液氨储罐事故性泄漏扩散过程模拟分析_丁晓晔_百度文库

1、文章编号:1673-193X (2007-03-0007-05液氨储罐事故性泄漏扩散过程模拟分析*丁晓晔,蒋军成,黄琴(南京工业大学,南京210009摘要:液氨是化工企业常用的原料,而每年因为液氨储罐的泄漏造成的事故也十分频繁,液氨属于高度危险性物质,一旦泄漏极可能造成灾难性后果。本文探讨了描述液氨储罐事故性泄漏及扩散过程的数学模型,并用所建模型针对某市化学园区某化工公司液氨储罐工程建设项目进行模拟分析。从模拟结果来看,采用数学模型的方法对事故后果进行预测和分析具有一定程度的可靠性,对于救灾、重大危险源编制应急事故预案以及对新建项目进行危险性预评价都具有一定程度的指导意义。关键词:液氨;泄漏;

2、扩散;模拟中图分类号:X928.02文献标识码:ASimulation analysis on release and dispersion processof liquefied ammonia tankDING Xiao -Ye ,JIANG Jun -cheng ,HUANG Qing(Nanjing University of Technology ,Nanjin 210009,China A bstract :The liquefied ammonia is a ra w material which is in common use in the chemical plant .S

3、ince the leaka ge in -cidents of the liquid ammonia ar e frequent every year ,liquefied a mmonia is a high -danger ous material .It will cause the disastr ous consequence if the leakage occurs .The mathematic model of release and dispersion process in liquefied ammo -nia leakage incidents is discuss

4、ed in this paper .Validation of this model is made to simulate the leakage of a tank for liq -uefied a mmonia in the Chemical Park in some city .And the result indicates that we could have a general idea on the scope of a certain leakage for the liquified a mmonia by using this model .It deserves to

5、 be a guide for making the emer -genc y plan for a factor y ,and safety pr e -assessment for a new project as well .Key words :liquefied ammonia ;release ;dispersion ;simulation 收稿日期:2007-03-23作者简介:丁晓晔(1980-,女,硕士。*基金项目:国家自然科学基金项目(编号:29936110资助液氨是化工企业常用的原料,用途广泛,而每年因为液氨的泄漏造成的事故也十分频繁,由于其毒性很大,吸入毒性指数(Ind

6、ex of Potential Inhalation Toxicity ,I PIT <300,危险等级2,属于高度危险物质,一旦泄漏极可能造成严重的事故后果。决定液氨泄漏状况的因素多而复杂,与其理化性质、闪蒸系数、泄漏源的压力和几何形状、泄漏地的地貌情况和气象条件、储存运输的操作程序等都有密切关系。因此,综合考虑各种因素,建立液氨泄漏和扩散模型,运用数学方法进行模拟,分析其泄漏第3卷第3期2007年6月中国安全生产科学技术Journal of Safety Science and Technology Vol .3No .3Jun .2007和扩散的规律,对于救灾、重大危险源编制应急事

7、故预案以及对新建项目进行危险性预评价都具有一定程度的指导意义。1数学模型通常情况下,液氨在常温下加压压缩,液化储存,一旦泄漏到空气中会在常压下迅速膨胀,大量气化,并扩散到大的空间范围。1.1泄漏模型对于灾难性破坏引起的液氨泄漏,可保守地认为容器内所有的贮存物质瞬间全部泄漏,全部泄漏时一般有爆炸发生,对其发生爆炸后的状况再运用数值模拟进行预测意义不大。因此,文中所研究的是液氨储罐连续性泄漏的数值模拟。通过对建国50年以来我国化工系统所发生的重(特大、典型事故性泄漏的统计分析表明1,阀门或法兰处的密封失效及阀门或管道断裂是造成事故性泄漏的主要原因,因而可以确定液氨储罐下方的液氨出口接管、储罐上方的

8、气氨出口接管以及安全阀为主要泄漏源。1.1.1液氨泄漏模型2液氨通过其出口接管泄漏可等效为液体通过受压储罐上的孔洞泄漏。虽然氨在常温常压下为气体,但是由于泄漏发生在液相空间,流动阻力较大,故系统内压下降缓慢,不会发生因大量液氨闪蒸而造成的蒸气爆炸。另外,由于泄漏路径较短,来不及形成汽化核心而使部分液氨在泄漏管道中汽化而形成闪蒸两相流。因此,其泄漏速率可采用式(1计算3:Q m =A C 02P 0+gh r 1/2(1式中:Q m 为质量泄漏速率,kg /s ;C 0为泄漏系数;A 为裂口面积,m 2;P 0为储罐内压,Pa ;h r 是泄漏处与液面之间的距离,m 。根据式(1,随着储罐渐渐变

9、空,液体高度减少,流速和质量流速也随之减少。泄漏的液氨会发生闪蒸,其闪蒸率的大小可由 式(2计算4:M v M 0=H 1- H 2H v(2式中:M v 为闪蒸蒸气的质量,kg ;M 0为泄漏液体的总质量,kg ;H 1为液体储存温度T s 时的焓,J /kg ;H 2为常压下液体沸点T b 时的焓,J /kg :H v 为泄漏液体的蒸发热,J /kg ;泄漏所造成的气氨在空气中的浓度分布只是空间的函数。通常情况下,当闪蒸率M vM 00.2时,则泄漏的液氨全部闪蒸,当M vM 0<0.2时,则泄漏的液氨会在地面形成液池。1.1.2气氨泄漏模型对于气氨通过其出口接管的泄漏,情况较复杂。

10、由于出口接管处于气相空间,其泄漏形式主要与泄漏面积的大小有关。在泄漏面积较大的情况下,高压蒸气通过裂缝或孔洞喷出,储罐内压急剧下降,直到环境压力(常温。由于内压急剧下降,气液平衡遭到破坏,储罐内液氨处于过热状态,过热状态的液氨为了再次恢复平衡,内部会均匀地产生沸腾核,同时产生大量气泡,液氨体积急剧膨胀,最终导致爆炸;当泄漏面积不大时,即使有蒸气喷出,但由于储罐内压下降不急剧,液氨不会达到过热状态,因此不会发生蒸气爆炸,其泄漏速率可采用下式计算:Q m =C 0AP 02rM R g T 0(r -1P P 02/r-PPr +1/r 1/2(3式中:Q m 为质量泄漏速率,kg /s ;C 0

11、为泄漏系数;A 为裂口面积,m 2;P 0为储罐内压,Pa ;M 为气体或蒸气的摩尔质量,kg /mol ;R g 为理想气体常数;T 0为泄漏源温度,K ;P 为泄漏处压力,Pa ;r 为绝热指数。1.2扩散模型1.2.1液氨扩散模型液氨泄漏后发生闪蒸的氨由于夹带有氨的液滴,因此其密度比周围空气的密度大,在一段时间内其扩散行为受到重力沉降的作用,表现为重气的扩散。5b ·8·中国安全生产科学技术第3卷dhdx =w e (4c =b 0h 0c 0bh式中:b 为重气云羽的横风向半宽,m ;b 0为泄漏源点重气云羽的横风向半宽,m ;h 0为泄漏源点重气云羽高度,m ;a

12、 为空气密度,kg /m 3;为重气云羽的轴向蔓延速度,m /s ;h 为重气云羽高度,m ;w e 为空气卷吸系数。泄漏后的液氨在空气中稀释后表现为非重气云的扩散,此时其扩散模式为气氨扩散模式。1.2.2气氨扩散模型气态氨在大气中的扩散,可以用高斯模型来计算其危害范围。高斯模型包括高斯烟羽模型和高斯烟团模型。其中,高斯烟羽模型适用于连续源的气体扩散,而高斯烟团模型适用于瞬时源的气体扩散4。在泄漏发生的初始一段时间内,其浓度分布是不稳定的,是空间和时间的函数,此时采用高斯烟团迭加模型(高斯烟羽模型与高斯烟团模型的结合进行描述6,其数学表达式如下:C =Q m(23/2x y zexp -(x

13、-ut 222x exp -y 222y exp -(z -H r 222z +exp -(z +H r 222z(5式中:C 为泄漏介质在大气中的摩尔百分比浓度;Q m 为质量泄漏速率,kg /s ;u 为环境平均风速,m /s ;t 为泄漏时间,s ;H r 为有效源高,m ;x 、y 、z 为预测点坐标,m ;x ,y ,z 分别为下风向、横风向和竖直风向的扩散系数,m 。在经过一段时间以后,浓度分布已处于稳定分布状态,即浓度只是空间的函数,与时间没有关系。此时,应采用高斯烟羽模型进行描述,高斯烟羽模型的数学表达式如下:C(x ,y ,z =Q m2y z uexp -y222yexp-

14、(z -H r 222z+exp-(z +H r 222z(6式中:Q m 为源的泄放速率,kg /s 。x ,y ,z 是高斯模型的重要参数,x ,y ,z 是由排放源到计算点的下风向距离和大气稳定度的函数,也与烟羽的排放高度及地面粗糙度有关。1.3毒负荷氨气为毒性物质。人类对毒物的反应不仅与所接触的毒物的浓度有关,而且还与暴露在该浓度下的时间有关,因此,为了同时反映毒物浓度和暴露时间对中毒反应的影响,人们提出了毒负荷的概念,其定义如下:TL =t 21C n (t d t (7式中:TL 为毒物的毒负荷,它决定中毒程度;t 1、t 2分别为开始暴露时刻和结束暴露时刻,min ;C 为t 时

15、刻暴露环境中毒物的浓度;n 为幂指数,对于氨气,n 取2。2模拟分析针对某市化学园区某化工公司液氨储罐工程建设项目应用以上数学模型进行计算机模拟,假设液氨储罐底部由于法兰接头处垫片腐蚀破裂而发生连续性泄漏,泄漏当量直径为2cm ,模拟计算的基础数据如表1、表2、表3所示,得到计算结果如图1图10所示。表1液氨理化特性相对分子量沸点(相对密度(水=1相对密度(空气=1饱和蒸汽压(kPa (4.7爆炸极限(%空气中允许浓度(mg /m 317.03-33.50.820.6506.6215.727.430·9·第3期中国安全生产科学技术表2存储条件储罐容积(m 3储罐尺寸(m 储

16、罐类型储存温度(储存压力(at m 充装系数(%302.6×5.6卧罐151080表3气象条件平均气温(平均风速(m /s 主导风向太阳辐射强度15.32.7东南风 中等图1液氨连续稳 定泄漏影响区域图图2液氨连续稳定泄漏下风向100m 处 地面浓度随时间的变化曲线图3液氨连续稳定泄漏下风向100m 处 地面浓度毒负荷随时间的变化曲线图4液氨连续稳定泄漏下风向200m 处 地面浓度随时间的变化曲线图5液氨连续稳定泄漏下风向200m 处地面浓度毒负荷随时间的变化曲线图6液氨连续稳定泄漏下风向500m 处地面浓度随时间的变化曲线图7液氨连续稳定泄漏下风向500m 处地面浓度毒负荷随时间的

17、变化曲线图8液氨连续泄漏下风向1000m 处地面浓度随时间的变化曲线图9液氨连续稳定泄漏下风向1000m 处地面浓度毒负荷随时间的变化曲线·10·中国安全生产科学技术第3卷 图10液氨连续稳定泄漏速率随时间的变化3模拟分析结果图1为液氨连续泄漏影响区域示意图,图中阴影部分表示氨气浓度大于空气中允许最高浓度,即30mg/m3。由图1可见,液氨泄漏后其最远影响范围已经达到下风向3200m处,横风向的最大影响距离也达到250m。由于模拟过程中假设泄漏工厂周围地势平坦,因此由模拟结果得出的氨气影响范围偏大,但这对于指导今后的紧急泄漏事故应急处理方案是有益的。图1中阴影部分外围的虚线

18、表示氨气云团有可能影响到的区域,主要是风向改变的影响。液氨连续泄漏时,下风向100m、200m、500m及1000m处室内、外氨气浓度随时间的变化分别见图2、图4、图6和图8。图中LOC线代表空气中的最高允许浓度(30mg/m3,虚线代表室内浓度随时间的变化,实线代表室外浓度随时间的变化。从图中可以看出,室外浓度在某一段时间内很高,远远超过LOC浓度,而室内浓度在泄漏一段时间后才高于LOC浓度,且这一时间随下风向距离的增大而增大。下风向100m、200m、500m及1000m处室内、外氨气毒负荷随时间的变化分别见图3、图5、图7和图9。由图9中可以看出,由于氨气的毒负荷主要受其浓度的控制,因此对于全密闭的建筑,由于其室内的氨气浓度很低,小于L OC浓度,因此,室内的毒负荷要比室外小的多。液氨连续泄漏时的泄漏速率随着时间的推移是逐渐减小的,其随时间的变化曲线如图10。由图10可知,储罐内的液氨在泄漏发生48min内完全泄漏完,最大泄漏速率为324kg/min。4结论本文首先建立了液氨事故性泄漏和扩散模型,运用数学方法进行模拟,分