环境风险评价中的物料泄漏计算

石　翔，张芝兰，张　峰

(上海格林曼环境技术有限公司，上海　200001)



环境风险评价中的物料泄漏计算

石翔，张芝兰，张峰

(上海格林曼环境技术有限公司，上海200001)

总结了环境风险评价中物料释放时泄漏速率的计算方法与适用条件、关键计算参数的选取以及泄漏时间的确定依据。通过某化工企业液氨储罐出料管道泄漏事故的案例分析，比较了三种不同泄漏速率计算方法的计算结果。结果表明液相流泄漏速率计算模型得到结果最为保守，故在无法明确某一复杂泄漏情景下的物料流态时，建议优先使用液相流泄漏速率计算模型进行保守计算。

环境风险评价；物料释放；泄漏速率

环境风险评价是建设项目环境影响评价工作中的一项重要工作内容[1]。环境风险评价是指对项目发生的可预测突发性事件或事故引起有毒有害、易燃易爆等物质泄漏，或突发事件产生的新的有毒有害物质，所造成的对人身安全与环境的影响和损害，进行评估，并提出防范、应急与减缓措施[2]。环境风险评价包括风险识别、源项分析、后果计算、风险计算与风险管理等工作内容。其中，源项分析中的物料泄漏计算包括泄漏速率计算及泄漏时间确定等，是整个环境风险定量评价的基础，决定着后续的物料挥发速率计算、大气扩散预测以及风险水平计算，直接影响着环境风险评价的结论。

1　物料泄漏速率计算

1.1计算方法与适用条件

根据物料性质及泄漏场景的不同，泄漏速率有不同的计算方法。《建设项目环境风险评价技术导则》(HJ/T 169-2004)及《化工企业定量风险评价导则》(AQ/T3046-2013)中分别对液体泄漏速率、气体泄漏速率及两相流泄漏速率提出了相应的泄漏速率计算方法[2-3]。

1.1.1液体泄漏速率

液体泄漏速率通常采用式(1)计算。该公式主要适用于液体经管道或储罐等类似装置上的小孔泄漏以及储罐等容器设备底部管道的全管径断裂泄漏，但不适用于压力流管道的全管径泄漏。

(1)

式中：QL——液体泄漏速率，kg/s

Cd——液体泄漏系数，一般取0.6～0.64之间

A——裂口面积，m2

ρ——泄漏液体的密度，kg/m3

P——容器内介质压力，Pa

P0——环境压力，Pa

g——重力加速度，9.8 m/s2

h——裂口之上液位高度，m

1.1.2气体泄漏速率

气体泄漏速率计算时通常假定气体的特性是理想气体，气体泄漏速率按式(2)计算。同样，该公式主要适用于气体经管道或储罐等类似装置上的小孔泄漏以及储罐等容器设备底部管道的全管径断裂泄漏，对于长输管道的全管径泄漏，式(2)则不适用。

(2)

式中：QG——气体泄漏速率，kg/s

Cd——气体泄漏系数，一般取0.9～1.0之间

A——裂口面积，m2

Y——流出系数，按临界流和非临界流的不同而分别确定

对于临界流，Y取1.0，非临界流则按下式计算：

式中：P——容器内介质压力，Pa

P0——环境压力，Pa

M——分子量，kg/mol

R——气体常数，8.314 J/(mol·K)

TC——气体温度，K

k——气体的绝热指数(热容比)，即定压热容Cp与定容热容CV之比

1.1.3两相流泄漏速率

两相流是指两相物质(至少一相为流体)所组成的流动系统[4-5]。在假定液相和气相是均匀的且互相平衡的情况下两相流泄漏按式(3)计算。该公式主要适用于操作温度高于其常压沸点的过热液体的泄漏。

(3)

式中：QLG——两相流泄漏速率，kg/s

Cd——气体泄漏系数，一般取0.8

A——裂口面积，m2

P——容器内介质压力，Pa

PC——临界压力，Pa，可取PC=0.55 P

ρm——两相混合物平均密度，kg/m3

ρm由下式计算：

式中：ρ1——系统温度和压力下的蒸汽密度，kg/m3

ρ2——系统温度和压力下的液体密度，kg/m3

Fv——蒸发的液体占泄漏液体总量的比例

Fv由下式计算：

式中：Cp——泄漏液体的定压比热，J/(kg·K)

TLG——容器内的介质温度，K

TC——液体的沸点，K

H——液体的气化热，J/kg

需要说明的是，如果计算发现Fv>1时，表明液体将全部蒸发成气体，这时两相流不存在，应按气体泄漏场景计算；相反如果Fv计算结果很小，则可近似地按液体泄漏公式计算。

1.2关键参数选取

无论是液体泄漏、气体泄漏还是两相流泄漏，在物料泄漏速率计算中裂口面积是一个典型的可以人为选择的参数，这一关键参数的选取也将直接影响到泄漏速率的计算结果。

泄漏计算中裂口面积的确定通常根据实际裂口情况或者按照管径来选取。一般在环境风险评价中，裂口面积常根据20%管径破裂的小孔泄漏或者100%管径破裂的全管断裂情形分别确定。考虑到不同泄漏孔径管道的泄漏概率，对于大管径管道通常仅考虑小孔泄漏，而小管径管道则需既考虑小孔泄漏，又要考虑全管径泄漏。

目前国内关于管道泄漏概率的统计数据较少，根据1982年荷兰的研究小组在COVO报告中公开的统计数据，不同泄漏

孔径的管道泄漏概率如表1所示[5]。

表1　管道泄漏概率统计Table 1　Leakage probability of pipeline

由表1可知，管径大于150 mm的管道发生全管径泄漏的概率很低，基本在10-8的水平。因此在环境风险评价的管道物料泄漏计算中，对于管径大于150 mm的大管道建议仅计算20%管径破裂的小孔泄漏，而对于管径小于等于150 mm的小管道既需要计算20%管径破裂的小孔泄漏，还需要考虑管道的全管径泄漏。

2　物料泄漏时间的确定

在计算得出物料泄漏速率后，需要确定合理的泄漏时间才能计算整个环境风险事故的物料泄漏量，从而进一步评估项目的环境风险水平。

物料泄漏时间通常由两部分时间构成，第一部分为发生物料泄漏事故到探测系统或操作人员发现泄漏事故的时间，第二部分为切断隔离系统或操作人员隔断或堵塞泄漏点的时间，其中又包括了从发现泄漏到开始响应的时间以及从开始启动或操作隔断设施到完成泄漏截断的时间。环境风险评价中，物质泄漏时间应结合项目的泄漏探测系统和隔离系统水平综合确定。若缺乏必要的项目信息，可按5～30 min考虑。

物料泄漏探测系统通常分为三种等级：专门设计的仪器仪表，用来探测系统的运行工况变化所造成的物质损失；适当定位探测器，确定物质何时会出现在承压密闭体外；外观检测、照相机或带远距功能的探测器、人工日常巡检等。随着探测水平的逐步降低，相对应的探测是否发生泄漏所需的时间也会加长。物料泄漏隔离系统亦分为三种等级：直接在工艺仪表或探测器启动，而无需操作者干预的隔离或停机系统；操作者在控制室或远离泄放点的其他合适位置启动的隔离或停机系统；手动操作阀启动的隔离系统以及人工堵漏等。同样，随着隔离水平的逐步降低，相对应的隔断泄漏所需的时间也会加长。

3　泄漏案例计算

选择某化工企业液氨储罐出料管道全管径破裂引起的泄漏事故场景，分别采用液相流、气相流及两相流泄漏计算公式核算液氨的泄漏速率，并根据该液氨储罐的设计操作水平确定泄漏时间进而计算泄漏量。

该工厂液氨储罐附近安装有可燃和有毒气体探测器，并与DCS控制系统和紧急切断阀联锁。当发生液氨泄漏时，会触发可燃和有毒气体探测器报警，同时DCS系统和紧急切断阀迅速响应，可在40 s左右截断泄漏，故本计算案例的泄漏时间确定为40 s。

案例计算中泄漏速率计算参数如表2所示，泄漏速率及泄漏量计算结果如表3所示。

表2　泄漏速率计算参数一览表Table 2　Calculation parameters of release rate

表3　泄漏速率计算结果Table 3　Calculation result of release rate

由表3可见，针对同一种泄漏事故情景，采用液相流泄漏速率公式计算得到的泄漏速率最为保守，两相流次之，气相流计算结果最小。

4　结　语

环境风险评价中的物料泄漏速率可采用液相流计算公式、气相流计算公式或两相流液相公式，在实际评价过程中应根据泄漏物料性质、泄漏场景及各个公式的适用条件选择合适的泄漏速率计算公式。裂口面积是物料泄漏速率计算中的一个关键参数，建议大于150 mm管径的管道可采用20%破裂管径计算泄漏速率，150 mm及以内管径的管道则应采用20%和100%破裂管径分别计算泄漏速率。物料泄漏时间则应根据项目装置物料泄漏探测系统水平及物料泄漏隔离手段水平综合确定，如无明确项目信息建议采用30 min这一相对保守的时间作为泄漏时间。在无法明确某一复杂泄漏情景下的物料流态时，建议优先使用液相流泄漏速率计算模型进行保守计算。

[1]张学勇,迟沁,王锦辉.化工项目环境影响评价中难点及重点问题的探讨[J].环境科学与技术,2009,32(12D):339-341.

[2]国家环境保护总局.HJ/T 169-2004 建设项目环境风险评价技术导则[S].北京:中国环境科学出版社,2005.

[3]国家安全生产监督管理总局.AQ/T3046-2013 化工企业定量风险评价导则[S].北京:国家安全生产监督管理总局,2013.

[4]王经.气液两相流动态特性的研究[M].上海:上海交通大学出版社,2012:2.

[5]于立见,多英全,师立晨,等.定量风险评价中泄漏概率的确定方法探讨[J].中国安全生产科学技术,2007,3(6):27-30.

[6]刘光启,马连湘,邢志有.化工物性算图手册[M].北京:化学工业出版社,2002:10-11.

[7]刘光启,马连湘,刘杰.化学化工物性数据手册(无机卷)[M]. 北京:化学工业出版社,2002:105,113,168.

Estimation of Material Release in Environmental Risk Assessment

SHIXiang,ZHANGZhi-lan,ZHANGFeng

(Shanghai Greenment Environmental Technology Co., Ltd., Shanghai 200001, China)

Estimation method of discharge rate and its applicable condition, selection of key calculation parameters and determination of discharge time for material release in environmental risk assessment were summarized. Based on the case study for outlet pipeline release of liquid ammonia tank in a chemical plant, estimation results of discharge rate via three different calculation model were compared. It indicated that the estimated results of discharge rate via liquid flow model were the most conservative. In condition, the material flow status could not be identified well in a complex release scenario, it was recommended to adopt the liquid flow model for a conservative calculation of discharge rate.

environmental risk assessment; material release; discharge rate

石翔(1988-)，女，注册环评工程师，主要从事环境影响评价工作。

X11

A

1001-9677(2016)08-0157-03