苯槽车泄漏扩散及事故状态的数值模拟

1苯槽车泄漏扩散及事故状态的数值模拟(中国石油化工股份有限公司洛阳分公司，河南洛阳471012)刘敬钊马洪斌刘爱彬苯是具有易燃、易爆、毒害物性的危险化学品，在生产、运输、装卸和储存等过程中均易造成人身中毒、易燃易爆等危害，而需要特别加以防护的物品。在生产和运输等环节中存在高度危险性；苯车泄漏后，在外部风和内部浓度梯度的作用下会沿地表面扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，变化或扩大的危险区增加了现场抢险救援工作的难度；判断泄漏气体扩散的危险区范围关系到现场戒严、人员疏散、火源控制区域的确定。本文对泄漏气体的扩散行为进行讨论，并对泄漏苯蒸汽气的扩散事故状态进行模拟。1泄漏扩散类型由于苯发生泄漏后，在空气中形成蒸气云团并运移扩散，而有毒有害物质的泄漏扩散会对人、畜造成中毒伤害，会对环境造成污染。泄漏有两种方式，即连续性泄漏和瞬时性泄漏。所谓连续性泄漏是指泄漏源是连续源或泄放时间大于或等于扩散时间；而瞬时性泄漏是指泄放时间相对于扩散时间比较短的泄漏。而泄漏物质扩散有重气扩散和中性气体扩散两种模式，由于苯蒸汽的相对于空气的密度为2.77，属于重气扩散类型。重气扩散过程经历四个阶段（见图1）：1)初始阶段：物质从容器泄漏出，形成气云后在本身的惯性力和外界风速的作用下，上升变形。2)重力沉降阶段和空气卷吸阶段：当气云初始动量消失后，重力占主导地位。由于云团与周围空气间的密度差，导致重气塌陷，沿地表面拓展，引起云团厚度的降低和径向尺寸的增大，而在大气湍流的作用下外界空气进入云团，即空气卷吸，云团被稀释，同时由于初始泄漏云团与周围环境的温度差异而进行热量交换。3)非重气扩散转变：随着云团的稀释冲淡，重气效应逐渐消失，重气扩散转变为非重气扩散。图1重气扩散过程4)大气湍流扩散阶段（被动扩散），即大气湍流对云团的扩散起支配作用。目前，关于物质泄漏扩散模型有许多（表1），其中包括高斯箱模型、BM模型、Sutton模型等。BM模型即唯象模型，是由一系列重气体连续泄放和瞬时泄放的实验数据绘制成的计算图表组成，能够很好地用于重气瞬时或连续释放的地面面源或体源，属于经验模型，外延性较差。Sutton模型是用湍流扩散统计理论来处理湍流扩散问题，但在模拟可2燃气体泄放扩散时误差较大。高斯模型可模拟连续性泄漏和瞬时泄漏两种泄漏方式，由于提出的时间比较早，因而较为成熟。模型简单，具有概念清晰、易于理解，运算量小，计算结果能较好吻合等特点，特别适合于危险评价，致使该模型得到了广泛的应用。表1各模型特性比较表模型名称适用对象适用范围难易程度计算量计算精度高斯烟羽模型中性气体大规模、长时间较易少较差高斯烟团模型中性气体大规模、短时间较易少较差BM模型中性或重气体大规模、长时间较易少一般Sutton模型中性气体大规模、长时间较易少较差2高斯扩散模型2.1高斯模型对于突发性泄漏事故的蒸发，泄漏源往往是短时间的突然释放或一个较长时间的分段释放大量有毒有害气体，此时地面浓度的计算应采用烟团模式。烟团模式假定泄漏物排放连续独立的烟团，这些烟团的体积沿水平和垂直方向增长，并模拟这些烟团随风速和风向在位置和时间上的变化。高斯重气扩散箱模型分为重力沉降、空气卷吸、云团受热、转变为中性气体四个部分，每个部分通过一些公式计算重气云团的半径R（t）、高度H（t）、卷吸空气量（Ma），根据云团半径和高度可计算扩散系数，进而计算云团浓度。对于泄漏物重气云团在不同距离浓度的求取，大多采用在高斯模型的基础上，通过对扩散系数的修正来模拟计算。若以风速方向为x轴，坐标原点取在泄漏点处，风速恒定为u，则源强为Q的浓度分布（只考虑泄漏物质在下风向的浓度分布）方程为：22232222,,,exp2222xyzxyzxutQyzCxyztttt（1）令z=0,得到地面浓度223222,,0,exp222xyxyzxutQyCxytttt（2）令y=0,得到地面轴线浓度2322,0,0,exp22xxyzxutQCxtttt（3）式中，()xt，()yt，()zt---扩散系数，m；3R(t)---云团半径，m；h(t)---云团高度，m；x---泄漏源的下风向距离，m；u---10m高的风速，m/s；Q---泄漏物质的体积，m3。2.2泄漏扩散的影响因素泄漏气体在大气中扩散的主要受气象条件、地表情况、泄漏源位置、泄漏气体的密度等因素的影响。风向、风速、大气稳定度、气温、湿度等因素对泄漏气体的扩散具有不同的重要影响。风向决定泄漏气云扩散的主要方向，大部分泄漏气体总是分布在下风向。风速影响泄漏气云的扩散速度和被空气稀释的速度，因为风速越大，大气的湍流越强，空气的稀释作用就越强，风的输送作用也越强。一般情况下当风速为1-5m/s时，有利于泄漏气云的扩散，危险区域较大；若风速再大，则泄漏气体在地面的浓度变稀。若无风天，则泄漏气体以泄漏源为中心向四周扩散。大气稳定度是评价空气层垂直对流程度的指标（见表2）。大气越稳定，泄漏气云越不易向高空消散，而贴近地表扩散，大气越不稳定，空气垂直对流运动越强，泄漏气云消散得越快。气温或太阳辐射强弱主要是通过影响大气垂直对流运动而对泄漏气体的扩散发生影响。大气湿度的影响，一般地说，湿度大不利于泄漏气云的扩散。在后面的模拟过程中空气相对湿度采用一个大气压常温20度条件。表2大气稳定度级别划分表地面风速，m/s白天太阳辐射阴天的白天或夜晚有云的夜晚强中弱薄云遮天或低云≥5/10云量＜4/10＜2AA-BBD--2-3A-BBCDEF3-5BB-CCDDE5-6CC-DDDDD＞6CDDDDD3伤害模型3.1P-G伤害模型P-G伤害模型仍是建立在高斯模型基础上，只不过该模型更加关注了有毒物质扩散后的伤害影响。Pasquill和Gifford在高斯模型基础上，根据常规气象观测资料确定稳定度级别，在大量扩散试验的数据和理论分析的基础上，总结出每一种稳定度级别的扩散参数随距离变化的经验曲线，解决了扩散参数的取值问题。这一经验曲线一般称为Pasquill-Gifford扩散曲线，简称P-G扩散曲线。该曲线是Pasquill根据美国大草原计划4中地面源的实验结果等总结出来的，其中lkm以外的曲线是外推的结果，此外它也未考虑地面粗糙度对扩散的影响，因而不适用于城市和山区。我国的“环境评价技术导则”《GB/T13201-91))，采用了在粗糙下垫面时，按实测的稳定度等级向不稳定方向提高1-2级，然后使用P-G曲线的幂函数式计算。byaXdzcX（4）式中的a、b、c、d为常数计算伤害区域范围：某浓度下云团地面的覆盖范围用下式计算：2232222,,0,exp222xyxyzxutQyCxyt（5）式中，Q---泄漏物质的体积，m3；σx,σy,σz---扩散系数，m，σx=σy；x---下风向距离，m；u---平均风速，m/s；t---时间，s；x-ut=0。其中，大气扩散系数采用P-G曲线的幂函数式计算；目前多应用我国环境评价标准中采用的系数值（见表3和表4）。表3横向扩散系数幂函数表达式σy=axb系数值（取值时间0.5h）稳定度ab下风向距离/mA0.4258090.6020520.9010740.8509340~10001000B0.2818460.3963530.9143700.8650140~10001000C0.1771540.2321230.9242790.8851570~10001000D0.1107260.1466690.9294180.8887230~10001000E0.08640010.1019470.9208180.8968640~10001000F0.05536340.07333480.9294180.8887230~10001000表4垂直扩散系数幂函数表达式σz=cxd系数值（取值时间0.5h）稳定度cd下风向距离/mA0.07999040.008547710.0002115451.121541.513602.108810~300300~5005005B0.1271900.0570250.9644351.093560~500500C0.1068030.9175950D0.1046340.4001670.8107630.8262120.6320230.555361~10001000~1000010000E0.09275290.4333841.734210.7883700.5651880.4147430~10001000~1000010000F0.06207650.3700152.406910.7844000.529690.3226590~10001000~10000100003.2自由蒸汽云爆炸模型如果大量泄漏苯蒸汽在空气中扩散，其过程中不但对人体产生毒物危害作用，更危险的是扩散浓度较高的云团(在爆炸浓度极限范围内)，遇火源可产生蒸气云爆炸，造成重大人员伤亡和财产损失。蒸气爆炸的模型为：⑴爆炸TNT当量计算：WTNT=WfHc／QTNT式中：WTNT---易燃液体的TNT当量（kg.TNT）；Wf---蒸气云中燃料质量（kg）Hc---燃料的燃烧热(MJ/kg)QTNT---1kgTNT爆炸所释放的能量（取4.52MJ/kg）⑵爆炸火球半径R=2.665M0.327R---火球半径（m）M---急剧蒸发的可燃物质量（kg）⑶爆炸火球持续时间t=1.089M0.327⑷蒸汽云爆炸的死亡半径为：R=K1×13.6（1.8×0.04×WTNT/1000）0.37K1---破坏系数（可取0.664）⑸蒸气云爆炸冲击波伤害爆炸浓度范围内的蒸气云遇火源发生，拟用冲击波损害半径和损害等级表示R=Cs(NE)1/3R---损害半径(m)E---爆炸能量(kJ)N---效率因素，可取10％Cs---经验常数（可分别取二、三级破坏系数）4苯车泄漏的事故后果模拟6数值模拟法是采用一些数学模型模拟计算物质泄漏后可能造成的后果，它包括泄漏扩散和事故后果两大方面。扩散模型主要是预测下风向不同距离的泄漏物质的最大浓度，模拟气体的扩散情形；伤害模型主要是预测易燃、易爆、有毒物质泄漏后可能影响的范围，为企业的应急预案的改进提供理论依据。事故后果模拟主要是预测火灾、爆炸和毒物泄漏的后果，并以图形、文字、表格等形式对事故的影响区域、人员伤亡、财产损失情况进行描述。本论文涉及的主要物质苯蒸汽具有易燃易爆性和毒害性，故只对苯蒸汽的泄漏扩散、蒸汽云爆炸进行模拟，伤害模型主要是通过计算毒物泄漏后在下风向不同距离的浓度分布，确定其造成不同伤害的区域。本论文事故后果模拟的软件采用华东理工大学晨曦安全工程咨询有限公司开发的风险评价经验模型计算软件系统，该软件功能主要是重气泄漏扩散和事故后果的模拟。4.1高斯模型数值模拟由于泄漏后苯蒸汽迅速扩散，致死区内人员如缺少防护或未能及时逃离，则将无例外的蒙受严重中毒，其中半数左右人员可能中毒死亡。重伤区内大部分人员蒙受重度或中度中毒，需住院治疗，有个别人甚至中毒死亡。轻伤区内大部分人员有轻度中毒或吸入反应症状，门诊治疗即可康复。致死区和重伤区是疏散、抢救的重点区域，轻伤区也应在疏散之列。4.1.1数值模拟的目的①确定苯槽车泄漏中毒时伤害区域，即致死区、重伤区及轻伤区半径；②确定泄漏扩散到这三个位置对应的时刻；③确定在具有轻微中毒危害时，苯蒸汽所能扩散的最远距离。苯蒸汽对人体的危害及诱发中毒时多对应的浓度值见表5。表5吸入不同浓度苯蒸气人体中毒症状空气中苯蒸气浓度（mg/m3）空气中苯蒸气浓度%（v/v）空气中苯蒸气浓度（ppm）中毒症状160-4800.046-0.138557-1671头痛、乏力、疲劳16000.4595571一般中毒症状48001.37916714严重中毒症状，主要表现是中枢神经系统明显抑制作用2