城鄉(xiāng)冷庫液氨泄漏擴散的風(fēng)險分析

姚見 馬東池 王曉昕 劉玉嫚 吳雅菊

摘 要：針對冷庫液氨泄漏事故，采用高斯煙羽模型進行分析，并分別針對城市和鄉(xiāng)村不同的地表粗糙度情況分析下風(fēng)向地面中心線的擴散質(zhì)量濃度和危害區(qū)域。通過matlab數(shù)值模擬表明，發(fā)生在城市的液氨泄漏的下風(fēng)向地面擴散質(zhì)量濃度的最大值高于鄉(xiāng)村，但是危害區(qū)域比發(fā)生在鄉(xiāng)村的小；通過模擬，劃分了不同的危害區(qū)域，可以為發(fā)生在城市和鄉(xiāng)村不同的地域情況下的人員疏散和現(xiàn)場警戒提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：液氨泄漏 高斯煙羽 地表粗糙度 matlab數(shù)值模擬

中圖分類號：X820 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（c）-0082-02

氨氣，高毒，被列入到國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局編制的《首批重點監(jiān)管的危險化學(xué)品名錄》。近年來，隨著我國制冷企業(yè)的快速發(fā)展以及液氨制冷劑的廣泛使用，液氨泄漏事故不斷發(fā)生，2013年8月31日，位于上海市豐翔路1258號的上海翁牌冷藏實業(yè)有限公司發(fā)生液氨泄漏事故，造成15人死亡，25人受傷。特別是由于使用液氨制冷劑的冷庫位于城市人口密集區(qū)或是城郊區(qū)現(xiàn)象的存在，相比于鄉(xiāng)村而來，若發(fā)生液氨泄漏事故，可能造成的后果更加嚴(yán)重。

因此，預(yù)測城市和鄉(xiāng)村不同地域情況下氨泄漏后的空間濃度分布，可以有針對性的劃分人員的中毒區(qū)域，對應(yīng)急疏散指揮決策起到指導(dǎo)作用。

1 擴散模型選取

該文以冷庫液氨連續(xù)泄漏擴散為例，采用高斯煙羽模型對泄漏擴散進行數(shù)值模擬，高斯煙羽模型如下所示[1-2]：

（1）

式中：C（x ，y ，z ） 為泄漏物質(zhì)在（x ，y ，z ）點處的質(zhì)量濃度，mg/m3；u為風(fēng)速，m/s；Q 為泄漏源的泄放速度，mg/s；x ，y ，z 為預(yù)測點坐標(biāo)，m ；H 為有效源高，m；δy，δz分別為y，z 方向的擴散參數(shù)，與大氣穩(wěn)定度和水平距離有關(guān)。

2 事故模型假設(shè)

冷庫制冷作用的氨系統(tǒng)包括儲罐、管線、閥門、連接法蘭、泵的密封等，容易發(fā)生泄漏事故的部位：液氨儲罐的氣相進出口、液相進出口、排污口、放散口、液面計接口、安全閥接口、壓力表接口等接管、閥門、法蘭連接密封等部位失效或泄漏。冷庫及冷藏間等的氨管道法蘭、閥門、法蘭連接密封部位失效或泄漏。假設(shè)液氨儲罐發(fā)生泄漏事故，液氨儲罐容積為40 m3，工作壓力為1.5 Mpa，設(shè)計壓力為2.16 Mpa，工作溫度為50 ℃。漏到大氣中后，因壓力瞬間變?yōu)槌海渲杏幸徊糠盅杆僬舭l(fā)為氣體，假定液氨泄漏時全部被蒸發(fā)，此時根據(jù)泄漏源模型[3]的氣體泄漏模型，泄漏速率為4.9114 kg/s。現(xiàn)場風(fēng)速為5.4 m/s，大氣穩(wěn)定度為D，有效源高4 m。

3 泄漏擴散模擬

3.1 大氣穩(wěn)定度的確定

擴散系數(shù)與大氣穩(wěn)定度緊密相關(guān)，通過天空中觀測的風(fēng)速、云量、云速和日照等天氣資料，將大氣的擴散稀釋能力分為A、B、C、D、E、F6個穩(wěn)定度級別[4]，本例中根據(jù)風(fēng)速和當(dāng)時的天氣情況確定大氣穩(wěn)定度等級為D。

3.2 擴散系數(shù)的選擇

表1列出了大氣穩(wěn)定度為D時的連續(xù)泄漏擴散系數(shù)的計算公式[5] 。本例中為評估城市和鄉(xiāng)村不同位置的液氨泄漏擴散的危害范圍，選取城市和鄉(xiāng)村兩種情況下的泄漏擴散系數(shù)進行計算。

3.3 matlab及危害區(qū)域分析

根據(jù)matlab編寫程序模擬在城市和鄉(xiāng)村不同情況下液氨泄漏的擴散情況，見圖1。通過模擬可知，城市情況下的濃度最高值約為11.656 g/m3，出現(xiàn)在20 m處；鄉(xiāng)村情況下的濃度最高值約為9.6613 g/m3，出現(xiàn)在48 m處。對泄漏氨氣進行毒性評估時，根據(jù)文獻[4]選取30，140，553，1750和3500 mg/m3為危害質(zhì)量濃度閾值，分別代表氨氣對人體無明顯刺激、輕度危害、中度危害、強烈刺激、危及生命和即時死亡的質(zhì)量濃度。

通過圖1可知，若冷庫選址在鄉(xiāng)村（城市）發(fā)生液氨泄漏事故，濃度在距離泄漏源約48 m（20 m）迅速增大為濃度最大值，隨后迅速下降隨著距離的增加濃度值緩慢降低。

圖2給出了液氨在鄉(xiāng)村和城市不同場所泄漏后的等濃度曲線，危及生命和即時死亡和強烈刺激的質(zhì)量濃度曲線區(qū)域應(yīng)做好隔離措施，嚴(yán)禁進入；質(zhì)量濃度為30 mg/m3以內(nèi)的區(qū)域均為人員防護區(qū)域，防護措施根據(jù)危害程度的增加防護等級逐漸增強。鄉(xiāng)村和城市不同情況下估測泄漏源下風(fēng)向分別為2119 m處和735 m氨氣的擴散質(zhì)量濃度值約為30 mg/m3。發(fā)生在鄉(xiāng)村的液氨泄漏擴散危害范圍比發(fā)生在城市的危害范圍要大，但是城市屬于人口密集區(qū)，因此在選址上應(yīng)該避免在人口密集的城區(qū)建冷庫。不管是在鄉(xiāng)村還是城市都應(yīng)該考慮液氨泄漏后對周邊區(qū)域的影響，根據(jù)其不同的危害區(qū)域做好應(yīng)急預(yù)案。

4 結(jié)語

（1） 基于高斯煙羽模型對冷庫液氨泄漏進行了數(shù)值模擬，選取代表不同地表粗糙度的城市和農(nóng)村兩種不同情況下的擴散系數(shù)進行分析。通過數(shù)值模擬得出，發(fā)生在城市的液氨泄漏的下風(fēng)向地面質(zhì)量濃度的最大值比鄉(xiāng)村情況下大，但是其危害區(qū)域比鄉(xiāng)村情況小。

（2）通過模擬，把泄漏后的區(qū)域按照不同危險程度進行了劃分，可以為人員疏散和現(xiàn)場警戒提供理論依據(jù)，應(yīng)急預(yù)案的制定更要根據(jù)城市和鄉(xiāng)村的不同情況劃分不同的警戒區(qū)域。

參考文獻

[1] 鄧金華，沈賢明，張保平，等. Matlab在化學(xué)危險性氣體擴散模擬分析中的應(yīng)用[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2005（5）：96-98.

[2] 王洪德，莫朝霞.基于高斯模型的液氨儲罐泄漏擴散仿真分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2012（9）：31-36.

[3] 潘旭海，蔣軍成.事故泄漏源模型研究與分析[J]. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002（1）：105-110.

[4] 夏登友，錢新明，黃金印，等. 液氨泄漏擴散模擬及危害評估[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2014（3）：22-27.

[5] 劉茂.事故風(fēng)險分析理論與方法[ M ].北京：北京大學(xué)出版社，2011.