基于MATLAB的液氨泄漏应急救援处置

2020-01-09刘钦平

世界有色金属 2019年21期

刘钦平

（宜春市应急管理局，江西宜春 336000）

现代工业生产过程中，氨作为一种重要的化工原料在各领域有着广泛的应用。同时，因其单位制冷量大、价格低廉、放热系数大、压力适中等诸多优点，液氨作为制冷剂被广泛使用。但因液氨易燃易爆及毒害特性，一旦泄漏极易导致重大安全生产事故。因液氨泄漏而引发的上伤亡事故层出不穷，尤其在食品行业。2013年吉林某食品加工单位121人因液氨泄漏死亡，上海某冷藏企业15人因液氨泄漏死亡，造成极其恶劣的社会影响和重大经济损失。面临严峻的安全生产应急管理形势，事故后如何科学、有效、快速地实施救援成为当前应急管理的重要环节。

MATLAB因其强大的计算模拟能力在工业领域有着广泛的应用，艾唐伟[1]等通过MATLAB以高斯模型对危险气体扩散模拟分析确定危险气体泄漏后的危险区，为事故应急救援方案的确定和及时调整提供了指导[2]。本文拟以高斯云团扩散模型为基础，通过MATLAB分析确定液氨泄漏后的危险区及液氨浓度云图，为液氨泄漏事故应急救援提供实际指导[3]。

1 气体扩散模型

Gaussian模型、Gaussian轨迹烟云模型、BM模型、重气云扩散、非重气云扩散、三维有限元计算等是目前常见且应用较为广泛的气体泄漏于扩散分析模型。高斯烟羽模型、高斯烟团模型被广泛应用于点源气体扩散分析，而Gaussian烟羽模型常被用于连续源扩散分析，Gaussian烟团模型常被用于瞬时泄漏扩散分析[4]。

式中：C为任一点的污染物浓度，mg/m³；Q为泄漏源污染物强度，单位时间内污染物排放量，mg/s，为侧向扩散系数，污染物在Y方向上的分布的标准偏差，是距离x的函数；为竖向扩散系数，污染物在Z方向上的分布的标准偏差，是距离x的函数；为排放口处的平均风速，m/s；H为有效源高度，m；x为污染源排放点至下风向上任一点的距离，m；y为烟气的中心轴在直角水平方向上到任一点的距离，m；Z为地表到任一点的高度，m。当泄漏源为地面源时，取高度H=0。

2 大气扩散参数的确定

大气扩散参数受稳定度、地形、地面粗糙度等影响，在高斯扩散中当风速不太小＞1-2m/s），x方向的湍流扩散可忽略不计，可仅考虑y、z方向。扩散参数的确定有萨顿模式、BNL模式等多种方式，本文拟采用扩散曲线法，结合《环境影响评价技术导则大气环境(HJ2.2-2018)》的相关规定，确定大气扩散参数为：，。

3 金属储罐火灾爆炸事故后评估

火灾灾害模式分别假设单个金属储罐突发瞬时大量泄漏和因爆炸引起的金属储罐破损，并引发储罐内液氨，产生二次火灾，前者在金属储罐区围堤内形成液氨池，遇到引火源会引起池内液氨点燃，并形成池火，后者则会在金属储罐内形成火灾。

泄露爆炸灾害模式以单个金属储罐持续泄露50%的液氨且挥发后气体全部参与爆炸作为假设，分别运用蒸汽云爆炸事故计算模型，沸腾液体扩展蒸汽爆炸事故计算模型进行计算和分析。

根据池火事故模式构建计算模型。

（1）确定池火半径

对于储罐内的池火火灾，其火灾半径等于金属储罐半径。

（2）确定燃烧速度

由于液氨的沸点在-33.5℃，液氨储存温度为-33℃，对应的密度为0.681382kg/L，低于周围环境温度，公式为：

公式中：m'单位表面积燃烧速度，Hc液氨燃烧热，取18603.1kJ/kg；CP液氨的比定压热容，T0环境温度，Tb液体沸点。

这种灾害形式在金属储罐受热或系统突然失效，液体瞬间时泄漏汽化并遇引火源而发生，具有突发性的严重后果，因此，要高度重视金属储罐的定期检查与校验，密切关注系统运行状态。

4 工程实例分析

某工业园区内某一企业内30m³液氨金属储罐阀门损坏导致液氨泄漏，经抢修后于1小时后修复，抢修期间大量液氨逸散至空气当中。当天气象资料显示风速为1.5m/秒，大气稳定度为C，地面粗糙度为0.4。经分析得到事故后形成的泄漏源强为1kg/s，应用MATLAB根据式1，进行模拟分析。根据国家相关标准规定，氨的危害特性见表1。

表1 氨的危害特性

MATLAB分析计算主要代码如下：

图1 泄漏源下风向氨气浓度等值线（风速1.5m/秒）

图2 泄漏源下风向氨气浓度等值线（风速2.1m/秒）

根据图1 泄漏源下风向氨气浓度等值线及氨危害特性，可以看出泄漏源下风向1200m以内、泄漏源两侧各80m范围内属危险区。根据应急处置，泄漏源下风向80m以内、两侧侧向60m以内应避免人员滞留，以免人员短时间因接触高浓度氨气产生强刺激反应。而根据图2显示，当风速为2.1m/秒时，泄漏源下风向1000m外、两侧侧向70m以外即可视为安全区域。