氯气泄漏扩散过程及后果评价的研究现状分析

王森林，王骏逸，孙宝江，王文和，3

（1. 中国石化集团 四川维尼纶厂，重庆 401254；2. 重庆科技学院 安全工程学院，重庆 401331；3. 重庆市安全生产科学研究院，重庆 401331）

环境评价

氯气泄漏扩散过程及后果评价的研究现状分析

王森林1，王骏逸2，孙宝江2，王文和2，3

（1. 中国石化集团 四川维尼纶厂，重庆 401254；2. 重庆科技学院 安全工程学院，重庆 401331；3. 重庆市安全生产科学研究院，重庆 401331）

综述了氯气泄漏扩散过程及后果评价的研究成果。从现场试验、实验室模拟和数学模拟三方面分析了氯气泄漏扩散各研究方法的优势和局限性。强调了氯气泄漏扩散后果评价的必要性。指出：必须针对中国特有的一些重气扩散建立专属知识产权的数学模型；不同层次数学模型的精度皆有待于进一步提高；需加强基于特定数学模型的全过程统一界面模拟程序的开发。

氯气泄漏；实验模型；扩散规律；后果评价

氯气常温常压下是黄绿色、具有强烈刺激性的有毒气体，属剧毒化学品，其化学性质活泼，能与多种物质发生反应。氯气可溶于水，易溶于碱液，易压缩（由气态压至液态体积缩小至1/400），相对分子质量70.91，相对密度2.49，熔点-101℃，沸点-34.6 ℃。氯气在空气中不能燃烧，但能助燃，和体积分数5%的氢气混合时会发生爆炸。空气中氯气含量达到300 mg/m3就会对人体造成致命损伤。

氯气通常以液态存于钢制储罐内［1］。由于储罐受到腐蚀或外力等诸多因素的破坏，一旦氯气发生泄漏扩散，不仅会导致周围人员的中毒和企业的重大损失，而且会对社会的安定性造成影响。因此，对氯气泄漏扩散空间模型的建立以及氯气中毒后果的评价成为研究热点［2-5］。重气是指泄漏到大气中以气态或气溶胶状态存在的比空气重的准气态物质，如氯气、氨气、液化天然气（LNG）等。因氯气属于重气的一种，故对重气泄漏扩散的研究也适用于氯气。当前，对气体泄漏扩散过程的研究主要有理论研究和试验研究两方面：理论方面，主要是针对重气泄漏扩散的物理过程，建立气体扩散体系和相对应的数学模型、后果分析和评价模型等；试验方面，得到气体泄漏扩散的初始数据，为建立数学模型、验证数据资料提供帮助。

本文综述了氯气泄漏扩散过程及后果评价的研究成果，以期为氯气泄漏防治提供一定的参考。

1 氯气泄漏扩散的试验研究

1.1 现场试验

现场试验分全尺寸试验和缩比试验两类，其中，全尺寸试验为物质泄漏扩散规律的研究提供了宝贵的资料，至今国内外研究人员仍沿用现场试验的数据来验证数值模拟试验和实验室数据的准确性。

1.1.1 全尺寸试验

全尺寸试验是在真实的地形、气象条件场景下，利用试验物质再现事故场景的方法来研究物质泄放后的扩散规律，可获取准确可靠的原始数据，为理论研究提供数据保证。全尺寸试验与其他试验方法相比需要大量的科研经费和巨大的工作量，需要多个研究机构和团队来共同实现。在1970～1980年间，美英两国的研究机构将LNG设为泄漏物进行了多次全尺寸试验，得出了LNG的扩散规律。在20世纪80年代初，由欧洲委员会资助进行了Thorney Island［6-8］等一系列重气泄漏扩散大规模现场试验，获取了大量重气云在粗糙地形下发生瞬时泄漏扩散的原始数据。后来，在Thorney Island试验的基础上又进行了进一步的扩散试验，得到了宝贵的试验资料。这些资料为开展重气泄漏扩散规律的研究奠定了基础。美国Lawrence Livermore国家实验室设计的Burro试验，重点研究了LNG的蒸发扩散规律。Thorney Island试验和Burro试验的结果得到了专家学者的认可，成为研究气体泄漏扩散情况时进行验证、误差估计的依据［9-10］。

全尺寸试验在完全真实的环境条件下进行，不用任何的假设条件，对于物质扩散机理的基础理论研究和模拟试验具有十分重要的意义。但全尺寸试验也存在一些缺陷，如前期需进行大量准备工作，试验期间需投入大量的人力和物力，对于危险物质进行试验时，一旦气象条件出现意外情况，很可能导致不可控的后果，且天气情况和地形条件受到多种因素的影响，很难使试验重复进行。

1.1.2 缩比试验

缩比试验是在全尺寸试验的基础上，按照一定的比例，规定试验场景的尺寸和参数，以达到缩小全尺寸试验的目的。两者的基本原理是相似的，即运动相似、动力相似。对于重气流体均需考虑重力作用，即满足原型和模型的Froude数相同的条件，泄漏数据可通过缩比试验所得数据结合一定比例换算得出。缩比试验能良好地模拟出重气扩散的真实场景。Dandrieux［11］等以氯气为介质，采用缩比试验研究了水幕对可溶性有害气体扩散效率的影响，较为真实地模拟出了氯气在现实环境下的扩散规律。Hall等［12］用氟化氢进行了缩比试验，并创新性地提出了新的研究方向。与全尺寸试验相比，缩比试验具有尺寸小、试验物质用量少、对于一些危险物质的泄漏潜在风险小、试验周期短、效率高等优点。由于相似准则存在一定的影响因素，加之缩比试验器材制造上有误差，故缩比试验的精度比全尺寸试验要低。另一方面，缩比试验与现场试验一样，具有无法重复的缺点。

1.2 实验室模拟

现场试验耗时耗力，并且试验条件具有不确定因素。随着实验室的发展和完善，以及现场试验数据的积累，国内外许多实验室已经开始进行模拟危险气体扩散的研究［13］。

实验室模拟与缩比试验的方法近似，都是在一定范围内对真实气体泄漏扩散场景的模拟。由于现场试验受到诸多条件的限制，目前研究重气扩散的主要试验方法是实验室模拟，其中应用最多的是风洞和水槽模拟试验。相对于全尺寸试验和缩比试验而言，实验室模拟操作简单、可重复性高、试验条件可控性好，它不仅能直观地了解重气的物理扩散过程，更可清楚地掌握扩散规律和扩散趋势，为以后的模型设计提供有力支持。

1.2.1 风洞模拟试验

风洞模拟试验与缩比试验不同，需要严格遵照相似准则，在等比例缩小物理模型的基础上，还要满足实际物理过程的科学合理性，对于大气边界层的模拟，模型与原型的Reynolds数、Rossby数、Prandtl数、Richardson数和Eckert数需分别保持一致。该试验方法具有现场观测的真实性和数学计算的可预测性等优点［14］。

国外研究风洞模拟试验最早，并有很多研究成果，Krogstad等［15］通过风洞试验模拟发现建筑物会相应阻挡重气扩散。Meroney［16］以LNG为泄漏物，模拟出了重气高架释放和地面释放的扩散过程，有助于LNG泄漏扩散的研究。

周洪昌等［17］设计了风洞模拟试验，利用1/250的模型研究了在城市街道中汽车尾气排放物的扩散过程，考虑了建筑物、风速、风向、人群等因素之间的关系。试验证明了城市中大气边界层的数据与风洞模拟边界层非常接近，由于平行风与正交风的共同作用导致污染物浓度不满足叠加原理，误差很大。张林霞等［18-19］以川渝地区含硫气田为研究对象，进行了假设发生井喷事故时H2S扩散的风洞试验，将H2S扩散情况进行了比较分析，对含硫井田作业安全提出了宝贵建议。姜传胜等［20］对比了气体泄漏扩散的风洞试验模拟结果与SLAB模型的计算结果，发现两种结果相一致，即风速大小对重气连续泄漏扩散产生一定的影响。为了研究障碍物（建筑物）与植物对重气扩散的影响，刘国梁等［21］进行了风洞模拟试验，在变形源假设的基础上，阐述了重气的扩散规律。

1.2.2 水槽模拟试验

水槽模拟是利用液体在水槽中的流动来模拟气体扩散的方法。水槽模拟的可视化效果好，可以清晰地观察到气体扩散的整个过程。宣捷［22］利用水槽模拟法方法来模拟大气环境下中性气体污染物的扩散过程，取得了较好的效果。秦颂等［23］利用水槽模拟法模拟重气扩散，证明了水槽模拟的可行性。国外也有利用水槽模拟方法来模拟重气扩散的研究。在模拟中性气体方面，水槽模拟具有操作简单、可重复性好、可信度高等优势，但水和重气在运动黏度和比热容方面差异较大，模拟重气扩散的可靠度还有待检验。

1.3 小结

总体而言，无论是现场试验研究和实验室模拟研究，在试验中均存在条件不可控、重复性不佳、人力和财力耗费高等缺点，因此均难以普遍开展，即使利用其他混合气体来替代所研究气体，也难以获得预期的效果。随着数值分析方法的逐渐成熟和计算机技术的迅速发展，未来的研究重心将逐渐转移到气体扩散模型的开发和应用上。

2 氯气泄漏扩散的数学模拟

在有关泄漏扩散数据的基础上，国外研究人员发明了唯象模型（Empirical Model，EM）、箱模型（Box Model，BM）、浅层模型（Shallow Layer Model，SLM）和计算流体力学模型（Computaional Fluid Dynamic Model，CFDM）4种扩散模型，并以此为基础，衍生出上百种数学扩散模型来研究重气云泄漏扩散的规律。

2.1 国外研究

2.1.1 EM

EM是指通过一系列图表或者简单关系式来描述扩散行为的模型。Briter和McQuaid通过对重气泄漏扩散的研究，在处理和积累大量重气扩散试验数据的基础上，按无因次形式将数据绘制成曲线或列线表，提出了B&M模型［24］。德国开发的VDI模型与B&M模型的处理方法很相似［25］。EM比较简单，使用范围窄，只能当作普通的筛选模型，在预测粗糙度大的地表重气扩散时效果欠佳。

2.1.2 BM

van Ulden［26］观察到重气气云下沉的现象，针对瞬间泄漏重气云团，对高斯扩散模型进行改进，考虑了气云的重力下沉，提出了BM的概念。BM将重气比作一个圆柱形箱，假定浓度、温度和其他场在某些空间范围内的场分布是均匀的，而其他分布的参数均为零。该模型能预测重气云团的总体特征如平均半径、平均高度和平均气云温度，而不考虑空间上的其他细节特征。该模型具有简单、计算量小、易于操作等优点，在平坦地形条件下的扩散预测结果和试验结果相一致。但必须假设速度、浓度为简单分布，而通常情况下均为不连续条件，故不适用于存在障碍物或者复杂地形情况下的模拟。

2.1.3 SLM

SLM是对重气扩散的控制方程加以简化来描述其物理过程。由于垂直方向上重气的抑制作用以及近似均一的速度，它是基于浅层理论（浅水近似）推广得到的［27］，主要包括质量、组分、动量和能量守恒偏微分方程。如果其他量增加到动量方程，还可用于山地等复杂地形上的重气扩散。SLM具有计算量小、运算速度快的优势，在复杂计算的工业项目中得到广泛应用。同时，它能真实地模拟重气烟云扩散的过程，且预测结果比BM更加准确可靠，因而得到一些国家环保机构的推荐［28］。

2.1.4 CFDM

CFDM是以数值计算为基础，通过建立一定条件下的基本守恒方程，再结合时间流动问题给出初始条件和计算边界条件，通过模型计算网格的划分和计算域的离散化使得控制方程组封闭，可有效克服BM在模拟计算重气泄漏扩散受重力和大气环境影响时存在的缺陷。与此同时，CFDM相比其他模型具有更为优越的计算方法和精度。CFDM模拟了气体的非定常湍流过程，最初由England等［29］提出，主要用于模拟重质气体在三维空间内的流动扩散。在此基础上，Hanna等［30］应用FLACS软件建立3D模型，模拟计算储罐内氯气泄漏扩散的事故场景，发现氯气在平坦地形扩散速度较快，导致事故的严重程度加重。CFDM不仅能模拟平坦地形下氯气的泄漏扩散情况，也能得出复杂地形下氯气的扩散规律。这种基于Navier-Stokes方程的三维CFDM的模拟计算方法，可以较好地模拟出重气云泄漏扩散的过程，得到各气体扩散参数的数据。

2.2 国内研究

我国对于化学物质泄漏机理及其扩散规律的研究相对于其他各国较晚，但也取得了很多成果。丁信伟等［31］在总结大量前人研究的基础上，对比分析了不同气体计算模型的优势和局限性，并详细阐述了不同模型的适用范围，同时指出了危险气体扩散的研究趋势。

潘旭海等［32-37］基于泄漏的发生机理及扩散动力学过程，归纳出7种影响危险化学品泄漏扩散的主要因素，如泄漏源所在位置、地形等；此后，根据7种影响泄漏扩散的主要影响因素，获得了16种事故性泄漏扩散模式，并根据各泄漏扩散情形下的初始条件，建立了危化品泄漏源强量化模型。

考虑到高斯模型和重气模型等扩散模型在模拟管道天然气泄漏扩散时的局限性，李又绿等［38］加入了重力和水平风速来修正边界条件，建立起更适用的天然气泄漏的扩散模型，获得了与实际泄漏更贴近的管道天然气泄漏扩散规律。

此外，魏利军等［39-41］采用CFDM探讨和分析了重气扩散的紊流模型。冯志华等［42］对缩比试验和风洞实验的大气稳定度、速度、气流紊流程度对气体流动的影响进行了重点研究，详述了各试验参数的求解方法和计算原理。张元兴［43］对盒子模型与高斯模型进行了探讨和分析，较真实地反应出重气云团的扩散过程，提高了定量计算的精确度。

2.3 小结

当前，对氯气泄漏扩散模型的研究还缺乏系统性，大部分以理论推导为主，且对影响泄漏扩散因素的研究主要是独立的单因素研究。前人所建立的氯气扩散模型也大多以高斯模型为基础，由于高斯模型非常敏感于扩散环境的瞬变，且具有较差的适应性，所以在地形比较复杂的条件下误差将明显增大。虽然已有学者对氯气泄漏扩散模型的研究取得了卓有成效的成果，但是模拟结果与实际情况下的数据仍有不小的误差，所建立模型的适用条件较差，可信度也较小。

3 氯气泄漏扩散的后果评价

泄漏扩散事故的后果评价可提前分析事故发生的可能性和严重程度，给出较为科学合理的评价结果，指导事故应急预案的编制，已经成为安全评价中普遍使用的方法［44］。

秦言杰等［45］指出，氯气发生瞬时泄漏时在空间范围内的扩散是一个动态过程，随着时间的推演不断发生改变，在不同的时间点，相同地理位置的氯气浓度是不同的。随着时间的变化，氯气泄漏后依次出现致死区、重伤区、轻伤区、吸入反应区，并且液相泄漏致死区和重伤区下风向达到的距离是气相泄漏的3～5倍。运用DNV公司SAFETI软件模拟了氯气发生泄漏扩散后引起中毒事故的后果，指出一旦发生液氯容器泄漏，应改变泄漏孔位置，使其位于气相空间，以减少泄漏危害区域。

席学军等［46］将动力学理论引入到气体的扩散研究中，对城市地区发生的毒气扩散事故进行了数值模拟，研究了毒气发生扩散后周边居民的中毒反应，并对事故后果进行了定量评价，从毒气扩散的本质上分析了事故的发生原因。

此外，一些研究人员将高斯烟雨模型和事故风险概率这两种研究方法相结合，分析了储存在压力容器内液氯泄漏事故的后果，按照一定标准得出了评价结果。

通过对氯气泄漏扩散机理和规律的研究可以得出：一旦发生氯气泄漏扩散的严重事件，应在最短的时间内以最大的效率有序地实施救援，保障生命和财产安全，保护环境，把突发事件造成的损失降低到最低程度。

4 结语

a）目前，我国对模型的理论研究较少，主要是针对己有模型的二次开发和数值论证。北美和西欧拥有比较成熟的重气扩散数学模型。由于重气扩散的复杂性，国外现有模型并不能全面解决我国在化工领域中遇到的诸多问题，如井喷重气扩散的预测。因此，必须针对中国特有的一些重气扩散建立专属知识产权的数学模型。

b）国内外不同层次数学模型的精度皆有待于进一步提高，特别是CFDM精度的提高；而CFDM高精度的可用性在一定程度上受制于高性能计算机硬件的可用性。

c）目前，能够做到重气扩散全过程模拟的模型很少，且不实用，使得很多数学模型仅成为少数研究机构才可以操作的对象，故有必要加强基于特定数学模型的全过程统一界面模拟程序的开发。

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（编辑 魏京华）

Analysis on research status of diffusion process and consequence assessment of chlorine leakage

Wang Senlin1，Wang Junyi2，Sun Baojiang2，Wang Wenhe2，3

（1. SINOPEC Sichuan Vinylon Works，Chongqing 401254，China；2. College of Safety Engineering，Chongqing University of Science & Technology，Chongqing 401331，China；3. Chongqing Academy of Safety Science and Technology，Chongqing 401331，China）

The research results of diffusion process and consequence assessment of chlorine leakage are summarized. The strengths and limitations of research methods to chlorine leakage and diffusion are analyzed from three aspects of fi eld test，laboratory simulation and numerical simulation. The necessity of consequence assessment of chlorine leakage and diffusion is emphasized. It is pointed out that：The mathematical models with proprietary intellectual property right for unique heavy gas diffusion in China must be established；The accuracy of different-level mathematical models need to be further improved；The development of unifi ed interface simulation program on the basis of whole process of specifi c mathematical model need to be strengthened.

chlorine leakage；experimental model；diffusion rule；consequence assessment

X82

A

1006-1878（2016）03-0332-06

10.3969/j.issn.1006-1878.2016.03.019

2016 - 03 - 21；

2016 - 04 - 05。

王森林（1969—），男，四川省宣汉县人，硕士，高级工程师，电话023 - 68974217，电邮 slwang666@126.com。

国家自然科学基金项目（91024031）；重庆市教委科学技术研究项目（KJ1501313）。