化工罐区重质气体多源泄漏扩散实验研究*

周宁　滕欣　冯磊　李娜娜　魏钰人

(常州大学，江苏省油气储运技术重点实验室　江苏常州 213016)



化工罐区重质气体多源泄漏扩散实验研究*

周宁滕欣冯磊李娜娜魏钰人

(常州大学，江苏省油气储运技术重点实验室江苏常州 213016)

在模拟实验平台开展了罐区重质气体多源泄漏扩散的实验研究，考察多泄漏源同时泄漏时，泄漏源在罐区的位置、泄漏源间距对罐区重质气体漏扩散过程的影响。结果表明：泄漏源越靠近罐区边缘，重质气体扩散范围越大；泄漏源越靠近罐区中心区域，周围罐的阻碍作用较大，中心区域的重质气体浓度越高；泄漏源间的间距越小，泄漏源中间区域的重气浓度越大，泄漏源间的间距增大，气体扩散范围也增大，事故影响范围越大；泄漏压力、体积速率总和相同时，在一定的距离范围内，多源同时泄漏时空间各点的重质气体浓度与各泄漏源单独泄漏时空间各点重质气体浓度总和基本一致。

重质气体多源泄漏泄漏源位置泄漏源间距泄漏叠加效应

0　引言

随着我国化工园区的迅猛发展和规模的不断扩大，化工园区内易燃易爆品的种类和数量均急剧增加，事故风险不断加大，而其中罐区重质危险气体泄漏扩散容易引发事故多米诺效应[1-2]，造成巨大人员伤亡、财产损失和环境破坏。例如：2010年1月7日，中石油兰州石化公司316罐区由于裂解碳四罐泄漏发生燃烧爆炸事故；2013年6月30日,江西省信丰县工业园一家化工厂生产区内的甲醇罐爆炸[3]，这些事故均是重气泄漏引发燃烧爆炸，造成周围储罐破损，并形成了多源泄漏，引发了事故多米诺效应。实际生产中发生的罐区重质气体多源泄漏事故较多，而目前的研究主要集中在单源泄漏扩散方面[4]，针对重质气体多源泄漏扩散的研究存在着缺失，对重质气体多源泄漏扩散的影响因素以及规律的研究较少，在多源泄漏事故应急处置中无法准确预测事故后果、事故影响范围。因此，本文实验研究了罐区重质气体多源泄漏扩散规律及其影响因素，以期为多源泄漏事故的应急处置提供参考。

1　实验部分

1.1实验介质

本次实验用二氧化碳气体代替危险重质气体[5]，在室内无风状态下开展。与危险性重质气体一样，二氧化碳在大气中是湍流流动，其次二氧化碳气体密度与液化石油气、氯气等重质气体密度相当，都比空气密度大，泄漏后会逐渐沿着地面沉降。

1.2实验装置

实验装置主要由缩比例模型实验区、风洞系统、重质气体泄漏系统、GMS环境监测监控系统[6-7]4部分组成。图1为实验平台示意图。

1-通风机；2-抽风罩；3-模拟罐区；4-气体浓度检测传

(1)缩比例模型实验区。该模型实验平台以某实际化工仓储企业按1:100的比例全尺寸缩比例建成，且满足国家和行业标准[8]。依据相似理论，模型实验数据与现场真实泄漏扩散过程相似，实验数据具有较高的可靠性，并具有实验条件可控、可重复性强等优点[9]。

(2)风洞系统由室外通风机、室内风罩及风量调节器等组成，可模拟现场有风工况下的罐区重气泄漏扩散及每次实验结束后的室内废气抽排工作。

(3)重质气体泄漏系统主要由二氧化碳钢瓶、减压阀、玻璃转子流量计、橡胶管等组成，可以控制二氧化碳气体泄漏的压力、流量及位置等变量。

(4)GMS环境监测监控系统由气体浓度检测传感器、信号线路、数据采集卡、数据记录和处理软件组成。其主要功能是将传感器测得的重质气体浓度信号传输到计算机上进行储存、分析，得到罐区空间某点重质气体浓度随着时间变化关系。

1.3实验过程

语内错误是由目的语项目内部之间互相干扰，或者目的语项目学习不完整而导致的,是学习者在内化的目的语部分规则系统后,由于理解不准确或者不完整而导致不能全面运用目的语的内部干扰错误。本文主要从词汇、句法、语篇三类错误进行分析。

本实验设置了8个检测点，分别放置二氧化碳浓度检测传感器，如图2所示(其中在做罐区边缘相间、相邻泄漏实验时，将6号传感器由圆形位置移动到方形位置，其他不变)。实验流程见图3所示。

图2罐区传感器分布图

图3实验流程图

2　实验结果与分析

2.1泄漏源相对位置与相对间距对泄漏扩散影响

为考查多源泄漏中泄漏源间的间距对泄漏扩散过程的影响，分别在罐区边缘和罐区中心选取两组不同间距的储罐组在相同条件下开展泄漏实验。

2.1.1罐区边缘相间罐组与相邻罐组同时泄漏

边缘相间罐组选取F102罐和F104罐进行泄漏扩散实验，即以F102罐和F104罐作为两个泄漏源，同时以2.5 L/min泄漏量泄漏，泄放压力为0.1 MPa，测得检测点处的泄漏气体体积分数变化曲线，如图4所示。同理开展F102罐和F103罐泄漏扩散实验，实验结果如图5所示。

图4F102，F104罐泄漏气体体积分数变化

图5F102，F103罐泄漏气体体积分数变化

由图4可知，6号传感器位置(以下简称6号)离泄漏源距离最近，其体积分数也是最高的；7号和8号距离泄漏源相同，但7号气体浓度略高，主要是因为7号位于两罐中间，由于中间储罐的影响因素[10],导致最初到达7号的气体不能顺利扩散出去。随着时间的推移，二氧化碳的重气效应发展到空气卷吸阶段[11]，重质气体浓度减小，同时由于障碍物的影响，扩散到7号位置的气体重量减少；4号位置距泄漏源稍远且周边环境较空旷，所以气体浓度较小；气体浓度最小的是3号位置，最主要的原因是距离泄漏源最远。

图5显示的趋势与图4基本一致，主要差异在于相邻泄漏源实验的6号处重质气体浓度要高于相间泄漏源实验的该位置处气体浓度。分析认为对于边缘相邻泄漏，6号位于两泄漏源之间，当两泄漏源相距很近时，两源泄漏之间的区域的空气卷吸受到限制，卷吸不充分而形成相互吸附，最后由两泄漏源汇聚成单一泄漏扩散[3]。因此两泄漏源中间区域气体浓度会增大。而两泄漏源距离较大时，形成两源各自扩散，对中间6号影响较小。所以泄漏源间距越小，对中间区域气体浓度影响越大。

2.1.2罐区中心相间罐组与相邻罐组同时泄漏

图6F103，F105罐泄漏气体体积分数变化

图7F104，F105罐泄漏气体体积分数变化

罐区中心相间罐组实验是以F103罐和F105罐作为泄漏源，传感器布置不变，相对于泄漏源是对称分布的。如图6所示，4号，6号测得的重质气体浓度时程曲线几乎重合，这是因为两传感器与泄漏源距离相同，周围环境相同，所以测得的气体浓度也相同；5号，7号也是对称放置的，但是7号距地面的位置比5号高，所以7号更容易测得浮力上升后的二氧化碳气体；其他曲线都是和前面的分析一致，由于与泄漏源距离的不同或周围环境(周边有障碍物等)不同造成重质气体浓度分布的差异。

图7为罐区中心相邻罐组的实验结果，其他检测位置的浓度时程曲线都比4,6号低很多，即重质气体浓度低很多。因此可以得出，泄漏源间距小，从而两股泄漏汇成一股，对周边检测点影响变小。或者说，两源间距越大，影响范围越大。

2.2多源泄漏扩散的叠加效应

多源泄漏叠加实验主要研究在总泄漏压力、流量相同时，把多个泄漏源单独泄漏后测得的数据加和，然后与多个泄漏源同时泄漏测得的数据进行比较，分析多源单独泄漏与同时泄漏时的关系[12]。

2.2.1两源泄漏扩散的叠加效应

为了使实验结果更具代表性和普遍性，开展了两源不同间距、不同泄漏位置的多条件下的实验，即边缘相间、边缘相邻、中心相间、中心相邻4种情况下的泄漏扩散实验。对应泄漏源罐组分别为：F102罐和F104罐、F102罐和F103罐、F103罐和F105罐、F103罐和F104罐。为证明实验结论的准确性，分别选取罐区前、后和边缘位置对应的2号、4号和8号检测点，处理数据后分别见图8～11。

图8　边缘相间罐泄漏气体体积分数变化

图9　边缘相邻罐泄漏气体体积分数变化

图11　中心相邻罐泄漏气体体积分数变化

由图8～11可看出，两个泄漏源在不同间距、不同泄漏位置的实验条件下，进行叠加处理后，距离泄漏源越近的传感器浓度与同时泄漏时的浓度有一定差异，这是因为同时泄漏时，泄漏量增大更易形成重质气体云团，加快重气效应进程使得此区域气体浓度减小；而其他大部分位置处的重质气体浓度时程曲线都是基本重合的。因此，在一定的距离范围内、总泄漏压力、流量相同时，两源同时泄漏与两泄漏源单独泄漏加和的气体浓度分布基本一致。

2.2.2三源泄漏扩散的叠加效应

为验证多源泄漏是否符合上述规律，选取三源相间(F102罐，F104罐和F106罐同时泄漏)和三源相邻(F103罐，F104罐和F105罐同时泄漏)两种工况开展实验。所选取的泄漏源在罐区中是对称分布的，以检测点2号、4号、7号、8号为例。实验结果如图12、图13所示。

图12　三源相间罐泄漏气体体积分数变化

图13　三源相邻罐泄漏气体体积分数变化

由图12、图13可以看出各传感器测得的三个泄漏源分别泄漏与同时泄漏的重质气体浓度比较接近，即多源分别泄漏加和与多源同时泄漏工况下各个位置的重质气体浓度时程曲线基本重合。因此，三源泄漏扩散也满足泄漏叠加效应。

3　结论

(1)在无风状态下，重质气体泄漏之后，以分子热运动方式沿地表向四周扩散，当罐区多泄漏源间的间距较小即两罐相邻时，多源泄漏的重气易相互吸附汇聚成单源再扩散，将出现浓度加和现象，处于罐区中部的泄漏通常浓度较高，扩散区域较小，危险性较大。

(2)当泄漏源之间的距离增大时，泄漏源之间的区域重气浓度会减小，但多源周围的气体浓度增加较快，扩散区域较大。

(3)两源和三源泄漏扩散的实验结果均表明：无风状态下，泄漏压力、体积速率总和相同时，各泄漏源单独泄漏后测得的重气浓度加和结果与多泄漏源同时泄漏时的浓度分布基本一致。因此，对于重气罐区，适当设置地表实体围栏，有助于防止泄漏气体的扩散；当发生多点泄漏时，可按多源泄漏扩散的叠加效应分析计算泄漏影响范围，以便科学确定疏散和警戒范围。

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[3]朱红亚.多源气体泄漏扩散的实验[D].合肥：中国科学技术大学，2013.

[4]孙莉，赵颖，曹飞，等. 危险化学品泄漏扩散模型的研究现状分析与比较[J],中国安全科学学报,2011,21(1):37-42.[5]崔伟.罐区重质气体泄漏扩散机理研究[D].常州：常州大学，2013.

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滕欣，常州大学硕士研究生。

Experiment Research on Multi-source Leakage and Diffusion of Heavy Gas for Chemical Storage Tank Farm

ZHOU NingTENG XinFENG LeiLI NanaWEI Yuren

(JiangsuProvincekeylaboratoryofoilandgasstorageandtransportationtechnology，ChangzhouUniversityChangzhou,Jiangsu213016)

This is an experiment research about multi-source leakage and diffusion of heavy gas at tank farm on the simulation experiment platform. It is investigated the influence of the position of leakage source in tank farm and the distance between leakage sources on heavy gas leakage and diffusion process when in the multi-source leakage process. The results show that leakage points in tank farm are more closer to the edge, the range of heavy gas diffusion is larger. More closer leakage points to the center region of the tank farm, the greater hindering effect of the tank around and the concentration of heavy gas in central region is higher; the smaller distance between leakage sources, the greater the harm to the central region; the larger distance between leakage sources , the larger range of gas diffusion; when the total leakage pressure and volume rates are equal, in a certain range, the heavy gas concentration at the space point of multi-source leakage and diffusion is basically the same with the sum of heavy gas concentration in corresponding positions of each single source leakage and diffusion. Key Wordsheavy gasmulti-source leakageleakage source locationleakage source distanceleakage superposition effect

2015-06-18)

国家自然科学基金青年科学基金(51204026)，江苏省高校“‘青蓝工程’资助” (SCZ1409700002)。

周宁，男，1977年生，博士，副教授，目前主要从事爆炸与冲击动力学、油气爆炸安全、油气储运工程等方面的研究。