不同氣象條件下液氨儲罐泄漏擴散傷害范圍預測研究

王 丹，趙文武

（1.西安建筑科技大學華清學院，陜西 西安 710000；2.中建三局集團有限公司西北分公司，陜西 西安 710075）

氨作為一種重要的化工原料，為運輸及儲存便利，通常將氣態的氨氣通過加壓或冷卻得到液態氨。液氨一種無色液體，有強烈刺激性氣味[1]。同樣液氨也是一種有毒易爆化學品，一旦發生泄漏，后果相當嚴重。

因此，本研究運用MATLAB 軟件，采用高斯羽流模型研究不同氣象條件下液氨儲罐泄漏擴散的危險區域，并使用Origin 軟件，對不同氣象條件下泄漏擴散造成的最遠傷害距離進行擬合預測，為化工行業發生有毒物質泄漏事故時，人員疏散應急預案的編制奠定基礎和提供支持。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以陜西省渭南市某化工企業的10000m3的液氨儲罐為研究對象，模擬其泄漏情況。該市氣象數據如下：年主導風向為東風及東北風，年平均風速為1.93m/s，最大風速為15.3m/s，白天一般大氣穩定度為A，夜間為D。本研究運用軟件對該企業對不同氣象條件下液氨儲罐泄漏擴散造成的最遠傷害距離進行擬合預測。

1.2 泄漏速率

該化工企業的10000m3液氨儲罐，罐內壓力均為1.0MPa（絕壓），溫度均為-33℃，環境壓力取0.1MPa（絕壓）。對于其泄漏速率計算運用液體泄漏模型經驗公式（1）如下[2]：式中：Q 為液體泄漏速率，kg/s；Cd為液體泄漏系數；在這里取0.5；A 為泄漏孔面積，m2；ρ 為液體密度，kg/m3，在這里取681kg/m3；P 為容器內介質壓力（絕壓），Pa，P=1.0×106；P0為大氣壓力（絕壓），Pa，P0=0.1×106；g 為重力加速度，g=9.8m/s2；h 為裂口之上液位高度，m，h=22.3m。

在此研究10000m3液氨儲罐，泄漏孔徑分為50mm 和25mm 的泄漏速率，經計算其泄漏速率分別為35.1kg/s 和8.8kg/s。

1.3 建立模擬區域

本研究選用MATLAB 作為模擬工具，建立模擬區域[3]。根據液氨儲罐周圍人員密集程度，設定模擬液氨儲罐泄漏計算區域為Gx×Gy×Gz（1500×400×2）。設定兩泄漏源為內徑分別為50mm 和 25mm 的圓孔，其位置坐標為（0，0，1）。

1.4 液氨擴散模型

本研究以非重氣的氨氣作為研究對象，探討液氨儲罐連續穩定泄漏擴散的情況，所以以高斯羽流模型[3]為基礎建立液氨的泄漏擴散模型。

在此假設隨著泄漏罐內壓力和液體密度不發生變化。當液氨儲罐泄漏達到連續穩定狀態時，運用高斯羽流模型研究其擴散特點[2]，擴散模型見公式（2）：式中：C 為氣云中危險物質濃度，mg/m3；Q 為連續泄漏速率，mg/s；μ 為風速，m/s；σx為x 方向的擴散系數，m；σy為y 方向的擴散系數，m；z為普通人均高度，m；x、y 為距離泄漏源的下風向和橫風向距離，m；H 為有效原高，m。

1.5 危險區域劃分標準

依據國內氨氣衛生標準，將液氨泄漏的危險區域劃分為：致死、重傷和輕傷區域；致死區：氨氣的濃度為1500mg/m3；重傷區：氨氣的濃度為553mg/m3；輕傷區：氨氣的濃度為350mg/m3。

2 結果與分析

2.1 危險區域預測結果

本文以10000m3液氨儲罐作為研究對象，分別以大氣穩定度、風速和泄露速率作為研究條件，采用高斯羽流模型，得到不同條件下泄漏擴散危險區域，結果見表1。

2.2 不同氣象條件下危險區域擬合預測分析

根據MATLAB 軟件模擬結果，再通過Origin軟件擬合出不同氣象條件下各危險區域的各個風向最遠距離。擬合結果見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5 和圖6。

由圖1～圖6 看出，利用函數Y=aXb，將風速分別與最遠輕傷距離、最遠重傷距離和最遠死亡距離的擬合效果較好。

分析圖1 與圖2、圖3 與圖4、圖5 與圖6 可以看出，風向對最遠輕傷距離、最遠重傷距離和最遠死亡距離有較大影響，下風向對其影響尤為明顯。

從圖1、圖2、圖3、圖4、圖5 和圖6 可以看出，最遠輕傷距離、最遠重傷距離和最遠死亡距離受大氣穩定度影響較大，大氣穩定度越好，最遠傷害距離越大。

表1 不同條件下液氨儲罐泄漏擴散危險區域范圍

圖1 不同氣象條件下橫風向最遠輕傷距離

圖2 不同氣象條件下下風向最遠輕傷距離

圖3 不同氣象條件下橫風向最遠重傷距離

圖4 不同氣象條件下下風向最遠重傷距離

圖5 不同氣象條件下橫風向最遠死亡距離

圖6 不同氣象條件下下風向最遠死亡距離

3 結論

本研究以陜西省渭南市某化工企業液氨儲罐泄漏為對象，通過模擬計算，可以得出以下幾點結論：

1）風速對最遠傷害距離的關系可以用Y=aXb 函數進行預測，根據預測模型可知風速越大，大氣穩定度和泄漏量的差異均對橫風向和下風向最遠距離的影響越不明顯。

2）風向對最遠傷害距離具有明顯的影響，下風向對其影響尤為明顯，這是因為下風向為擴散主導風向，下風向空氣流動速度較快導致的。

3）大氣穩定度對最遠傷害距離也有較為明顯的影響，大氣越穩定，最遠傷害距離越大，這是由于大氣穩定度受日照強弱差異影響，日照越弱，大氣的氣溫垂直加速度運動越慢，大氣越穩定，越有利于氨氣擴散造成的。

4）風速相同情況下，大氣穩定度對下風向最遠距離影響比對橫風向最遠距離影響大，這主要是由于下風向為擴散主導風向，一定的風速會使大氣更穩定度造成的。