城乡冷库液氨泄漏扩散的风险分析

姚见 马东池 王晓昕 刘玉嫚 吴雅菊

摘 要：针对冷库液氨泄漏事故，采用高斯烟羽模型进行分析，并分别针对城市和乡村不同的地表粗糙度情况分析下风向地面中心线的扩散质量浓度和危害区域。通过matlab数值模拟表明，发生在城市的液氨泄漏的下风向地面扩散质量浓度的最大值高于乡村，但是危害区域比发生在乡村的小；通过模拟，划分了不同的危害区域，可以为发生在城市和乡村不同的地域情况下的人员疏散和现场警戒提供理论依据。

关键词：液氨泄漏 高斯烟羽 地表粗糙度 matlab数值模拟

中图分类号：X820 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（c）-0082-02

氨气，高毒，被列入到国家安全生产监督管理总局编制的《首批重点监管的危险化学品名录》。近年来，随着我国制冷企业的快速发展以及液氨制冷剂的广泛使用，液氨泄漏事故不断发生，2013年8月31日，位于上海市丰翔路1258号的上海翁牌冷藏实业有限公司发生液氨泄漏事故，造成15人死亡，25人受伤。特别是由于使用液氨制冷剂的冷库位于城市人口密集区或是城郊区现象的存在，相比于乡村而来，若发生液氨泄漏事故，可能造成的后果更加严重。

因此，预测城市和乡村不同地域情况下氨泄漏后的空间浓度分布，可以有针对性的划分人员的中毒区域，对应急疏散指挥决策起到指导作用。

1 扩散模型选取

该文以冷库液氨连续泄漏扩散为例，采用高斯烟羽模型对泄漏扩散进行数值模拟，高斯烟羽模型如下所示[1-2]：

（1）

式中：C（x ，y ，z ） 为泄漏物质在（x ，y ，z ）点处的质量浓度，mg/m3；u为风速，m/s；Q 为泄漏源的泄放速度，mg/s；x ，y ，z 为预测点坐标，m ；H 为有效源高，m；δy，δz分别为y，z 方向的扩散参数，与大气稳定度和水平距离有关。

2 事故模型假设

冷库制冷作用的氨系统包括储罐、管线、阀门、连接法兰、泵的密封等，容易发生泄漏事故的部位：液氨储罐的气相进出口、液相进出口、排污口、放散口、液面计接口、安全阀接口、压力表接口等接管、阀门、法兰连接密封等部位失效或泄漏。冷库及冷藏间等的氨管道法兰、阀门、法兰连接密封部位失效或泄漏。假设液氨储罐发生泄漏事故，液氨储罐容积为40 m3，工作压力为1.5 Mpa，设计压力为2.16 Mpa，工作温度为50 ℃。漏到大气中后，因压力瞬间变为常压，其中有一部分迅速蒸发为气体，假定液氨泄漏时全部被蒸发，此时根据泄漏源模型[3]的气体泄漏模型，泄漏速率为4.9114 kg/s。现场风速为5.4 m/s，大气稳定度为D，有效源高4 m。

3 泄漏扩散模拟

3.1 大气稳定度的确定

扩散系数与大气稳定度紧密相关，通过天空中观测的风速、云量、云速和日照等天气资料，将大气的扩散稀释能力分为A、B、C、D、E、F6个稳定度级别[4]，本例中根据风速和当时的天气情况确定大气稳定度等级为D。

3.2 扩散系数的选择

表1列出了大气稳定度为D时的连续泄漏扩散系数的计算公式[5] 。本例中为评估城市和乡村不同位置的液氨泄漏扩散的危害范围，选取城市和乡村两种情况下的泄漏扩散系数进行计算。

3.3 matlab及危害区域分析

根据matlab编写程序模拟在城市和乡村不同情况下液氨泄漏的扩散情况，见图1。通过模拟可知，城市情况下的浓度最高值约为11.656 g/m3，出现在20 m处；乡村情况下的浓度最高值约为9.6613 g/m3，出现在48 m处。对泄漏氨气进行毒性评估时，根据文献[4]选取30，140，553，1750和3500 mg/m3为危害质量浓度阈值，分别代表氨气对人体无明显刺激、轻度危害、中度危害、强烈刺激、危及生命和即时死亡的质量浓度。

通过图1可知，若冷库选址在乡村（城市）发生液氨泄漏事故，浓度在距离泄漏源约48 m（20 m）迅速增大为浓度最大值，随后迅速下降随着距离的增加浓度值缓慢降低。

图2给出了液氨在乡村和城市不同场所泄漏后的等浓度曲线，危及生命和即时死亡和强烈刺激的质量浓度曲线区域应做好隔离措施，严禁进入；质量浓度为30 mg/m3以内的区域均为人员防护区域，防护措施根据危害程度的增加防护等级逐渐增强。乡村和城市不同情况下估测泄漏源下风向分别为2119 m处和735 m氨气的扩散质量浓度值约为30 mg/m3。发生在乡村的液氨泄漏扩散危害范围比发生在城市的危害范围要大，但是城市属于人口密集区，因此在选址上应该避免在人口密集的城区建冷库。不管是在乡村还是城市都应该考虑液氨泄漏后对周边区域的影响，根据其不同的危害区域做好应急预案。

4 结语

（1） 基于高斯烟羽模型对冷库液氨泄漏进行了数值模拟，选取代表不同地表粗糙度的城市和农村两种不同情况下的扩散系数进行分析。通过数值模拟得出，发生在城市的液氨泄漏的下风向地面质量浓度的最大值比乡村情况下大，但是其危害区域比乡村情况小。

（2）通过模拟，把泄漏后的区域按照不同危险程度进行了划分，可以为人员疏散和现场警戒提供理论依据，应急预案的制定更要根据城市和乡村的不同情况划分不同的警戒区域。

参考文献

[1] 邓金华，沈贤明，张保平，等. Matlab在化学危险性气体扩散模拟分析中的应用[J]. 中国安全生产科学技术，2005（5）：96-98.

[2] 王洪德，莫朝霞.基于高斯模型的液氨储罐泄漏扩散仿真分析[J].中国安全科学学报，2012（9）：31-36.

[3] 潘旭海，蒋军成.事故泄漏源模型研究与分析[J]. 南京工业大学学报（自然科学版），2002（1）：105-110.

[4] 夏登友，钱新明，黄金印，等. 液氨泄漏扩散模拟及危害评估[J].中国安全科学学报，2014（3）：22-27.

[5] 刘茂.事故风险分析理论与方法[ M ].北京：北京大学出版社，2011.