基于MATLAB軟件的液氨儲罐泄漏擴散模擬

王丹,宋文軒

(西安建筑科技大學 華清學院,陜西 西安 71000)

近年來,隨著社會需求的日益增長,化工企業發展速度也在不斷提升,一些具有易燃易爆、有毒等特性的危險化學品被應用于各個領域,在一定程度上增加了重特大事故的發生概率,對城市安全及人類安全產生了嚴重的威脅。據統計,2000～2020年化工企業發生事故228起,其中國內193起,占比84.6%,國外35起,占比15.3%,且事故總起數呈上升趨勢,因此化工企業的安全問題受到了廣泛的關注。

液氨是一種重要的化工原料,被廣泛應用于煉焦、制冷等相關化工行業。但從液氨的理化特性來看,其也是有毒、易爆的危險化學品,如若一旦發生泄漏,造成的事故后果以及影響將極為嚴重[1]。2013年4月四川峨眉山仁壽縣曾發生液氨泄露事故造成4死22中毒的較大事故;2013年8月上海曾發生液氨管路系統泄漏造成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,雖然說滿足了各行各業日益增長的需求,但同時給各行各業也帶來了很大的威脅,稍有不慎就會釀成悲劇,進而影響到個人、家庭、企業甚至社會的發展。因此本文擬以某液氨儲罐為研究對象,基于MATLAB軟件運用泄漏模型以及高斯煙羽擴散模型對其泄漏擴散范圍進行模擬研究,為涉氨化工企業安全管理以及事故應急處置提供一定的參考價值。

1 研究對象

本文以延安某化工企業液氨儲罐為研究對象,該儲罐規格為規格Φ2 800 mm×20 328 mm,最大儲量48.5 t,儲存溫度為常溫(25 ℃),壓力為1.3 MPa,當地年平均風速為2.1 m/s,最大風速為25 m/s,基于此基本背景情況對其進行泄漏擴散模擬。

2 基于MATLAB軟件的液氨儲罐泄漏擴散模擬

2.1 液氨儲罐事故模式分析

液氨儲罐事故發生分為三個階段,分別為:泄漏、閃蒸(擴散)、爆炸。

2.1.1 泄漏階段

液氨儲罐發生泄漏的形式很多,主要從液氨本身的理化特性以及儲罐保護措施失效兩面引起泄漏事故的發生。從液氨儲罐事故統計結果來看,以液氨儲罐管路系統出現故障導致泄漏為主深入分析得知。一般情況下導致液氨儲罐泄漏原因主要有以下7點:

1)設備故障:儲罐內部的設備(如閥門、管道等)出現故障,導致液氨泄漏。

2)不當操作:操作人員在操作液氨儲罐時,未按照規定的程序進行,或者未正確關閉閥門等設備,導致液氨泄漏。

3)外部因素:外部因素如地震、火災等可能會導致液氨儲罐泄漏。

4)材料老化:儲罐內部的材料長時間使用后,可能會出現老化,導致儲罐的密封性能下降,從而導致液氨泄漏。

5)不當維護:儲罐的維護保養不當,例如未定期檢查儲罐的密封性能、未及時更換老化的設備等,可能會導致液氨泄漏。

6)設計缺陷:儲罐的設計存在缺陷,例如儲罐的密封性能不足、閥門設計不合理等,可能會導致液氨泄漏。

7)環境因素:環境因素如溫度、濕度等也可能會影響液氨儲罐的密封性能,從而導致液氨泄漏。例如,在高溫環境下,儲罐內部的壓力可能會升高,從而導致液氨泄漏。

2.1.2 閃蒸(擴散)階段

液氨的閃蒸是指,當液氨從高壓狀態下突然放到低壓狀態下時,液氨會迅速蒸發,產生大量的氣體。這種現象通常會在液氨儲罐、輸送管道等系統中發生,如果不加以控制,將會形成液氨蒸氣擴散后在儲罐區大量堆積,造成儲罐周圍人員急性中毒,進而導致安全事故。

2.1.3 爆炸階段

當液氨泄漏蒸發后,與空氣混合達到一定比例后(即爆炸極限范圍內),如果周圍有明火或高溫物體時,就會發生爆炸。液氨爆炸后產生的沖擊波超壓、釋放的熱量等,都會對人、建筑物以及設備造成嚴重的威脅,造成嚴重的損失。液氨蒸氣云爆炸的發生與液氨的物理和化學性質有關,液氨是一種易揮發的氣體,蒸發后形成的氨氣云具有一定的濃度和可燃性。通過以上液氨儲罐事故原因分析,得出液氨儲罐泄漏擴散的主要事故模式見下圖1。本文主要對液氨儲罐泄漏擴散所造成的范圍進行研究分析。

圖1 事故模式

2.2 液氨儲罐泄漏擴散模擬

根據以上事故模式,基于MATLAB軟件,運用泄漏模型和高斯擴散模型,對液氨儲罐泄漏擴散范圍進行模擬計算。主要運用兩相流泄漏模型以及高斯擴散模型,模型簡介如下。

2.2.1 兩相流泄漏模型

通過對液氨的特性以及儲罐的儲存溫度和壓力的分析,泄漏模型擬用兩相流泄漏模型[2]。具體計算公式如下式(1):

(1)

式中:Q0——兩相流動混合物泄漏速度,kg/s;

Cd——兩相流動混合物的泄漏系數;

A——裂口面積,m2;

p——兩相混合物的壓力,Pa;

PC——臨界壓力,Pa,可取0.55 Pa;

ρ——兩相流動混合物的平均密度,kg/m3,可由下式(2)計算:

(2)

式中:ρ1——液體蒸發的蒸汽密度,kg/m3;

ρ2——液體密度,kg/m3;

Fv——蒸發的液體所占液體總量的比值。

(3)

式中:CP——液體的定壓比熱,J/(kg·K);

T——泄漏前液體的溫度,K;

T0——液體在常壓下的沸點,K;

H——液體的氣化熱,J/kg。

根據《化工企業定量風險評價導則》AQ/T 3046—2013中附錄F確定液氨儲罐檢測系統為B級[3],隔離系統為B級,因此假設其泄漏孔徑為25 mm,可得泄漏面積A=4.9×10-4m2;在此取泄漏系數Cd=0.8,液氨儲罐壓力P=1.3×106Pa,經計算臨界壓力PC= 7.15×105Pa;經計算Fv=0.2(其中,CP=4 700 J/(kg·K)、T=298 K、T0=239 K、H=1 371 000 J/kg),兩相流混合物平均密度ρ=55 kg/m3(其中,ρ1=11.61 kg/m3、ρ2=710 kg/m3),帶入兩相流泄漏公式,經計算得出泄漏速率為Q0=3.15 kg/s。

2.2.2 高斯擴散模型

在此假設泄漏過程中儲罐內壓力和密度不變化,發生連續泄漏擴散,運用高斯煙羽模型模擬擴散范圍。當泄漏達到連續穩定狀態時,擴散模型[4]見公式如下:

(4)

式中:C——氣云中的危險物質含量,mg/m3;

Q——連續泄漏速率,mg/s;

μ——風速,m/s;

σx——x方向的擴散系數,m;

σy——y方向的擴散系數,m;

z——普通人均高度,m;

x、y——為研究對象距液氨儲罐下風和橫風的距離,m;

H——為有效源高,m。

根據液氨儲罐所在地區氣象條件,可知液氨儲罐泄漏擴散大氣穩定度[2]白天為A,夜間為D。

根據國內氨氣衛生標準[4-5],再此以350 mg/m3為輕傷濃度,530 mg/m3為重傷濃度, 1 500 mg/m3為致死濃度,30 min以上可致人死亡(即重傷);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以上為即時死亡。

運用MATLAB軟件模擬其靜風(1 m/s)、年平均風速(2.1 m/s)下不同大氣穩定(A、D)的泄漏擴散范圍,模擬結果見下圖2～圖5。

圖2 靜風大氣穩定度為A的各濃度下泄漏擴散范圍

在泄漏速率為3.15 kg/s、靜風速為1 m/s、年平均風速為2.1 m/s的條件下,液氨儲罐泄漏情況如上:圖2為靜風大氣穩定度為A的泄漏擴散范圍,圖3為靜風大氣穩定度為D的泄漏擴散范圍,圖4為年平均風速大氣穩定度為A的泄漏擴散范圍,圖5為年平均風速大氣穩定度為D的泄漏擴散范圍,泄漏擴散影響范圍結果如下(匯總見下表4):

圖3 靜風大氣穩定度為D的各濃度下泄漏擴散范圍

圖4 年平均風速大氣穩定度為A各濃度下的泄漏擴散范圍

圖5 年平均風速大氣穩定度為D的泄漏擴散范圍

1)靜風速下大氣穩定度為A時,死亡區濃度內橫風最遠y=±26 m,下風最遠x=94 m;重傷濃度內橫風最遠y=±42 m,下風最遠x=156 m;輕傷濃度內橫風最遠y=±52 m,下風最遠x=198 m。

2)靜風速下大氣穩定度為D時,死亡區濃度內橫風最遠y=±24 m,下風最遠x=178 m;重傷濃度內橫風最遠y=±38 m,下風最遠x=300 m;輕傷濃度內橫風最遠y=±48 m,下風最遠x=380 m。

3)年平均風速下大氣穩定度為A時,死亡區濃度內橫風最遠y=±18 m,下風最遠x=65 m;重傷濃度內橫風最遠y=±28 m,下風最遠x=107 m;輕傷濃度內橫風最遠y=±36 m,下風最遠x=135 m。

4)年平均風速下大氣穩定為D時,死亡區濃度內橫風最遠y=±16 m,下風最遠x=122 m;重傷濃度內橫風最遠y=±26 m,下風最遠x=203 m;輕傷濃度內橫風最遠y=±34 m,下風最遠x=257.5 m。

根據上述結果分析得出以下結論:

1)從圖2～圖5可以看出,液氨儲罐泄漏后擴散區域主要在下風向,且橫風較下風向擴散距離小,因此可以根據擴散范圍對液氨儲罐周圍設備設施以及場所進行規劃。

2)對圖2與圖3對比分析,可知在靜風條件下,夜晚(大氣穩定度為D)危險區域更大,泄漏擴散造成的死亡濃度范圍、重傷濃度范圍、輕傷濃度范圍更廣。

3)對圖4與圖5對比分析,可知在年平均風條件下,夜晚(大氣穩定度為D)危險區域更大,泄漏擴散造成的死亡濃度范圍、重傷濃度范圍、輕傷濃度范圍更廣。

4)分別對比分析圖2與圖3、圖4與圖5,可知在年平均風速下,泄漏擴散影響范圍更小,是因為風速越大,導致大氣湍流越強,進而造成其對空氣的稀釋作用就越強,導致死亡濃度下、重傷濃度下、輕傷濃度下影響的區域范圍變小。

3 結論

為有效控制和降低液氨儲罐事故后果,且為涉氨化工企業安全管理以及事故應急處置提供一定的參考,本文擬以某液氨儲罐為研究對象,基于MATLAB軟件運用泄漏模型以及高斯煙羽擴散模型對其泄漏擴散范圍進行模擬研究,得出以下主要結論:

1)根據液氨蒸發量以及泄漏速率,進行高斯煙羽模型MATLAB模擬,得出液氨儲罐在靜風速下大氣穩定度為A時,泄漏擴散模擬的死亡半徑是:x=94 m,y=±26 m;液氨儲罐靜風下大氣穩定度為D時,泄漏擴散模擬的死亡半徑是:x=178 m,y±24 m;液氨儲罐年平均風速下大氣穩定度是A時,泄漏擴散模擬的死亡半徑是:x=65 m,y=±18 m;液氨儲罐年平均風速下大氣穩定度是D時,泄漏擴散模擬的死亡半徑是:x=122 m,y=±16 m。

2)根據泄漏擴散結果可知,同樣的泄漏條件下,夜晚(大氣穩定度為D)泄漏危險區域更大,擴散死亡區域、重傷區域、輕傷區域更廣。

3)根據泄漏擴散結果對比分析,年平均風速下危險區域反而更小,原因是風速越大,大氣湍流越強,空氣的稀釋作用就越強,導致死亡濃度下、重傷濃度下、輕傷濃度下危險區域范圍變小。

4)根據泄漏擴散結果分析,在廠區規劃時,建議將液氨儲罐設計在遠離人口密度較高的辦公場所,以及在液氨儲罐下風向位置盡量不設置辦公場所。