王丹,宋文轩

(西安建筑科技大学 华清学院,陕西 西安 71000)

近年来,随着社会需求的日益增长,化工企业发展速度也在不断提升,一些具有易燃易爆、有毒等特性的危险化学品被应用于各个领域,在一定程度上增加了重特大事故的发生概率,对城市安全及人类安全产生了严重的威胁。据统计,2000～2020年化工企业发生事故228起,其中国内193起,占比84.6%,国外35起,占比15.3%,且事故总起数呈上升趋势,因此化工企业的安全问题受到了广泛的关注。

液氨是一种重要的化工原料,被广泛应用于炼焦、制冷等相关化工行业。但从液氨的理化特性来看,其也是有毒、易爆的危险化学品,如若一旦发生泄漏,造成的事故后果以及影响将极为严重[1]。2013年4月四川峨眉山仁寿县曾发生液氨泄露事故造成4死22中毒的较大事故;2013年8月上海曾发生液氨管路系统泄漏造成15死25人中毒的重大事故等等。由此可看出重要的化工原料液氨,虽然说满足了各行各业日益增长的需求,但同时给各行各业也带来了很大的威胁,稍有不慎就会酿成悲剧,进而影响到个人、家庭、企业甚至社会的发展。因此本文拟以某液氨储罐为研究对象,基于MATLAB软件运用泄漏模型以及高斯烟羽扩散模型对其泄漏扩散范围进行模拟研究,为涉氨化工企业安全管理以及事故应急处置提供一定的参考价值。

1 研究对象

本文以延安某化工企业液氨储罐为研究对象,该储罐规格为规格Φ2 800 mm×20 328 mm,最大储量48.5 t,储存温度为常温(25 ℃),压力为1.3 MPa,当地年平均风速为2.1 m/s,最大风速为25 m/s,基于此基本背景情况对其进行泄漏扩散模拟。

2 基于MATLAB软件的液氨储罐泄漏扩散模拟

2.1 液氨储罐事故模式分析

液氨储罐事故发生分为三个阶段,分别为:泄漏、闪蒸(扩散)、爆炸。

2.1.1 泄漏阶段

液氨储罐发生泄漏的形式很多,主要从液氨本身的理化特性以及储罐保护措施失效两面引起泄漏事故的发生。从液氨储罐事故统计结果来看,以液氨储罐管路系统出现故障导致泄漏为主深入分析得知。一般情况下导致液氨储罐泄漏原因主要有以下7点:

1)设备故障:储罐内部的设备(如阀门、管道等)出现故障,导致液氨泄漏。

2)不当操作:操作人员在操作液氨储罐时,未按照规定的程序进行,或者未正确关闭阀门等设备,导致液氨泄漏。

3)外部因素:外部因素如地震、火灾等可能会导致液氨储罐泄漏。

4)材料老化:储罐内部的材料长时间使用后,可能会出现老化,导致储罐的密封性能下降,从而导致液氨泄漏。

5)不当维护:储罐的维护保养不当,例如未定期检查储罐的密封性能、未及时更换老化的设备等,可能会导致液氨泄漏。

6)设计缺陷:储罐的设计存在缺陷,例如储罐的密封性能不足、阀门设计不合理等,可能会导致液氨泄漏。

7)环境因素:环境因素如温度、湿度等也可能会影响液氨储罐的密封性能,从而导致液氨泄漏。例如,在高温环境下,储罐内部的压力可能会升高,从而导致液氨泄漏。

2.1.2 闪蒸(扩散)阶段

液氨的闪蒸是指,当液氨从高压状态下突然放到低压状态下时,液氨会迅速蒸发,产生大量的气体。这种现象通常会在液氨储罐、输送管道等系统中发生,如果不加以控制,将会形成液氨蒸气扩散后在储罐区大量堆积,造成储罐周围人员急性中毒,进而导致安全事故。

2.1.3 爆炸阶段

当液氨泄漏蒸发后,与空气混合达到一定比例后(即爆炸极限范围内),如果周围有明火或高温物体时,就会发生爆炸。液氨爆炸后产生的冲击波超压、释放的热量等,都会对人、建筑物以及设备造成严重的威胁,造成严重的损失。液氨蒸气云爆炸的发生与液氨的物理和化学性质有关,液氨是一种易挥发的气体,蒸发后形成的氨气云具有一定的浓度和可燃性。通过以上液氨储罐事故原因分析,得出液氨储罐泄漏扩散的主要事故模式见下图1。本文主要对液氨储罐泄漏扩散所造成的范围进行研究分析。

图1 事故模式

2.2 液氨储罐泄漏扩散模拟

根据以上事故模式,基于MATLAB软件,运用泄漏模型和高斯扩散模型,对液氨储罐泄漏扩散范围进行模拟计算。主要运用两相流泄漏模型以及高斯扩散模型,模型简介如下。

2.2.1 两相流泄漏模型

通过对液氨的特性以及储罐的储存温度和压力的分析,泄漏模型拟用两相流泄漏模型[2]。具体计算公式如下式(1):

(1)

式中:Q0——两相流动混合物泄漏速度,kg/s;

Cd——两相流动混合物的泄漏系数;

A——裂口面积,m2;

p——两相混合物的压力,Pa;

PC——临界压力,Pa,可取0.55 Pa;

ρ——两相流动混合物的平均密度,kg/m3,可由下式(2)计算:

(2)

式中:ρ1——液体蒸发的蒸汽密度,kg/m3;

ρ2——液体密度,kg/m3;

Fv——蒸发的液体所占液体总量的比值。

(3)

式中:CP——液体的定压比热,J/(kg·K);

T——泄漏前液体的温度,K;

T0——液体在常压下的沸点,K;

H——液体的气化热,J/kg。

根据《化工企业定量风险评价导则》AQ/T 3046—2013中附录F确定液氨储罐检测系统为B级[3],隔离系统为B级,因此假设其泄漏孔径为25 mm,可得泄漏面积A=4.9×10-4m2;在此取泄漏系数Cd=0.8,液氨储罐压力P=1.3×106Pa,经计算临界压力PC= 7.15×105Pa;经计算Fv=0.2(其中,CP=4 700 J/(kg·K)、T=298 K、T0=239 K、H=1 371 000 J/kg),两相流混合物平均密度ρ=55 kg/m3(其中,ρ1=11.61 kg/m3、ρ2=710 kg/m3),带入两相流泄漏公式,经计算得出泄漏速率为Q0=3.15 kg/s。

2.2.2 高斯扩散模型

在此假设泄漏过程中储罐内压力和密度不变化,发生连续泄漏扩散,运用高斯烟羽模型模拟扩散范围。当泄漏达到连续稳定状态时,扩散模型[4]见公式如下:

(4)

式中:C——气云中的危险物质含量,mg/m3;

Q——连续泄漏速率,mg/s;

μ——风速,m/s;

σx——x方向的扩散系数,m;

σy——y方向的扩散系数,m;

z——普通人均高度,m;

x、y——为研究对象距液氨储罐下风和横风的距离,m;

H——为有效源高,m。

根据液氨储罐所在地区气象条件,可知液氨储罐泄漏扩散大气稳定度[2]白天为A,夜间为D。

根据国内氨气卫生标准[4-5],再此以350 mg/m3为轻伤浓度,530 mg/m3为重伤浓度, 1 500 mg/m3为致死浓度,30 min以上可致人死亡(即重伤);3 800 mg/m3可危及生命(即死亡),5 min以上可致人死亡;3 800 mg/m3以上为即时死亡。

运用MATLAB软件模拟其静风(1 m/s)、年平均风速(2.1 m/s)下不同大气稳定(A、D)的泄漏扩散范围,模拟结果见下图2～图5。

图2 静风大气稳定度为A的各浓度下泄漏扩散范围

在泄漏速率为3.15 kg/s、静风速为1 m/s、年平均风速为2.1 m/s的条件下,液氨储罐泄漏情况如上:图2为静风大气稳定度为A的泄漏扩散范围,图3为静风大气稳定度为D的泄漏扩散范围,图4为年平均风速大气稳定度为A的泄漏扩散范围,图5为年平均风速大气稳定度为D的泄漏扩散范围,泄漏扩散影响范围结果如下(汇总见下表4):

图3 静风大气稳定度为D的各浓度下泄漏扩散范围

图4 年平均风速大气稳定度为A各浓度下的泄漏扩散范围

图5 年平均风速大气稳定度为D的泄漏扩散范围

1)静风速下大气稳定度为A时,死亡区浓度内横风最远y=±26 m,下风最远x=94 m;重伤浓度内横风最远y=±42 m,下风最远x=156 m;轻伤浓度内横风最远y=±52 m,下风最远x=198 m。

2)静风速下大气稳定度为D时,死亡区浓度内横风最远y=±24 m,下风最远x=178 m;重伤浓度内横风最远y=±38 m,下风最远x=300 m;轻伤浓度内横风最远y=±48 m,下风最远x=380 m。

3)年平均风速下大气稳定度为A时,死亡区浓度内横风最远y=±18 m,下风最远x=65 m;重伤浓度内横风最远y=±28 m,下风最远x=107 m;轻伤浓度内横风最远y=±36 m,下风最远x=135 m。

4)年平均风速下大气稳定为D时,死亡区浓度内横风最远y=±16 m,下风最远x=122 m;重伤浓度内横风最远y=±26 m,下风最远x=203 m;轻伤浓度内横风最远y=±34 m,下风最远x=257.5 m。

根据上述结果分析得出以下结论:

1)从图2～图5可以看出,液氨储罐泄漏后扩散区域主要在下风向,且横风较下风向扩散距离小,因此可以根据扩散范围对液氨储罐周围设备设施以及场所进行规划。

2)对图2与图3对比分析,可知在静风条件下,夜晚(大气稳定度为D)危险区域更大,泄漏扩散造成的死亡浓度范围、重伤浓度范围、轻伤浓度范围更广。

3)对图4与图5对比分析,可知在年平均风条件下,夜晚(大气稳定度为D)危险区域更大,泄漏扩散造成的死亡浓度范围、重伤浓度范围、轻伤浓度范围更广。

4)分别对比分析图2与图3、图4与图5,可知在年平均风速下,泄漏扩散影响范围更小,是因为风速越大,导致大气湍流越强,进而造成其对空气的稀释作用就越强,导致死亡浓度下、重伤浓度下、轻伤浓度下影响的区域范围变小。

3 结论

为有效控制和降低液氨储罐事故后果,且为涉氨化工企业安全管理以及事故应急处置提供一定的参考,本文拟以某液氨储罐为研究对象,基于MATLAB软件运用泄漏模型以及高斯烟羽扩散模型对其泄漏扩散范围进行模拟研究,得出以下主要结论:

1)根据液氨蒸发量以及泄漏速率,进行高斯烟羽模型MATLAB模拟,得出液氨储罐在静风速下大气稳定度为A时,泄漏扩散模拟的死亡半径是:x=94 m,y=±26 m;液氨储罐静风下大气稳定度为D时,泄漏扩散模拟的死亡半径是:x=178 m,y±24 m;液氨储罐年平均风速下大气稳定度是A时,泄漏扩散模拟的死亡半径是:x=65 m,y=±18 m;液氨储罐年平均风速下大气稳定度是D时,泄漏扩散模拟的死亡半径是:x=122 m,y=±16 m。

2)根据泄漏扩散结果可知,同样的泄漏条件下,夜晚(大气稳定度为D)泄漏危险区域更大,扩散死亡区域、重伤区域、轻伤区域更广。

3)根据泄漏扩散结果对比分析,年平均风速下危险区域反而更小,原因是风速越大,大气湍流越强,空气的稀释作用就越强,导致死亡浓度下、重伤浓度下、轻伤浓度下危险区域范围变小。

4)根据泄漏扩散结果分析,在厂区规划时,建议将液氨储罐设计在远离人口密度较高的办公场所,以及在液氨储罐下风向位置尽量不设置办公场所。