9泄漏扩散模型及其模拟计算

1、扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算目 录前 言1第一章 泄漏源模型.21.11.21.3泄漏源模型概念2源模型作用2泄漏情况分析31.3.11.3.21.3.3. 3. 5泄漏主要造成泄漏的泄漏后果6第二章 常见的泄漏源模型82.12.2泄漏情形8基本泄漏源模型82.2.12.2.22.2.3平行圆板模型8三角沟槽模型8多孔介质模型82.3储罐泄漏模型92.3.1 气体泄漏92.3.2 液体泄漏11管道泄漏模型122.42.4.12.4.22.4.3气体或蒸气沿管道泄漏12液体沿管道泄漏13液体通过孔洞泄漏142.5泄压元件泄放模型142.5.12.

2、5.22.5.3安全阀泄放模型15减压阀泄放模型15安全减压阀泄放模型15第三章 扩散模型.163.1 扩散模型概念16I中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算3.2 扩散模型作用163.3 扩散模型163.3.1 SLAB 模型163.3.2 DEGADIS 模型173.3.3 ALOHA 模型183.3.4 ARCHIE 模型193.3.5 UDM 模型193.3.6 大气扩散模型的对比20扩散模型22连续点源的扩散22第四章4.14.1.14.1.24.1.3大空间点源扩散22高架点源扩散23地面点源扩散264.

3、24.3连续线源的扩散26连续面源的扩散27第五章 影响大气扩散的若干因素29第六章 泄漏模拟计算306.1 气体经管道孔泄漏306.2 气体管道断裂316.2.16.2.2. 31. 32绝热等温第七章 扩散模拟计算357.1 大气度确定357.2 Pasquill-Gifford 扩散模型367.2.1 Pasquill-Gifford 模型扩散方程367.2.2 Pasquill-Gifford 模型扩散系数377.3 模式应用及结果37第八章 毒性作用标准40II中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算8.1 E

4、RPGs408.2 LDLH408.3 EEGLs418.4 TLVs418.5 PELs418.6 LOC42第九章 应急救援预案439.1应急响应439.1.19.1.29.1.3预案启动43应急报告43应急行动439.29.3处置措施44事故的预防449.3.1、设施的硬件方面449.3.2 管理方面45后期处置459.49.4.19.4.29.4.3安置45恢复45与总结459.5培训与演练469.5.1 培训469.5.2 应急预案演练46III中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算前 言在化工、石油化工及相

5、关行业中，易燃、易爆及有害物质在生产、储存和过程中经常发生泄漏事故。事故的发生不仅会导致巨大的损失，而且还会造成严重的及环境的毒性和污染。更为严重的是可能会继而发生火灾或等灾害，使得灾害损失与破坏进一步加剧。建设项目环境风险评价技术导则（HJ/T 169-2011）要求对建设项目建设和运行期间发生的可突发性或事故引起有害、易燃易爆等物质泄漏，或突发事故产生的新的有害物质，所的对人身安全与环境的影响和损害，进行评估，提出防范、应急与减缓措施。对事故泄漏源进行分析，主要是根据项目所涉及的物品的化学性质、事故下情况，采取相应的数学模型来估算泄漏物的排放量、排放时间等。在计算得到事故泄漏源强参数后即可

6、采用扩散模型进一步对事故泄漏对环境的影响进行分析。同时为减少化学事故所造成的危害和损失，必须建立完善的应急系统，以迅速、及时、有效地应对可能的事故，切实保护和环境。事故期间，过程装备迅速出大量物质，所形成的气遍及整个工厂和当地。因此在通过前期泄漏源模型建立后，需要通过扩散模型估算下风向物质浓度（一旦知道了下风向的浓度，就可以使用一些准则来估算后果或影响），在计算得到事故扩散参数后即可做出相应的原则性设计和预防监测设计，这些将为工厂设置施工提供安全导向性建议。1中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算第一章 泄漏源模型1.

7、1 泄漏源模型概念源模型是根据描述物质时所表现出来的物理化学过程的理论，或经验方建立的。对于较复杂的工厂，需要用多种源模型来描述。为了适用于特殊情况，通常需要对最初的模型进行改进和。结果往往仅是一种，这是因为物质的物理性质没有得到充分描述，或者是因为物理过程并没有得到充分的认识。如果不确定性，参数选择应该使速率和量最大化。这样就确保了设计是安全的。1.2源模型作用源模型用于后果风险确定N风险和危害可接受？更改设计Y图 1-1 源模型作用事故通常由导致过程中的物质遇到损失的某一开始。这些物质可能具有毒性和等特性。典型的可能管线的破裂或者断裂、储罐或管道上的小孔、反应失控或外部火焰作用与容器等。一

8、旦知道了可能会发生的，就可以选择源模型来描述物质是怎么样从过程系统中泄放出来的，源模型给出了流出速率、流出总量和流出状态的表达。随后，我们可以进一步进行分析，为2中国矿业大学（北京）Alpha 团队接受系统事故概率事故后果情形确定辨识系统描述扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算障做好理论层面的模拟依据。可燃和/或图 1-2 后果模型1.3 泄漏情况分析根据机理，可以分为大孔和有限孔，一般大孔中，过程单元内形成大孔，短时间内大量物质，造成的损失是瞬时的。储罐的超压就是一个很好的大孔的例子。对于有限孔，物质以非常慢的速率，上游条件并不因此而立刻受到影响，也

9、是我们在化工厂中常见的形式，往往就是小小的跑冒滴漏类型的泄漏导致大型的事故，因此有限孔的的源模型建立是非常重要的。1.3.1 泄漏主要根据各种泄漏情况分析，可将化工厂中易发生泄漏的分类，通常归纳为：管道、挠性连接器、过滤器、阀门、容器或反应器、泵、压缩机、储罐、加压或冷冻气体容器或放散管等 10 类。每一种的典型损坏类型及其典3中国矿业大学（北京）Alpha 团队后果模型缓解因素效果模型的选择火灾模型的选择选择扩散模型选择源模型描述泄漏泄漏的选择扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算型的损坏不同，具体如下：（1）管道。它管道、和接头，其典型泄漏情况和裂口

10、分别取管径的 20%100%、20%和 20%100%。（2）挠性连接器。它为：软管、波纹管和绞接器，其典型泄漏情况和裂口连接器本体破裂泄漏，裂口取管径的 20%100%；接头处的泄漏，裂口取管径的 20%；连接装置损坏泄漏，裂口取管径的 100%。（3）过滤器。它由过滤器本体、管道、滤网等组成，其典型泄漏情况和裂分别取管径的 20%100%和 20%。口（4）阀。其典型泄漏情况和裂口为：阀壳体泄漏，裂口取管径的 20%100%；阀盖泄漏，裂口取管径的 20%；阀杆损坏泄漏，裂口取管径的 20%。（5）容器、反应器。化工生产中常用的分离器、气体洗涤器、反应釜、热交换器、各种罐和容器等。常见的此

11、类泄漏情况和裂口为：容器破裂而泄漏，裂口取容器本身；容器本体泄漏，裂口取与其连接的粗管道管径的 100%；泄漏，裂口取管径的 20%；喷嘴断裂而泄漏，裂口取管径的 100%；仪表管路破裂泄漏，裂口取管径的 20%100%；容器内部，全部破裂。（6）泵。其典型泄漏情况和裂口为：泵体损坏泄漏，裂口取与其连接管径的 20%100%；密封压盖处泄漏，裂口取管径的 20%。（7）压缩机。为：离心式、轴流式和往复式压缩机，其典型泄漏情况和裂口压缩机机壳损坏而泄漏，裂口取与其连接管道管径的 20%100%；压缩封套泄漏，裂口取管径的 20%。4中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104

12、t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算（8）储罐。露天储存物质的容器或容器，也与其连接的管道和辅助，其典型泄漏情况和裂口为：罐体损坏而泄漏，裂口体；接头泄漏，裂口为与其连接管道管径的 20%100%；辅助泄漏，酌情确定裂口。（9）加压或冷冻气体容器。输槽车等，其典型泄漏情况和裂口露天或埋地放置的储存器、容器或运为：露天容器内部气体使容器完全破裂，裂口取本体；容器破裂而泄漏，裂口取本体；焊接点（接管）断裂泄漏，取管径的 20%100%。（10）放散管。它们燃烧装置、放散管、多痛接头、气体洗涤器和分离罐等，泄漏主要发生在筒体和多通接头部位。裂口取管径的 20%100%。1.3.2 造成

13、泄漏的从人机系统来考虑造成泄漏事故的主要有 4 类。（1）设计失误基础设计错误，如地基下沉，造成容器底部产生裂缝，或变形、错位等；选材不当，如强度不够，耐腐蚀性差、规格不符等；布置不合理，如压缩机和输出管没有弹性连接，因振动而使管道破裂；选用机械不合适，如转速过高、耐温、耐压性能差等；选用计测仪器不合适；储罐、贮槽未加液位计，反应器（炉）未加溢流放散管等。（2）不符合要求，或检验擅自采用代用材料；质量差，特别是不具有操作证的焊工焊接质量差；施工或安装精度不高，如泵和电机不同轴、机械不平衡、管道连接不；选用的标准定型质量不；5中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a

14、 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算对安装的没有按机械安装工程及验收规范进行验收；长期使用后未按规定检修期进行检修，或检修质量差造成泄漏；计测仪表为定期校验，造成计量；阀门损坏或开关泄漏，又未及时更换；附件质量差，或长期使用后材料变质、腐蚀或破裂等。（3）管理没有制定完善的安全操作规程；对安全漠不关心，已发现的不及时解决；没有严格执行监督检查制度；指挥错误，甚至违章指挥；让培训的工人上岗，知识不足，不能错误；检修制度不严，没有及时检修已出现故障的，是带病运转。（4）人为失误误操作，操作规程；错误，如记错阀门位置而开错阀门；擅自脱岗；思想不集中；发现异常现象不知如何处理。1.3.3 泄漏

15、后果泄漏一旦出现，其后果不单与物质的数量、易燃性、毒性有关，而且与泄漏物质的相态、温度等状态有关。这些状态可有多种不同的结合，在后果分析中，常见的可能结合有 4 种：常压液体；加压液化气体；低温液化气体；加压气体。泄漏物质的物性不同，其泄漏后果也不同。（1）可燃气体泄漏可燃气体泄漏后与空气混合达到燃烧极限时，遇到引火源就会发生燃烧或爆炸。泄漏后起火的时间不同，泄漏后果也不相同。立即起火。可燃气体从容器中往外泄出时即被点燃，发生扩散燃烧，产生喷射性火焰或形成火球，它能迅速地危及泄漏现场，但很少会影响到厂区的外部。6中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异

16、丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算滞后起火。可燃气体泄出后与空气混合形成可燃蒸汽云团，并随风飘移，遇火源发生或爆轰，能引起较大范围的破坏。（2）气体泄漏气体泄漏后形成云团在空气中扩散气体的浓密云团将笼罩很大的空间，影响范围大。（3）液体泄漏一般情况下，泄漏的液体在空气中蒸发而生成气体，泄漏后果与液体的性质和贮存条件（温度、）有关。常温常压下液体泄漏。这种液体泄漏后在防液堤内或地势低洼处形成液池，液体由于池表面风的对流而缓慢蒸发，若遇引火源就会发生池火灾。加压液化气体泄漏。一些液体泄漏时将瞬时蒸发，剩下的液体将形成一个液池，吸收周围的热量继续蒸发。液体瞬时蒸发的比例决定于物质的性质及环境温度。有些

17、泄漏物可能在泄漏过程中全部蒸发。低温液体泄漏。这种液体泄漏时将形成液池，吸收周围热量蒸发，蒸发量低于加压液化气体的泄漏量，高于常温常压下液体的泄漏量。无论是气体泄漏还是液体泄漏，泄漏量的多少都是决定泄漏后果严重程度的主要因素。7中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算第二章 常见的泄漏源模型2.1 泄漏情形2.2 基本泄漏源模型2.2.1 平行圆板模型平行圆板模型将流体介质通过密封点处的泄漏简化为介质通过间隙高度为h ，由内径r1 处流至外径r2 处的定长、层流，其体积泄漏率为：p ( p) h3- p（1）L =2()

18、1vrhIn62r1式中：h 为介质粘度， p2 、p1 分别为垫片内、外侧的。2.2.2 三角沟槽模型三角沟槽模型认为，在正常的密封情况下，垫片与面的间隙由许多三角沟槽所组成，设 H 为三角沟槽的深度，L 为三角沟槽的底宽，b 为流道的长度（通常为垫片的宽度）， r 为介质密度，则体积泄漏率为：对于液体：3= 𝐿𝐻 𝑃（2）𝐿𝑣𝐶𝜂𝑏对于气体：32= 𝐿𝐻 (𝑃)（3）𝐿𝑣2Ү

19、62;𝜂𝑃1𝑏式中：P = 𝑃2 𝑃1，(𝑃)2 = 𝑃2 𝑃2，𝐶为。212.2.3 多孔介质模型多孔介质模型认为非金属垫片可近似看作各向同性的多孔介质，其流道由多个弯弯曲曲、半径大小不等的毛细管组成。气体通过多孔介质可分为层流和流，其气体的总流率为层流流率与流流率之和。研究表明毛细管半8中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算径 r 随垫片残余应力sr = f(⼛

20、0;𝑛)的的增大而减小，。这样就可以得到气体通过垫片的泄漏率方程：= (𝐴𝐿/𝑏𝜂)𝜎𝑛𝐿𝑝𝑚(𝑝2 𝑝1) + (𝐴𝑀/𝑏)(𝑇/𝑀)1/2𝜎𝑛𝑀(𝑝2 𝑝1)（4）𝐿𝑝𝑣式中，𝐴&

21、#119871;、𝐴𝑀、𝑛𝐿、𝑛𝑀为pm = ( p2 + p1) /2 ，M 是气体相对，其值可由实验得到，𝐿𝑝𝑣 为𝑝𝑣泄漏率，质量，T 为气体绝对温度。2.3 储罐泄漏模型罐壁上的腐蚀、疲劳裂纹或孔洞以及碰撞、容器超压都能导致储罐泄漏。2.3.1 气体泄漏对于高压（低温）液化气储罐，如果处于状态，罐内不气相空间，此时即使少许裂缝出现，由于少量液体的泄漏也会引起内压的迅速下降而处于过热状态，液体全部汽化，从而最终导致

22、性破裂（闪蒸）；如果储罐没有，当破裂处位于气相空间时，在破裂面积较大的情况下，高压蒸汽通过裂缝或孔洞喷出，储罐内压急剧下降，直到环境（常温）。由于内压急剧下降，气液平衡遭到破坏，储罐内流体处于过热状态，过热状态的液体为了再次恢复平衡，内部会均匀的产生沸腾核，同时产生大量气泡，液体体积急剧膨胀，最终也导致蒸汽。对于以上两种情况（闪蒸），泄漏量可按介质瞬间全部泄漏计算。若裂口面积不大，即使有蒸汽喷出，但由于储罐内压下降不急剧，液体达到过热状态，因此发生蒸汽。气体或蒸汽不同于液体，它属于可压缩流体。当气体或蒸汽以较高速度时（>0.3 倍音速）或前后压差大于 2 时，其在过程中的动能变化和物理性

23、质的变化（尤其是密度的变化）就必须加以考虑。气体或蒸汽的泄放可分为节流泄放（Throttling Release）和泄放（Free ExpansionRelease）。对于节流泄放，气体或蒸汽的压缩能绝大部分用来克服摩擦阻力；而对于泄放，则气体或蒸汽的压缩能绝大部分转化为动能。节流泄放模型需要裂口的详细物理特征，在这里就不作讨论了，而只考虑较为简单的泄放模型。据机械能守恒原理，得到气体或蒸汽通过孔洞泄漏的质量流速模型：9中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算m00 1 2 ()()(é)()ùr+1

24、2rr（5）Q = C AP 2rM / R T r -1 ´P / P- P / Pëûg 000式中：Qm -质量泄漏率/(kg/s)； C0 -泄漏系数；A -裂口面积/m2； P0 -储罐内压/Pa；M -气体或蒸汽的摩尔质量(kg/mol)；Rg -理想气体；T0 -泄漏源温度/K；P -泄漏处r -热容比。/Pa；泄漏过程在临界状态时，泄漏源流量最大，此时泄漏处于塞压状态。对于理想气体而言，塞压是热容比的函数，见表 2-1。表 2-1塞压和热容比的单原子1.670.487P三原子1.320.542P临界状态下，最大质量流量的计算公式如下：00 1 2

25、()() ()(Q )()r+1r-1= C APrM / R T2 / r + 1éùëûmg 0choked（6）泄漏系数的确定直接影响气体泄漏速度的计算。一般而言，泄漏系数的取值范围在 0.61.0 之间。按泄漏孔的形状可分为：圆形孔，𝐶0 = 0.90（棱越多，泄漏系数越小）。孔口为内层腐蚀形成的渐缩孔，0.9 < 𝐶0 < 1.0；孔口为外力机械损伤形成的渐扩孔，0.6 < 𝐶0 < 0.9。对于气体或蒸汽泄漏，必须考虑动力抬升和热力抬升。其中动力抬升是由泄漏方向决定，热力

26、抬升是由介质与环境的温差决定的。目前普遍使用国标GB3840-83 推荐的抬升公式，但该公式只适用于泄漏方向竖直向上和泄漏介质的温度大于环境温度。不同的泄漏方向和泄漏介质与环境的温差将产生不同的泄漏10中国矿业大学（北京）Alpha 团队两原子和空气1.400.528P气体rPchoked扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算扩散效果。对于常压气体储存，由于交通事故或系统超压导致储罐大面积开裂或超压爆炸，可认为气体瞬间全部泄放到大气中，形成云团。2.3.2 液体泄漏对于高压（低温）液化储罐，当裂口处位于液相空间时，尽管液体流出并可能发生闪蒸，但由于液体的

27、流出阻力大，内压下降速度缓慢，储罐内过热液体不会发生蒸汽。闪蒸所需能量来自于过热液体中所储存的能量，即： Q =m𝐶𝑝(𝑇0 𝑇𝑏)。m 为过热液体的质量，𝐶𝑝是液体的热容，𝑇0是降压前液体的温度，𝑇𝑏是降压后液体的沸点。当Q远远小于液体的蒸发热𝐻𝑣 时可认为泄漏的液体不会发生闪蒸，此时的瞬间泄漏量为：1/2𝑃0（7）𝑄𝑚 = 𝜌Ү

28、60;𝐶0 2 (+ 𝑔𝐿)𝜌式中：𝐿是泄漏处与液面之间的距离，m0 根据上式，随着储罐渐渐变空，液体高度减少，流速和质量流速也随之减少。泄漏出来的液体会在地面上蔓延，遇到防液堤而，形成液池；若泄漏源周围地面平坦，泄漏液体也无限蔓延下去，而是趋于某一最大值，即根据不同的地表情况选用不同的液池最小厚度来确定液池的最大面积，以便计算液池的蒸发或蒸腾速率（泄漏模型的一种）。液池的蒸发或沸腾所需热量来自于地面的热传导、空气的热传导和热对流以及太阳或邻近热源的热辐射等。对于易挥发液体，其液池蒸发的质量流量为：（8）w

29、876;𝑚 = 𝑀𝐾𝐴𝑃𝑠𝑎𝑡/𝑅𝑔𝑇𝐿式中：𝐾是质量转移系数，𝑚/𝑠；𝑃𝑠𝑎𝑡是液体的饱和蒸气压，Pa；𝑇𝐿是液体的温度，K。当Q大于𝐻𝑣时，泄漏出来的液体发生完全闪蒸，此时应按气体泄漏处理。当Q小于𝐻ү

30、07;时，按两模型计算：𝑄𝑚 = 𝐴𝐶02𝜌𝑚(𝑃𝑚 𝑃𝑐)1/2（9）式中：𝜌 是两相混合物的平均密度， kg / m3 ；𝑃 是两相混合物在储罐内的𝑚𝑚Pa；𝑃𝑐是临界Pa，一般假设𝑃𝑐 = 0.55𝑃𝑚。𝜌𝑚可由下式求出：（10）ҵ

31、88;𝑚 = 1/(𝐹𝑣/𝜌𝑔) + (1 𝐹𝑣)/𝜌𝑙11中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算式中：𝐹 是闪蒸率(𝐹 = 𝑄 )；𝜌 是两相中蒸汽密度，kg/m3；𝜌 是两相中液体𝑣𝑣𝑔𝑙𝐻密度，kg/m3。另外当闪

32、蒸率𝐹𝑣 > 0.2时，可认为形成液池。2.4 管道泄漏模型若腐蚀、疲劳裂纹出现在流体输送管道上或者由于碰撞等导致管道断裂，同样会引起流体的泄漏，具体可分为以下 4 种情况：（1） 气体或蒸汽沿管道泄漏；（2） 气体或蒸汽通过管道上的孔洞泄漏；（3） 液体沿管道泄漏；（4） 液体通过官道上的孔洞泄漏。其中第二种情况同上述气体或蒸汽通过罐壁上的孔洞泄漏类似，以下是其他3 种情况。2.4.1 气体或蒸气沿管道泄漏气体或蒸汽沿管道可分为绝热和等温。绝热适合于蒸汽流快速流过绝热管道，而等温适合于流经保持恒温的非绝热管道。真实的是介于两者之间的。对于绝对，随着流体的

33、向前，下降并转化为动能，流体流速不断增加，当达到音速时（达到所谓的），流体将在余下的管城中以音速，且温度和不再发生变化。当没有发生时，其出口速度小于音速。气体或蒸汽沿管道泄漏的质量流率为（压音速）：1/2G = 2𝑟𝑀/𝑅 (𝑟 1)(𝑇 𝑇 )/(𝑇 /𝑃 )2 (𝑇 /𝑃)2（11）𝑔211122若泄漏处于范围内（音速），此时泄漏的质量流率可用以下公式计算：1/2（12）𝐺𝑐w

34、900;𝑘𝑒𝑑= 𝑀𝑎1𝑃1(𝑟𝑟𝑀/𝑅𝑔𝑇1)式中：面积上的质量流率/(kg/(m2·s)；G -非情况下泄漏的-情况下泄漏的面积上的质量流率/(kg/(m2·s)；𝐺𝑐𝑜𝑘𝑒𝑑𝑇1，𝑃1，𝑀𝑎1管道内达到前任一点处的温度（K

35、），(Pa)和；12中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算𝑇2，𝑃2泄漏处的温度（K），(Pa)。对于等温，假设流体流速远低于音速，其面积上的质量泄漏流率为：1/2（13）G = M𝑎1𝑃1(𝑟𝑀/𝑅𝑔𝑇1)式中：M𝑎1, 𝑃1管道内任一点处的T -流体温度/K。(Pa)和。Levenspiel 研究表明，当气体在管道中等温时其最大的流速并不是声

36、速。根据，其最大流速是：u = a M𝑎𝑐𝑜𝑘𝑒𝑑 = 𝑎/𝑟1/2泄漏面积上的质量流率为：（14）= 𝑃𝑐𝑜𝑘𝑒𝑑(𝑀/𝑅𝑔𝑇)1/2（15）𝐺𝑐𝑜𝑘𝑒𝑑式中：𝑃𝑐𝑜

37、𝑘𝑒𝑑 -塞压/Pa。= 𝑃1𝑀𝑎1𝑟1/2（16）𝑃𝑐𝑜𝑘𝑒𝑑2.4.2 液体沿管道泄漏液体沿管道泄漏的驱动要是梯度，而液体与管壁之间的摩擦阻力则导致液体流速的下降、的降低以及热能的增加。对于不可压缩性液体，其在管中的可由机械能守恒来描述，即：2P𝑢（17）+ 𝑔 × 𝑧 + 𝐹 = (𝑊 /

38、19898;)𝑠2𝛼式中：P-液体的压强/(N/m2)； -液体的密度/(kg/m3)；𝑢-液体的流速/(m/s)；𝛼-无量纲速度廓线系数，其有以下几种取值：对于层流，𝛼取 0.5；对于，𝛼取 1.0；对于湍流，𝛼取 1.0；𝑔-重力度/(m/s2)；𝑧-基准面上方的高度/m；13中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算𝐹-静摩擦损失项/(m·N/kg)

39、；𝑊𝑠-轴功/N·m；𝑚-质量/kg。函数代表终止状态与初始状态之差。液体的泄漏速率必须知道泄漏出口处液体的流速，根据上述方程，计算泄漏过程中液体的摩擦损失成为关键。对于不同的液体情况以及泄漏所经过的管路的不同，有不同的摩擦损失计算公式，参见相关文献Chemical processsafety undamentals with application。2.4.3 液体通过孔洞泄漏对于这种有限孔径的泄漏，可认为轴功为零，标高的变化也是可忽略的，泄漏中的摩擦损失可被泄漏系数，C1，来近似代替，定义为： P F = 𝐶2(&#

40、119875;/𝜌)（18）1由方程(17)，确定从孔洞中泄漏的液体的平均泄漏速率，u ' ，𝑢 = 𝐶1(𝛼 2𝑃/𝜌)1/2（19）𝐶= 𝐶1 𝛼1/2（20）0𝑢 = 𝐶(2𝑃/𝜌)1/2（21）0泄漏系数𝐶是从孔洞中泄漏的流体的雷诺数和孔洞的直径的复杂的函数。通0常情况下，对于尖角型孔洞和雷诺数大于 30000，𝐶取 0.61；对于较圆的喷嘴

41、，0𝐶可近似取 1；对于与容器连接的短的关节（即长度于直径之比小于 3），𝐶取000.81；对于泄漏系数不知道或不能确定的情况，直接取 1.0 以使所计算流量最大化。若泄漏时发生闪蒸，或泄漏后在地面上形成液池，可按照前面所述进行计算。2.5 泄压元件泄放模型泄压元件可分为 3 类，即安全阀、减压阀和安全减压阀。其中，安全阀主要用于气体、蒸汽的泄压系统，减压阀主要用于液体的泄压系统，而安全减压阀则14中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算用于液体和蒸汽的泄压系统。2.5.1 安全阀泄放模型

42、安全阀的作用是当容器内的超过其值时，安全阀能自动泄放工作介质，使容器内降低到所需限值，从而保证容器安全运行。安全阀泄放量的数学模型如下：G = 7.6 × 102 × 𝐶0𝑋𝑃𝐴(𝑀/𝑍𝑇)1/2（22）式中：G-安全阀泄放量/(kg/h)；𝐴-安全阀最小排气截面积/mm2；𝑃-安全阀泄放（绝压）/MPa；𝐶0-流量系数，与安全阀结构有关；𝑋-气体特性系数；𝑀-气体的摩尔质量/(kg/

43、kmol)；𝑇-气体的温度/K；𝑍-气体在操作温度和的压缩系数，可按有关手册查得。上式表明，在容器操作条件下和不更换安全阀的情况下，安全阀的泄放量随着容器内气体的增大而增大，但实际情况并非如此。研究表明，安全阀的泄放量一个最大值，达到此值后容器内再升高也影响其泄放量。这种现象与气体或蒸汽通过小孔泄漏相似，即容器内的气体在通过安全阀泄漏过形成，此时即使环境低于塞压，其泄漏量也再增加。因此，安全阀的最放量可参考方程（6）来计算。2.5.2 减压阀泄放模型同液体通过孔洞泄漏类似，可参考式（21）进行源强计算。2.5.3 安全减压阀泄放模型同两泄放模型类似，可参考式（9

44、）进行源强计算。15中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算第三章 扩散模型3.1 扩散模型概念在石油、化工、天然气、等行业中使用的物质中，各种类型的有害气体，如果在生产、储存和的过程中由于人为失误或其它，导致这些物质泄漏出来，就有可能对周围环境造成巨大的破坏和损失。不同种类的有害气体物质在不同条件下的意外泄漏，会形成不同的扩散源，此后在不同条件下会有不同的扩散形式。扩散模型是根据描述物质在不同条件下的扩散时所表现出来的物理化学过程的理论，或经验方建立的。对于较复杂的扩散形式，需要中和多种因素分析，来描述扩散。为了适用于

45、各种特殊情况，通常需要对最初的模型进行改进和修改。不同条件，通过理论和实践结合，不断模拟后得到适用于相应条件的模型。3.2 扩散模型作用扩散的过程进行数学模拟和建模研究对预防事故和应急救援工作有着极为重要的意义。通过合适的扩散模型估算下风向物质浓度，一旦知道了下风向的浓度，就可以使用一些准则来估算后果或影响，这样通过相应的毒性以确定系统的安置距离和合理布置，为项目或者相统的建立提供依据。扩散模型的建立和分析对后果分析也有着不可替代的作用，是后果模型分析的一个充分条件。3.3 扩散模型3.3.1 SLAB 模型SLAB（an Atmospheric Dispersion Mfor Denser

46、than Air Release，混合层模型：用于重气的大气扩散模型）模型由美国能源部的-（Lawrence Livermore）开发，是用于重气源的大气扩散模型。16中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算该模型能够处理 4 中不同的源：地面池蒸发、高于地面的水平射流、一组或高于地面的射流以及瞬时体积源。SLAB 通过云层分布的空间平均浓度和某些假定分布函数来计算时间平均扩散气体浓度，计算流程图如图 3-1 所示。模型以空气卷吸作用为假设前提，计算大气湍流云层混合和源于地面摩擦影响的垂直风速变化。SLAB 模型把气云的

47、浓度看作与距离的函数，通过求解动量守恒方程、质量守恒方程、组分、能量和状态方程对气体泄漏扩散进行模拟。当需要 SLAB 提确结果时，可以通过重组方程和定义新变量得到部分方程的分析解。在浓度随时间变化方面，SLAB 模型在、中度及不的大气环境下均能得到比较好的结果。源类型的蒸发池瞬时或短时间内释放源区近场区图 3-1 SLAB 模型的结构SLAB 包含两个大气扩散模型：稳态模型和瞬变流模型。模拟时可以根据源的类型和泄漏持续时间来选择模型。SLAB 模型的优点是使用简单、快速；不足之处是模型中未考虑有物和地形变化的复杂情况，亦未考虑高度方向的浓度变化。3.3.2 DEGADIS 模型DEGADIS

48、（Dense Gas Atmospheric Dispersion，重气大气扩散）大气扩散模17中国矿业大学（北京）Alpha 团队时间平均体积浓度上升瞬时扩散模型水平喷射水平喷射扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算型由美国海岸警备队和气体开发，能够对短期环境浓度以及预期将在高于特定化学品限制浓度水平的区域进行精细模拟评估。DEGADIS 模型基础是标准的扩散模型。该模型假设气云具有均匀地浓度，能够描述在平坦地形和无物的无限空间条件下，密度比空气大的燃气发生泄漏事故时在大气中的扩散过程。DEGADIS 可以用于模拟面源稠密气体（或悬浮颗粒）在平坦地形下

49、由大气边界层的无动力，还可以在溢流事故中气体扩散的距离。该模型主要优点是考虑到了如下重要因素：重力作用于高度蒸气对扩散和混合的影响；风导致的燃气的收聚作用；对区域而不单是对点的实际处理；泄漏状况随着时间改变的情况。对于作用于扩散燃气的重力影响和在风的作用下燃气的“收聚”作用所做的处理，是该模型主要的优势所在。DEGADIS 的应用，证明它可以精确描述高密度燃气云中的重力扩散和紊流混合过程。DEGADIS 模型的局限：只能限制在由平面泄漏的燃气泄漏后果，只考虑了燃气光滑表面进行泄漏扩散，而没有考虑有物的情况，如地形物造成的的变化。DEGADIS 是一个综合扩性的高密度燃气和气溶胶的泄漏事故。的不

50、同以及物、储罐等散后果模型，应用于评估高3.3.3 ALOHA 模型ALOHA（Area Location of Hazardous Atmosphere，有害大气区域定位）模型利用提供的信息和自身的综合化学物性参数库，发生化学事故后，有害气云如何在大气中扩散。能处理的：洒在地面的液体蒸发（不能处理洒在水面的液体）；基面向蒸汽云的传热；容器的气体、液体及气溶胶质量通量；闪蒸；气溶胶对未闪蒸液体的夹带。不能处理的：多组分混合物；气溶胶蒸发；燃烧、和化学反应副产物；散粒、岩体和物碎片。ALOHA 模型在使用中着以下限制：极低风速时，计算可接受最低风速为 10m 高处的平均风速 1m/s；非常的大气

51、条件；风速变化和地形变化影响；18中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算浓度突变区域，特别是在源附近。3.3.4 ARCHIE 模型ARCHIE（Automated Resource for Chemical Hazard Evaluation，化学危害品评估自动）模型由哈兹迈特公司（Hazmat America, Inc.）提出。ARCHIE 能够模拟燃烧、的有害物（非有害物）及大气扩散过程，并计算出在多种条件下各种储罐、管线和容器的逸出率，计算逸出化学品的挥发速率，以表格形式输出泄在地面和沿源高度上中心线的浓度、扩

52、散化学物的抵达和离开时间。ARCHIE 模型集合了空间模拟，并可以为模型的许多特点，适用于无物和平坦地物到大气后产生的蒸汽扩散、火灾和影响的评估提供若干种完整的评价。ARCHIE 模型本身不包含重气扩散模型。因此它不能处理重气扩散。模型假设所有气体都是中性浮力气体且沿下风方向扩散，不能用于粗糙地面或相对潮湿的扩散计算，因此，常被用于模拟挥发化学品在泄沿顺风方向的扩散。3.3.5 UDM 模型UDM 模型（Unified Dispersion M）是 PHAST用于计算泄漏扩散的模型。PHAST（Process Hazard Analysis Software Tool）是由 DNV 开发的一种

53、专门用于石油和天然气领域分析和安全计算的。该通过对发生事故时的真实场景输入，类型、物质种类、参数、泄漏方式、周围环境（大气温度、湿度、度、风速）等设置，即可模拟石油化工装置可能发生的火灾和事故的影响范围及程度。UDM 模型通过计算在某一时刻物质泄漏扩散的浓度分布，连接等浓度点绘制成等浓度线，通过等浓度线来描述云团此时的高度、宽度、下风距离，从而得出发生事故之后的安全区域、易燃易爆区域、准区域。技术可以不同的区域采取不同的应急措施，从而减小事故带来的影响。UDM 模型主要模拟有限时间的泄漏。它假定泄漏速度在一个有限的时间内是一个常量。UDM 模型两个子模型：准瞬时模型（Quasi-instant

54、aneous m）和有限时间模型（Finite-duration-correction m）。19中国矿业大学（北京）Alpha 团队扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算准瞬时模型主要模拟续源的初始阶段（忽略下风向的垂直和水平扩散）。当云的宽度相对于长度变成“大”的时候，蒸汽云就取而代之地成为一个“等效的”圆形云团，随后的阶段继续被模拟成一个“瞬时的”圆形云团。有限时间模型是基于从 SLAB 扩散模型派生出的 HGSYSTEM 公式。有限时间模型有一个更好的科学依据，它逐步考虑顺风扩散的影响，湍流的和垂直的风切变。该模型的局限性是：严格地来说，它只适用

55、于地面的无，并且没有明显的凝雨散落物。此外，它只能最高浓度（地面中心线）。UDM 模型适用于任何泄漏方式，无论是连续泄漏还是瞬时泄漏，泄漏气体是重气还是中性气体、浮性气体，都可采用 PHAST描述气体泄漏扩散的过程以及造成的影响，由于模拟结果与现实场景接近，目前得到了广泛的关注。3.3.6 大气扩散模型的对比表 3-1部分大气扩散模型对比使用简单、快密度比空气速，、中不考虑有物大的易燃/有度及不稳和地形变化用于模拟重气毒气体，如SLAB 模型定的大气环境的复杂情况，亦源蒸汽、下均能得到比未考虑高度方向LPG、硫化较好的结的浓度变化氢等果20中国矿业大学（北京）Alpha 团队用于模拟面源考虑了扩散燃只能模拟平面泄稠密气体（或气的重力影漏的燃气泄漏后LNG、LPG悬浮颗粒）在响，在风的作果，只考虑了在DEGADIS 模油品储罐泄平坦地形下向用下燃气的“收 光滑表面的泄漏型漏形成的液大气边界层的聚”作用，泄漏 扩散，而没有考池蒸发扩散无动力，状况随着时间虑有物的情还可以在改变的情况况模型名称使用范围适用举例优点缺点扬子5.5×104t/a 高活性聚异丁烯项目泄漏扩散模型及其模拟计算考虑了液体蒸发（不能处理只考虑了极低风压缩液化气洒在水面的液速和非常的体泄漏，比体）、传热、压大气条件，没有用于模拟发