液氯儲罐泄漏擴散危險區(qū)域預測

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）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，危險化學品的需求量也日趨增大，但一旦發(fā)生有毒物質(zhì)泄漏事故，后果將極其嚴重[1]。在此，本文以液氯儲罐為對象，研究其泄漏之后的擴散范圍及影響因素[2]。

1 對象與方法

1.1 研究對象

以陜西咸陽某化工公司的氯罐泄漏情況為對象進行模擬。對該氯罐泄漏情況進行擴散中毒危害模擬。

1.2 確定液氯泄漏速率

根據(jù)陜西氣象部門統(tǒng)計，陜西省咸陽市年平均風速為1.3m/s，最大風速為21m/s，。該液氯儲罐為100m3，內(nèi)部壓力為0.8MPa，內(nèi)部溫度為25℃，其泄露速率可按均勻兩相流動的泄漏速度計算，計算公式如下[3]：

式中：Q0為兩相流動混合物泄漏速度，kg/s；Cd為兩相流動混合物泄漏系數(shù)；A 為裂口面積，m；p 為兩相混合物的壓力，Pa；pc為臨界壓力，Pa；ρ 為兩相混合物的平均密度，kg/m3。

其中ρ 由下式計算：

式中：ρ1為液氯蒸發(fā)的蒸汽密度，kg/m3；ρ2為液氯密度，kg/m3；Fv為蒸發(fā)的液體占液體總量的比例。

其中Fv由下式計算：

式中：Cp為液氯的定壓比熱，J/(kg·K)；T 為泄漏前液體的溫度，K；T0為液體在常壓下的沸點，K；H 為液體的氣化熱，kJ/kg。

在此假設裂口面積為圓形，直徑為10cm，相關參數(shù)取值見表1。

Q0=26.6kg/s。

1.3 用MATLAB 建立模擬區(qū)域

本研究選用MATLAB 作為工具[3]，依據(jù)液氯儲罐周圍的環(huán)境以及人口分布情況，建立液氯儲罐兩相流泄漏計算區(qū)域為Gx×Gy×Gz（400×2000×20）。泄漏口為內(nèi)徑100mm 的圓孔，其位置坐標為（0，0，0.2）。

表1 相關參數(shù)取值表

1.4 液氯泄漏擴散模型的建立

對該公司液氯儲罐，選用泄漏擴散模型(高斯氣羽流模型)見公式[1]（4）：

式中：C 為氯氣物質(zhì)濃度，mg/m3；Q 為泄漏速率，mg/s；μ 為風速，m/s；σx、σy為x、y 方向的擴散系數(shù)，m；z 為普通人均高度，m；x、y 為液氯儲罐距離關注對象的x 方向和y 方向的距離，m；H 為泄漏點高度，m。

現(xiàn)階段如何提升學生核心素養(yǎng)已成為教育從業(yè)人員、教育相關愛好者的教育關注重點，基于核心素養(yǎng)基礎上所進行的教學內(nèi)容，除可激發(fā)學生物理學習興趣外，也可提升高中學生整體物理學習素養(yǎng).下文以高一人教版《物理》中《自由落體運動》及高一人教版《物理》中《牛頓第一定律》兩課為例，對如何于核心素養(yǎng)指導下開展高中物理教學活動提出建議.

是本文采用的擴散系數(shù)見表2 和大氣穩(wěn)定度見表3[2]。

表2 城市不同大氣穩(wěn)定度下的擴散系數(shù) [2]

表3 大氣穩(wěn)定度的確定 [2]

1.5 中毒危險區(qū)域劃分標準

依據(jù)國家標準，按照濃度將氯氣泄漏的危險區(qū)域劃分為[1]：輕死區(qū)、重傷區(qū)和死亡區(qū)。輕傷區(qū)濃度：120mg/m3；重傷區(qū)濃度：300mg/m3時；死亡區(qū)濃度3000mg/m。

2 泄漏中毒結(jié)果預測

根據(jù)陜西咸陽某化工公司實地氣象條件，設置模擬條件如下：泄漏速率：Q0=26.6kg/s；風速：年平均風速（1.3m/s）、年最大風速（21m/s）；大氣穩(wěn)定度：A 和D；觀察對象平面高度Z：Z=1.5m。在設定以上條件的基礎上對液氨泄漏結(jié)果進行觀測。

2.1 年平均風速情況下的泄漏情況分析及危險區(qū)域預測

1）采用MATLAB 進行編程并計算，代入儲罐泄漏的參數(shù)，得到100m3液氯儲罐年平均風速白天擴散濃度分布圖（見圖1）。具體步驟如下：

請輸入所求等位線的濃度值: [120 300 3000]；請輸入泄漏源強（mg/s）：Q=2.66×107；請輸入擴散時的風速（m/s）：u=1.3；請輸入計算的步長：d=5；請輸入觀察對象平均高度平面（m）：Z=1.5；請輸入泄漏源強高度（m）：H=0.2；請輸入大氣穩(wěn)定度：1（AS 大氣穩(wěn)定度A—D：A=1；B=2；C=3；D=4）。

圖1 100m3 液氯儲罐年平均風速白天擴散濃度分布

2）采用MATLAB 進行編程并計算，代入儲罐泄漏的參數(shù)，得到100m3液氯儲罐年平均風速夜間擴散濃度分布圖（見圖2）。具體步驟如下：

請輸入所求等位線的濃度值： [120 300 3000]；請輸入泄漏源強（mg/s）：Q=2.66×107；請輸入擴散時的風速（m/s）：u=1.3；請輸入計算的步長：d=5；請輸入觀察對象平均高度平面（m）：Z=1.5；請輸入泄漏源強高度（m）：H=0.2；請輸入大氣穩(wěn)定度：4。

圖2 100m3 液氯儲罐微風年平均風速夜間擴散濃度分布

進一步對比圖1 和圖2 看出，同一泄漏源強在1.3m/s 風速情況下泄漏，在大氣穩(wěn)定度為D（即夜間）的情況下，下風向影響區(qū)域最遠可達2050m，即離源強2050 以外才是安全區(qū)；而在大氣穩(wěn)定度為A（即白天）的情況下，下風向影響區(qū)域最遠可達1100m，即離源強1100 以外才是安全區(qū)。這主要是因為在年平均風速情況下由于白天和夜間的日照強弱差異，導致的大氣垂直溫度分布的不同，進而造成大氣穩(wěn)定度不同，即當液氯儲罐泄漏達到穩(wěn)定連續(xù)狀態(tài)時，在年平均風速情況下大氣穩(wěn)定度越差時，所造成的致死區(qū)、重傷區(qū)、輕傷面積更大一些。

2.2 年最大風速下的泄漏情況分析及危險區(qū)域預測

1）采用MATLAB 進行編程并計算，代入儲罐泄漏的參數(shù)，得到100m3液氯儲罐年最大風速白天擴散濃度分布圖（見圖3）。具體步驟如下：

請輸入所求等位線的濃度值： [120 300 3000]；請輸入泄漏源強（mg/s）：Q=2.66×107；請輸入擴散時的風速（m/s）：u=21；請輸入計算的步長：d=5；請輸入觀察對象平均高度平面（m）：Z=1.5；請輸入泄漏源強高度（m）：H=0.2；請輸入大氣穩(wěn)定度：1。

2）采用MATLAB 進行編程并計算，代入儲罐泄漏的參數(shù)，得到100m3液氯儲罐年最大風速夜間擴散濃度分布圖（見圖4）。具體步驟如下：

請輸入所求等位線的濃度值： [120 300 3000]；請輸入泄漏源強（mg/s）：Q=2.66×107；請輸入擴散時的風速（m/s）：u=21；請輸入計算的步長：d=5；請輸入觀察對象平均高度平面（m）：Z=1.5；請輸入泄漏源強高度（m）：H=0.2；請輸入大氣穩(wěn)定度：4。

在圖3 和圖4 中，三條曲線表示的意義與圖1、圖2 相同。

圖3 100m3 液氯儲罐年最大風速白天擴散濃度分布

圖4 100m3 液氯儲罐年最大風速夜間擴散濃度分布

進一步對比圖3 和圖4 看出，同一泄漏源強在21m/s 風速情況下泄漏，在大氣穩(wěn)定度為D（即夜間）的情況下，下風向影響區(qū)域最遠可達415m，即離源強415 以外才是安全區(qū)；而在大氣穩(wěn)定度為A（即白天）的情況下，下風向影響區(qū)域最遠可達225m，即離源強225 以外才是安全區(qū)。這主要是因為在年平均風速情況下由于白天和夜間的日照強弱差異，導致的大氣垂直溫度分布的不同，進而造成大氣穩(wěn)定度不同，即當液氯儲罐泄漏達到穩(wěn)定連續(xù)狀態(tài)時，在年平均風速情況下大氣穩(wěn)定度越差時，所造成的致死區(qū)、重傷區(qū)、輕傷面積更大一些。

綜合分析圖1、圖2、圖3 和圖4 看出，擴散受風速的影響，風速越大，擴散造成的危險區(qū)域面積越小。這是由于大氣穩(wěn)定性受風速影響，風速越大越大大氣穩(wěn)定性越好，擴散面積越小。

3 結(jié)論

本研究以咸陽某化工公司的液氯儲罐泄漏為模擬對象，可以得出以下幾點結(jié)論：

1）當液氯儲罐泄漏達到連續(xù)泄漏狀態(tài)時，大氣穩(wěn)定度越差時，所造成的致死區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)面積更大一些。

2）擴散受風速的影響，風速越大，擴散造成的危險區(qū)域面積越小，這是由于大氣穩(wěn)定性受風速影響，風速越大越大大氣穩(wěn)定性越好，擴散面積越小。