影响分析及对策研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2013, 9(5):56-62.

[10] 夏登友, 钱新明, 黄金印, 等. 液氨泄漏扩散模拟及危害评估[J]. 中国安全科学学报, 2014, 24(3): 22-27.

(责任编辑：陆俊杰)

Dynamic Division of Hazard Areas for the Accident of Liquid Ammonia Tank Leakage and Diffusion

CHEN Yan-ping, CHEN Er-rui, TANG Jing

(Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001,China)

In order to study the liquid ammonia tank leakage accident, based on Gaussian superposition model， a new mathematical model is established, and then the dynamic analysis of the ammonia concentration field is implemented after leakage. As well as, considering risk concentration threshold the hazard zones are finally divided. Using the new model simulates the leakage of a tank for liquefied ammonia in a chemical enterprise. According to the simulation results, instantaneous hazard zones are divided, the distance growth curve for downwind as well as crosswind are drawn in this paper.

liquid ammonia; leakage and diffusion; Gaussian model; hazard zone

2015-06-28

陈彦平(1989—)，女，河北沧州人，硕士生，主要研究方向为危险化学品安全评价。

1671-6906(2015)06-0061-04

X928

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2015.06.014