環境風險評價中的物料泄漏計算

石　翔，張芝蘭，張　峰

(上海格林曼環境技術有限公司，上海　200001)

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環境風險評價中的物料泄漏計算

石翔，張芝蘭，張峰

(上海格林曼環境技術有限公司，上海200001)

總結了環境風險評價中物料釋放時泄漏速率的計算方法與適用條件、關鍵計算參數的選取以及泄漏時間的確定依據。通過某化工企業液氨儲罐出料管道泄漏事故的案例分析，比較了三種不同泄漏速率計算方法的計算結果。結果表明液相流泄漏速率計算模型得到結果最為保守，故在無法明確某一復雜泄漏情景下的物料流態時，建議優先使用液相流泄漏速率計算模型進行保守計算。

環境風險評價；物料釋放；泄漏速率

環境風險評價是建設項目環境影響評價工作中的一項重要工作內容[1]。環境風險評價是指對項目發生的可預測突發性事件或事故引起有毒有害、易燃易爆等物質泄漏，或突發事件產生的新的有毒有害物質，所造成的對人身安全與環境的影響和損害，進行評估，并提出防范、應急與減緩措施[2]。環境風險評價包括風險識別、源項分析、后果計算、風險計算與風險管理等工作內容。其中，源項分析中的物料泄漏計算包括泄漏速率計算及泄漏時間確定等，是整個環境風險定量評價的基礎，決定著后續的物料揮發速率計算、大氣擴散預測以及風險水平計算，直接影響著環境風險評價的結論。

1　物料泄漏速率計算

1.1計算方法與適用條件

根據物料性質及泄漏場景的不同，泄漏速率有不同的計算方法。《建設項目環境風險評價技術導則》(HJ/T 169-2004)及《化工企業定量風險評價導則》(AQ/T3046-2013)中分別對液體泄漏速率、氣體泄漏速率及兩相流泄漏速率提出了相應的泄漏速率計算方法[2-3]。

1.1.1液體泄漏速率

液體泄漏速率通常采用式(1)計算。該公式主要適用于液體經管道或儲罐等類似裝置上的小孔泄漏以及儲罐等容器設備底部管道的全管徑斷裂泄漏，但不適用于壓力流管道的全管徑泄漏。

(1)

式中：QL——液體泄漏速率，kg/s

Cd——液體泄漏系數，一般取0.6～0.64之間

A——裂口面積，m2

ρ——泄漏液體的密度，kg/m3

P——容器內介質壓力，Pa

P0——環境壓力，Pa

g——重力加速度，9.8 m/s2

h——裂口之上液位高度，m

1.1.2氣體泄漏速率

氣體泄漏速率計算時通常假定氣體的特性是理想氣體，氣體泄漏速率按式(2)計算。同樣，該公式主要適用于氣體經管道或儲罐等類似裝置上的小孔泄漏以及儲罐等容器設備底部管道的全管徑斷裂泄漏，對于長輸管道的全管徑泄漏，式(2)則不適用。

(2)

式中：QG——氣體泄漏速率，kg/s

Cd——氣體泄漏系數，一般取0.9～1.0之間

A——裂口面積，m2

Y——流出系數，按臨界流和非臨界流的不同而分別確定

對于臨界流，Y取1.0，非臨界流則按下式計算：

式中：P——容器內介質壓力，Pa

P0——環境壓力，Pa

M——分子量，kg/mol

R——氣體常數，8.314 J/(mol·K)

TC——氣體溫度，K

k——氣體的絕熱指數(熱容比)，即定壓熱容Cp與定容熱容CV之比

1.1.3兩相流泄漏速率

兩相流是指兩相物質(至少一相為流體)所組成的流動系統[4-5]。在假定液相和氣相是均勻的且互相平衡的情況下兩相流泄漏按式(3)計算。該公式主要適用于操作溫度高于其常壓沸點的過熱液體的泄漏。

(3)

式中：QLG——兩相流泄漏速率，kg/s

Cd——氣體泄漏系數，一般取0.8

A——裂口面積，m2

P——容器內介質壓力，Pa

PC——臨界壓力，Pa，可取PC=0.55 P

ρm——兩相混合物平均密度，kg/m3

ρm由下式計算：

式中：ρ1——系統溫度和壓力下的蒸汽密度，kg/m3

ρ2——系統溫度和壓力下的液體密度，kg/m3

Fv——蒸發的液體占泄漏液體總量的比例

Fv由下式計算：

式中：Cp——泄漏液體的定壓比熱，J/(kg·K)

TLG——容器內的介質溫度，K

TC——液體的沸點，K

H——液體的氣化熱，J/kg

需要說明的是，如果計算發現Fv>1時，表明液體將全部蒸發成氣體，這時兩相流不存在，應按氣體泄漏場景計算；相反如果Fv計算結果很小，則可近似地按液體泄漏公式計算。

1.2關鍵參數選取

無論是液體泄漏、氣體泄漏還是兩相流泄漏，在物料泄漏速率計算中裂口面積是一個典型的可以人為選擇的參數，這一關鍵參數的選取也將直接影響到泄漏速率的計算結果。

泄漏計算中裂口面積的確定通常根據實際裂口情況或者按照管徑來選取。一般在環境風險評價中，裂口面積常根據20%管徑破裂的小孔泄漏或者100%管徑破裂的全管斷裂情形分別確定。考慮到不同泄漏孔徑管道的泄漏概率，對于大管徑管道通常僅考慮小孔泄漏，而小管徑管道則需既考慮小孔泄漏，又要考慮全管徑泄漏。

目前國內關于管道泄漏概率的統計數據較少，根據1982年荷蘭的研究小組在COVO報告中公開的統計數據，不同泄漏

孔徑的管道泄漏概率如表1所示[5]。

表1　管道泄漏概率統計Table 1　Leakage probability of pipeline

由表1可知，管徑大于150 mm的管道發生全管徑泄漏的概率很低，基本在10-8的水平。因此在環境風險評價的管道物料泄漏計算中，對于管徑大于150 mm的大管道建議僅計算20%管徑破裂的小孔泄漏，而對于管徑小于等于150 mm的小管道既需要計算20%管徑破裂的小孔泄漏，還需要考慮管道的全管徑泄漏。

2　物料泄漏時間的確定

在計算得出物料泄漏速率后，需要確定合理的泄漏時間才能計算整個環境風險事故的物料泄漏量，從而進一步評估項目的環境風險水平。

物料泄漏時間通常由兩部分時間構成，第一部分為發生物料泄漏事故到探測系統或操作人員發現泄漏事故的時間，第二部分為切斷隔離系統或操作人員隔斷或堵塞泄漏點的時間，其中又包括了從發現泄漏到開始響應的時間以及從開始啟動或操作隔斷設施到完成泄漏截斷的時間。環境風險評價中，物質泄漏時間應結合項目的泄漏探測系統和隔離系統水平綜合確定。若缺乏必要的項目信息，可按5～30 min考慮。

物料泄漏探測系統通常分為三種等級：專門設計的儀器儀表，用來探測系統的運行工況變化所造成的物質損失；適當定位探測器，確定物質何時會出現在承壓密閉體外；外觀檢測、照相機或帶遠距功能的探測器、人工日常巡檢等。隨著探測水平的逐步降低，相對應的探測是否發生泄漏所需的時間也會加長。物料泄漏隔離系統亦分為三種等級：直接在工藝儀表或探測器啟動，而無需操作者干預的隔離或停機系統；操作者在控制室或遠離泄放點的其他合適位置啟動的隔離或停機系統；手動操作閥啟動的隔離系統以及人工堵漏等。同樣，隨著隔離水平的逐步降低，相對應的隔斷泄漏所需的時間也會加長。

3　泄漏案例計算

選擇某化工企業液氨儲罐出料管道全管徑破裂引起的泄漏事故場景，分別采用液相流、氣相流及兩相流泄漏計算公式核算液氨的泄漏速率，并根據該液氨儲罐的設計操作水平確定泄漏時間進而計算泄漏量。

該工廠液氨儲罐附近安裝有可燃和有毒氣體探測器，并與DCS控制系統和緊急切斷閥聯鎖。當發生液氨泄漏時，會觸發可燃和有毒氣體探測器報警，同時DCS系統和緊急切斷閥迅速響應，可在40 s左右截斷泄漏，故本計算案例的泄漏時間確定為40 s。

案例計算中泄漏速率計算參數如表2所示，泄漏速率及泄漏量計算結果如表3所示。

表2　泄漏速率計算參數一覽表Table 2　Calculation parameters of release rate

表3　泄漏速率計算結果Table 3　Calculation result of release rate

由表3可見，針對同一種泄漏事故情景，采用液相流泄漏速率公式計算得到的泄漏速率最為保守，兩相流次之，氣相流計算結果最小。

4　結　語

環境風險評價中的物料泄漏速率可采用液相流計算公式、氣相流計算公式或兩相流液相公式，在實際評價過程中應根據泄漏物料性質、泄漏場景及各個公式的適用條件選擇合適的泄漏速率計算公式。裂口面積是物料泄漏速率計算中的一個關鍵參數，建議大于150 mm管徑的管道可采用20%破裂管徑計算泄漏速率，150 mm及以內管徑的管道則應采用20%和100%破裂管徑分別計算泄漏速率。物料泄漏時間則應根據項目裝置物料泄漏探測系統水平及物料泄漏隔離手段水平綜合確定，如無明確項目信息建議采用30 min這一相對保守的時間作為泄漏時間。在無法明確某一復雜泄漏情景下的物料流態時，建議優先使用液相流泄漏速率計算模型進行保守計算。

[1]張學勇,遲沁,王錦輝.化工項目環境影響評價中難點及重點問題的探討[J].環境科學與技術,2009,32(12D):339-341.

[2]國家環境保護總局.HJ/T 169-2004 建設項目環境風險評價技術導則[S].北京:中國環境科學出版社,2005.

[3]國家安全生產監督管理總局.AQ/T3046-2013 化工企業定量風險評價導則[S].北京:國家安全生產監督管理總局,2013.

[4]王經.氣液兩相流動態特性的研究[M].上海:上海交通大學出版社,2012:2.

[5]于立見,多英全,師立晨,等.定量風險評價中泄漏概率的確定方法探討[J].中國安全生產科學技術,2007,3(6):27-30.

[6]劉光啟,馬連湘,邢志有.化工物性算圖手冊[M].北京:化學工業出版社,2002:10-11.

[7]劉光啟,馬連湘,劉杰.化學化工物性數據手冊(無機卷)[M]. 北京:化學工業出版社,2002:105,113,168.

Estimation of Material Release in Environmental Risk Assessment

SHIXiang,ZHANGZhi-lan,ZHANGFeng

(Shanghai Greenment Environmental Technology Co., Ltd., Shanghai 200001, China)

Estimation method of discharge rate and its applicable condition, selection of key calculation parameters and determination of discharge time for material release in environmental risk assessment were summarized. Based on the case study for outlet pipeline release of liquid ammonia tank in a chemical plant, estimation results of discharge rate via three different calculation model were compared. It indicated that the estimated results of discharge rate via liquid flow model were the most conservative. In condition, the material flow status could not be identified well in a complex release scenario, it was recommended to adopt the liquid flow model for a conservative calculation of discharge rate.

environmental risk assessment; material release; discharge rate

石翔(1988-)，女，注冊環評工程師，主要從事環境影響評價工作。

X11

A

1001-9677(2016)08-0157-03