化工园区液氨卧式储罐泄漏扩散特性研究*

毛盛，张晓民，王远振，施晓旺

(浙江泰达安全技术有限公司，浙江杭州 310000)

液氨作为一种常用化学品，在工业中应用较广，其中，化工园区液氨储存量较大。液氨在空气中易挥发，且具有一定毒性，遇到明火会发生火灾甚至爆炸事故[1-3]。当液氨储罐发生泄漏时，氨气会扩散至周围环境中，危害园区内工作人员的身体健康，同时存在一定的安全风险[4-7]。王丹等[8]以高斯羽流模型为基础对液氨储罐泄漏扩散进行了仿真分析，发现大气稳定度越差，氨气扩散危险区域面积越大，并得到了不同风速下人员受伤程度所对应的范围区域。周玉希等[9]采用CASST软件模拟了液氨泄漏事故后果，计算了不同泄漏模式和气象条件下氨气造成的死亡半径、重伤半径和轻伤半径。杜喜臣等[10]基于事故树方法研究了液氨泄漏的主要原因。陈杰等[11]采用分类方法分析了液氨泄漏事故后果。顾建伟等[12]研究了电厂内液氨储罐泄漏对环境产生的风险。

笔者主要针对化工园区的液氨卧式储罐进行了研究，分析储罐压力、泄漏孔径、风速、环境温度等因素变化对液氨泄漏扩散特性的影响。

1 建立模型

1.1 基础参数

以某化工园区的液氨卧式储罐为研究对象，液氨卧式储罐容积为100 m3，温度为16 ℃，液体密度为665 kg/m3，由于液氨储罐泄漏受到储罐压力、泄漏孔径、风速、环境温度的影响，将这些因素作为控制变量进行研究，储罐压力设置为0.8，1.0，1.2，1.4，1.6 MPa，泄漏孔径设置为0.05，0.07，0.09，0.11，0.13，0.15 m，泄漏孔高度设置为0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m，风速设置为2，4，6，8，10 m/s，环境温度设置为18，22，26，30，34，38 ℃。

1.2 建立模型

采用PHAST软件建立液氨卧式储罐模型，将泄漏孔设置在储罐侧面，泄漏孔设置为圆形，液氨卧式储罐容积为100 m3，储罐长度为14 m，直径为3 m，泄漏孔的大小和高度为控制变量。

2 液氨卧式储罐泄漏特性

2.1 风速对泄漏扩散的影响

改变环境风速，以泄漏点为起点，下风向为扩散方向，得到不同风速下液氨泄漏扩散的侧视图和俯视图，如图1和图2所示。

图1 不同风速下液氨泄漏扩散侧视图

图2 不同风速下液氨泄漏扩散俯视图

由图1可见：随着下风向距离的加大，氨气云团在纵向上骤然扩散至较高高度，随后维持在一定高度不变，最后扩散高度骤然降低为0，整体呈现类似“帽子”的形状。风速为2 m/s时，下风距离为200 m时，氨气扩散高度达到峰值，而风速为4 m/s至10 m/s时，下风距离为800 m时，氨气扩散高度达到峰值。风速由4 m/s升高至6 m/s时，氨气扩散的高度显著升高，云团最大高度由12.9 m升高至15.8 m，而风速在6 m/s至10 m/s之间时，氨气扩散高度变化并不明显。因此，当外部风速高于6 m/s时，风速不再是影响氨气云团纵向扩散范围的主要因素。

由图2可见：随着风速的增加，氨气云团俯视形状逐渐在下风向拉长，在横风向收缩，云团扩散面积变小，影响范围相应变小。主要原因是风速加大，氨气的自由扩散程度降低，受到风速的影响沿下风向扩散。当环境风速为2 m/s时，若人员距离泄漏点0 m至400 m时，应向云团两侧逃离避难，若人员距离泄漏点400 m以上时，由于云团横风向宽度较大，人员应向下风向逃离避难。当环境风速为4 m/s至10 m/s时，人员应向云团两侧逃离避难。当外部风速高于6 m/s时，氨气云团俯视扩散范围变化较小，风速不再是主要影响因素。

2.2 孔径对泄漏扩散的影响

改变孔径尺寸，以泄漏点为起点，下风向为扩散方向，得到不同泄漏孔径下液氨泄漏扩散的侧视图和俯视图，如图3和图4所示。

图3 不同泄漏孔径下液氨泄漏扩散侧视图

图4 不同泄漏孔径下液氨泄漏扩散俯视图

由图3可见：随着泄漏孔径的增大，氨气泄漏侧视形状由平缓的“山坡”形状逐渐转变为“山峰”形状，即氨气泄漏量增大，影响更高的区域。泄漏孔径由0.05 m增加值0.09 m时，泄漏侧视形状变化较明显，而泄漏孔径大于0.09 m时，泄漏侧视形状变化较小，说明此时泄漏孔径不再是影响纵向扩散的主要因素。

由图4可见：随着泄漏孔径的增加，氨气泄漏俯视形状不发生改变，但是扩散范围逐渐向泄漏位置收缩。主要原因是泄漏孔径变大，液氨泄漏量增加，氨气浓度变大，分子之间相互作用加强，更易发生聚集。泄漏孔径由0.05 m增加至0.09 m时，泄漏俯视扩散面积缩小较明显，而泄漏孔径大于0.09 m时，泄漏俯视扩散面积变化很小，泄漏孔径不再是影响横向扩散的主要因素，即泄漏孔径在0.05 m至0.09 m变化时对氨气扩散范围的影响较大。

2.3 泄漏孔高度对泄漏扩散的影响

改变泄漏孔高度，以泄漏点为起点，下风向为扩散方向，得到不同泄漏孔高度下液氨泄漏扩散的侧视图和俯视图，如图5和图6所示。

图5 不同泄漏孔高度下液氨泄漏扩散侧视图

由图5和图6可见：泄漏孔高度变化对氨气扩散范围的影响很小，随着泄漏孔位置变高，氨气扩散范围略微增大，这主要是由于泄漏孔越高，对地面冲击力越大，液氨与空气接触面积变大易挥发，泄漏流淌面积也会增大，氨气扩散面积相应增大。

图6 不同泄漏孔高度下液氨泄漏扩散俯视图

2.4 储罐压力对泄漏扩散的影响

改变储罐压力，以泄漏点为起点，下风向为扩散方向，得到不同储罐压力下液氨泄漏扩散的侧视图和俯视图，如图7和图8所示。

图7 不同储罐压力下液氨泄漏扩散侧视图

图8 不同储罐压力下液氨泄漏扩散俯视图

由图7和图8可见：随着储罐压力的增大，氨气侧视扩散范围逐渐升高，俯视扩散范围逐渐缩小。主要原因是储罐压力增加导致泄漏速率变大，液氨泄漏量增加，液氨在蒸发过程中浓度变大，相互之间作用力加强，不易被风吹散至更远的范围，但浓度更高导致氨气更易向上蒸发。储罐压力对氨气扩散范围的影响较小，压力由1.0 MPa升高至1.2 MPa时，氨气扩散范围变化更为明显。

2.5 环境温度对泄漏扩散的影响

改变环境温度，以泄漏点为起点，下风向为扩散方向，得到不同环境温度下液氨泄漏扩散的侧视图和俯视图，如图9和图10所示。

图9 不同环境温度下液氨泄漏扩散侧视图

图10 不同环境温度下液氨泄漏扩散俯视图

由图9和图10可见：温度越高，氨气的扩散范围越大，主要原因是高温促使液氨分子动能增加，能量增加的液氨分子更易脱离液氨进入空气，氨气蒸发量增加，同时，高温导致氨气的无规则运动更加剧烈，更易扩散至更远的范围。温度由18 ℃升高至38 ℃时，氨气扩散最远距离由1 080 m增加至1 160 m，温度升高对氨气扩散范围的影响并不明显。

3 结论

以某化工园区液氨卧式储罐为对象，采用PHAST软件研究了储罐压力、泄漏孔径、风速、环境温度等因素变化对液氨泄漏扩散特性的影响。主要得到如下结论。

1)氨气云团侧视呈现类似“帽子”的形状。风速由4 m/s升高至6 m/s时，氨气扩散的高度显著升高，而风速在6 ～10 m/s时，氨气扩散高度变化并不明显。

2)随着风速的增加，氨气云团俯视形状逐渐在下风向拉长，在横风向收缩，云团扩散面积变小，影响范围相应变小。

3)当环境风速为2 m/s时，若人员距离泄漏点0～400 m时，应向云团两侧逃离避难；若人员距离泄漏点400 m以上时，由于云团横风向宽度较大，人员应向下风向逃离避难。当环境风速为4～10 m/s时，人员应向云团两侧逃离避难。

4)随着泄漏孔径的增大，氨气泄漏影响更高的区域，俯视形状不发生改变，扩散范围向泄漏位置收缩。泄漏孔径大于0.09 m时，泄漏孔径不再是影响扩散的主要因素。

5)随着储罐压力的增大，氨气侧视扩散范围逐渐升高，俯视扩散范围逐渐缩小。温度越高，氨气的扩散范围越大。