不同气象条件下液氨储罐泄漏扩散伤害范围预测研究

王 丹，赵文武

（1.西安建筑科技大学华清学院，陕西 西安 710000；2.中建三局集团有限公司西北分公司，陕西 西安 710075）

氨作为一种重要的化工原料，为运输及储存便利，通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨。液氨一种无色液体，有强烈刺激性气味[1]。同样液氨也是一种有毒易爆化学品，一旦发生泄漏，后果相当严重。

因此，本研究运用MATLAB 软件，采用高斯羽流模型研究不同气象条件下液氨储罐泄漏扩散的危险区域，并使用Origin 软件，对不同气象条件下泄漏扩散造成的最远伤害距离进行拟合预测，为化工行业发生有毒物质泄漏事故时，人员疏散应急预案的编制奠定基础和提供支持。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以陕西省渭南市某化工企业的10000m3的液氨储罐为研究对象，模拟其泄漏情况。该市气象数据如下：年主导风向为东风及东北风，年平均风速为1.93m/s，最大风速为15.3m/s，白天一般大气稳定度为A，夜间为D。本研究运用软件对该企业对不同气象条件下液氨储罐泄漏扩散造成的最远伤害距离进行拟合预测。

1.2 泄漏速率

该化工企业的10000m3液氨储罐，罐内压力均为1.0MPa（绝压），温度均为-33℃，环境压力取0.1MPa（绝压）。对于其泄漏速率计算运用液体泄漏模型经验公式（1）如下[2]：式中：Q 为液体泄漏速率，kg/s；Cd为液体泄漏系数；在这里取0.5；A 为泄漏孔面积，m2；ρ 为液体密度，kg/m3，在这里取681kg/m3；P 为容器内介质压力（绝压），Pa，P=1.0×106；P0为大气压力（绝压），Pa，P0=0.1×106；g 为重力加速度，g=9.8m/s2；h 为裂口之上液位高度，m，h=22.3m。

在此研究10000m3液氨储罐，泄漏孔径分为50mm 和25mm 的泄漏速率，经计算其泄漏速率分别为35.1kg/s 和8.8kg/s。

1.3 建立模拟区域

本研究选用MATLAB 作为模拟工具，建立模拟区域[3]。根据液氨储罐周围人员密集程度，设定模拟液氨储罐泄漏计算区域为Gx×Gy×Gz（1500×400×2）。设定两泄漏源为内径分别为50mm 和 25mm 的圆孔，其位置坐标为（0，0，1）。

1.4 液氨扩散模型

本研究以非重气的氨气作为研究对象，探讨液氨储罐连续稳定泄漏扩散的情况，所以以高斯羽流模型[3]为基础建立液氨的泄漏扩散模型。

在此假设随着泄漏罐内压力和液体密度不发生变化。当液氨储罐泄漏达到连续稳定状态时，运用高斯羽流模型研究其扩散特点[2]，扩散模型见公式（2）：式中：C 为气云中危险物质浓度，mg/m3；Q 为连续泄漏速率，mg/s；μ 为风速，m/s；σx为x 方向的扩散系数，m；σy为y 方向的扩散系数，m；z为普通人均高度，m；x、y 为距离泄漏源的下风向和横风向距离，m；H 为有效原高，m。

1.5 危险区域划分标准

依据国内氨气卫生标准，将液氨泄漏的危险区域划分为：致死、重伤和轻伤区域；致死区：氨气的浓度为1500mg/m3；重伤区：氨气的浓度为553mg/m3；轻伤区：氨气的浓度为350mg/m3。

2 结果与分析

2.1 危险区域预测结果

本文以10000m3液氨储罐作为研究对象，分别以大气稳定度、风速和泄露速率作为研究条件，采用高斯羽流模型，得到不同条件下泄漏扩散危险区域，结果见表1。

2.2 不同气象条件下危险区域拟合预测分析

根据MATLAB 软件模拟结果，再通过Origin软件拟合出不同气象条件下各危险区域的各个风向最远距离。拟合结果见图1、图2、图3、图4、图5 和图6。

由图1～图6 看出，利用函数Y=aXb，将风速分别与最远轻伤距离、最远重伤距离和最远死亡距离的拟合效果较好。

分析图1 与图2、图3 与图4、图5 与图6 可以看出，风向对最远轻伤距离、最远重伤距离和最远死亡距离有较大影响，下风向对其影响尤为明显。

从图1、图2、图3、图4、图5 和图6 可以看出，最远轻伤距离、最远重伤距离和最远死亡距离受大气稳定度影响较大，大气稳定度越好，最远伤害距离越大。

表1 不同条件下液氨储罐泄漏扩散危险区域范围

图1 不同气象条件下横风向最远轻伤距离

图2 不同气象条件下下风向最远轻伤距离

图3 不同气象条件下横风向最远重伤距离

图4 不同气象条件下下风向最远重伤距离

图5 不同气象条件下横风向最远死亡距离

图6 不同气象条件下下风向最远死亡距离

3 结论

本研究以陕西省渭南市某化工企业液氨储罐泄漏为对象，通过模拟计算，可以得出以下几点结论：

1）风速对最远伤害距离的关系可以用Y=aXb 函数进行预测，根据预测模型可知风速越大，大气稳定度和泄漏量的差异均对横风向和下风向最远距离的影响越不明显。

2）风向对最远伤害距离具有明显的影响，下风向对其影响尤为明显，这是因为下风向为扩散主导风向，下风向空气流动速度较快导致的。

3）大气稳定度对最远伤害距离也有较为明显的影响，大气越稳定，最远伤害距离越大，这是由于大气稳定度受日照强弱差异影响，日照越弱，大气的气温垂直加速度运动越慢，大气越稳定，越有利于氨气扩散造成的。

4）风速相同情况下，大气稳定度对下风向最远距离影响比对横风向最远距离影响大，这主要是由于下风向为扩散主导风向，一定的风速会使大气更稳定度造成的。