苯槽車(chē)泄漏擴(kuò)散及事故狀態(tài)的數(shù)值模擬

1、苯槽車(chē)泄漏擴(kuò)散及事故狀態(tài)的數(shù)值模擬(中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽(yáng)分公司，河南洛陽(yáng) 471012)劉敬釗 馬洪斌 劉愛(ài)彬苯是具有易燃、易爆、毒害物性的危險(xiǎn)化學(xué)品，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝卸和儲(chǔ)存等過(guò)程中均易造成人身中毒、易燃易爆等危害，而需要特別加以防護(hù)的物品。在生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)中存在高度危險(xiǎn)性；苯車(chē)泄漏后，在外部風(fēng)和內(nèi)部濃度梯度的作用下會(huì)沿地表面擴(kuò)散，在事故現(xiàn)場(chǎng)形成燃燒爆炸或毒害危險(xiǎn)區(qū)，變化或擴(kuò)大的危險(xiǎn)區(qū)增加了現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)救援工作的難度；判斷泄漏氣體擴(kuò)散的危險(xiǎn)區(qū)范圍關(guān)系到現(xiàn)場(chǎng)戒嚴(yán)、人員疏散、火源控制區(qū)域的確定。本文對(duì)泄漏氣體的擴(kuò)散行為進(jìn)行討論，并對(duì)泄漏苯蒸汽氣的擴(kuò)散事故狀態(tài)進(jìn)行模擬。1 泄漏擴(kuò)散類(lèi)型由于苯

2、發(fā)生泄漏后，在空氣中形成蒸氣云團(tuán)并運(yùn)移擴(kuò)散，而有毒有害物質(zhì)的泄漏擴(kuò)散會(huì)對(duì)人、畜造成中毒傷害，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。泄漏有兩種方式，即連續(xù)性泄漏和瞬時(shí)性泄漏。所謂連續(xù)性泄漏是指泄漏源是連續(xù)源或泄放時(shí)間大于或等于擴(kuò)散時(shí)間；而瞬時(shí)性泄漏是指泄放時(shí)間相對(duì)于擴(kuò)散時(shí)間比較短的泄漏。而泄漏物質(zhì)擴(kuò)散有重氣擴(kuò)散和中性氣體擴(kuò)散兩種模式，由于苯蒸汽的相對(duì)于空氣的密度為2.77，屬于重氣擴(kuò)散類(lèi)型。重氣擴(kuò)散過(guò)程經(jīng)歷四個(gè)階段（見(jiàn)圖1）：1) 初始階段：物質(zhì)從容器泄漏出，形成氣云后在本身的慣性力和外界風(fēng)速的作用下，上升變形。2) 重力沉降階段和空氣卷吸階段：當(dāng)氣云初始動(dòng)量消失后，重力占主導(dǎo)地位。由于云團(tuán)與周?chē)諝忾g的密度差，導(dǎo)

3、致重氣塌陷，沿地表面拓展，引起云團(tuán)厚度的降低和徑向尺寸的增大，而在大氣湍流的作用下外界空氣進(jìn)入云團(tuán)，即空氣卷吸，云團(tuán)被稀釋?zhuān)瑫r(shí)由于初始泄漏云團(tuán)與周?chē)h(huán)境的溫度差異而進(jìn)行熱量交換。3) 非重氣擴(kuò)散轉(zhuǎn)變：隨著云團(tuán)的稀釋沖淡，重氣效應(yīng)逐漸消失，重氣擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵貧鈹U(kuò)散。 圖1 重氣擴(kuò)散過(guò)程4) 大氣湍流擴(kuò)散階段（被動(dòng)擴(kuò)散），即大氣湍流對(duì)云團(tuán)的擴(kuò)散起支配作用。目前，關(guān)于物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模型有許多（表1），其中包括高斯箱模型、BM模型、Sutton 模型等。BM模型即唯象模型，是由一系列重氣體連續(xù)泄放和瞬時(shí)泄放的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成的計(jì)算圖表組成，能夠很好地用于重氣瞬時(shí)或連續(xù)釋放的地面面源或體源，屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

4、外延性較差。Sutton 模型是用湍流擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)理論來(lái)處理湍流擴(kuò)散問(wèn)題，但在模擬可燃?xì)怏w泄放擴(kuò)散時(shí)誤差較大。高斯模型可模擬連續(xù)性泄漏和瞬時(shí)泄漏兩種泄漏方式，由于提出的時(shí)間比較早，因而較為成熟。模型簡(jiǎn)單，具有概念清晰、易于理解，運(yùn)算量小，計(jì)算結(jié)果能較好吻合等特點(diǎn)，特別適合于危險(xiǎn)評(píng)價(jià)，致使該模型得到了廣泛的應(yīng)用。表1 各模型特性比較表模型名稱(chēng)適用對(duì)象適用范圍難易程度計(jì)算量計(jì)算精度高斯煙羽模型中性氣體大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間較易少較差高斯煙團(tuán)模型中性氣體大規(guī)模、短時(shí)間較易少較差BM模型中性或重氣體大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間較易少一般Sutton模型中性氣體大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間較易少較差2 高斯擴(kuò)散模型2.1 高斯模型對(duì)于突發(fā)性泄

5、漏事故的蒸發(fā)，泄漏源往往是短時(shí)間的突然釋放或一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的分段釋放大量有毒有害氣體，此時(shí)地面濃度的計(jì)算應(yīng)采用煙團(tuán)模式。煙團(tuán)模式假定泄漏物排放連續(xù)獨(dú)立的煙團(tuán)，這些煙團(tuán)的體積沿水平和垂直方向增長(zhǎng)，并模擬這些煙團(tuán)隨風(fēng)速和風(fēng)向在位置和時(shí)間上的變化。高斯重氣擴(kuò)散箱模型分為重力沉降、空氣卷吸、云團(tuán)受熱、轉(zhuǎn)變?yōu)橹行詺怏w四個(gè)部分，每個(gè)部分通過(guò)一些公式計(jì)算重氣云團(tuán)的半徑R（t）、高度H（t）、卷吸空氣量（Ma），根據(jù)云團(tuán)半徑和高度可計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算云團(tuán)濃度。對(duì)于泄漏物重氣云團(tuán)在不同距離濃度的求取，大多采用在高斯模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的修正來(lái)模擬計(jì)算。若以風(fēng)速方向?yàn)閤軸，坐標(biāo)原點(diǎn)取在泄漏點(diǎn)處，風(fēng)速恒定

6、為u，則源強(qiáng)為Q的濃度分布（只考慮泄漏物質(zhì)在下風(fēng)向的濃度分布）方程為： （1）令z=0,得到地面濃度 （2）令y=0,得到地面軸線濃度 （3）式中，-擴(kuò)散系數(shù)，m； R(t) -云團(tuán)半徑，m；h(t) -云團(tuán)高度，m；x-泄漏源的下風(fēng)向距離，m；u-10m高的風(fēng)速，m/s；Q-泄漏物質(zhì)的體積，m3。2.2 泄漏擴(kuò)散的影響因素泄漏氣體在大氣中擴(kuò)散的主要受氣象條件、地表情況、泄漏源位置、泄漏氣體的密度等因素的影響。風(fēng)向、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、氣溫、濕度等因素對(duì)泄漏氣體的擴(kuò)散具有不同的重要影響。風(fēng)向決定泄漏氣云擴(kuò)散的主要方向，大部分泄漏氣體總是分布在下風(fēng)向。風(fēng)速影響泄漏氣云的擴(kuò)散速度和被空氣稀釋的速度，

7、因?yàn)轱L(fēng)速越大，大氣的湍流越強(qiáng)，空氣的稀釋作用就越強(qiáng)，風(fēng)的輸送作用也越強(qiáng)。一般情況下當(dāng)風(fēng)速為1 -5m/s時(shí)，有利于泄漏氣云的擴(kuò)散，危險(xiǎn)區(qū)域較大；若風(fēng)速再大，則泄漏氣體在地面的濃度變稀。若無(wú)風(fēng)天，則泄漏氣體以泄漏源為中心向四周擴(kuò)散。大氣穩(wěn)定度是評(píng)價(jià)空氣層垂直對(duì)流程度的指標(biāo)（見(jiàn)表2）。大氣越穩(wěn)定，泄漏氣云越不易向高空消散，而貼近地表擴(kuò)散，大氣越不穩(wěn)定，空氣垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，泄漏氣云消散得越快。氣溫或太陽(yáng)輻射強(qiáng)弱主要是通過(guò)影響大氣垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)而對(duì)泄漏氣體的擴(kuò)散發(fā)生影響。大氣濕度的影響，一般地說(shuō)，濕度大不利于泄漏氣云的擴(kuò)散。在后面的模擬過(guò)程中空氣相對(duì)濕度采用一個(gè)大氣壓常溫20度條件。表2 大氣穩(wěn)定度級(jí)

8、別劃分表地面風(fēng)速，m/s白天太陽(yáng)輻射陰天的白天或夜晚有云的夜晚強(qiáng)中弱薄云遮天或低云5/10云量4/102AA-BBD-2-3A-BBCDEF3-5BB-CCDDE5-6CC-DDDDD6CDDDDD3 傷害模型3.1 P-G傷害模型P-G傷害模型仍是建立在高斯模型基礎(chǔ)上，只不過(guò)該模型更加關(guān)注了有毒物質(zhì)擴(kuò)散后的傷害影響。Pasquill和Gifford在高斯模型基礎(chǔ)上，根據(jù)常規(guī)氣象觀測(cè)資料確定穩(wěn)定度級(jí)別，在大量擴(kuò)散試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和理論分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)出每一種穩(wěn)定度級(jí)別的擴(kuò)散參數(shù)隨距離變化的經(jīng)驗(yàn)曲線，解決了擴(kuò)散參數(shù)的取值問(wèn)題。這一經(jīng)驗(yàn)曲線一般稱(chēng)為Pasquill-Gifford擴(kuò)散曲線，簡(jiǎn)稱(chēng)P-G擴(kuò)

9、散曲線。該曲線是Pasquill根據(jù)美國(guó)大草原計(jì)劃中地面源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果等總結(jié)出來(lái)的，其中l(wèi)km以外的曲線是外推的結(jié)果，此外它也未考慮地面粗糙度對(duì)擴(kuò)散的影響，因而不適用于城市和山區(qū)。我國(guó)的“環(huán)境評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則”GB/T13201-91)，采用了在粗糙下墊面時(shí)，按實(shí)測(cè)的穩(wěn)定度等級(jí)向不穩(wěn)定方向提高1-2級(jí)，然后使用P-G曲線的冪函數(shù)式計(jì)算。 （4）式中的a、b、c、d為常數(shù)計(jì)算傷害區(qū)域范圍：某濃度下云團(tuán)地面的覆蓋范圍用下式計(jì)算： （5）式中，Q-泄漏物質(zhì)的體積，m3；x,y,z-擴(kuò)散系數(shù)，m，x=y；x-下風(fēng)向距離，m；u-平均風(fēng)速，m/s；t-時(shí)間，s；x-ut=0。其中，大氣擴(kuò)散系數(shù)采用P-G曲線的

10、冪函數(shù)式計(jì)算；目前多應(yīng)用我國(guó)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中采用的系數(shù)值（見(jiàn)表3和表4）。表3 橫向擴(kuò)散系數(shù)冪函數(shù)表達(dá)式y(tǒng)=axb系數(shù)值（取值時(shí)間0.5h）穩(wěn)定度ab下風(fēng)向距離/mA0.4258090.6020520.9010740.85093401000>1000B0.2818460.3963530.9143700.86501401000>1000C0.1771540.2321230.9242790.88515701000>1000D0.1107260.1466690.9294180.88872301000>1000E0.08640010.1019470.9208180.8968640

11、1000>1000F0.05536340.07333480.9294180.88872301000>1000表4 垂直擴(kuò)散系數(shù)冪函數(shù)表達(dá)式z=cxd系數(shù)值（取值時(shí)間0.5h）穩(wěn)定度cd下風(fēng)向距離/mA0.07999040.008547710.0002115451.121541.513602.108810300300500>500B0.1271900.0570250.9644351.093560500>500C0.1068030.917595>0D0.1046340.4001670.8107630.8262120.6320230.555361100010001000

12、0>10000E0.09275290. 4333841.734210.7883700.5651880.41474301000100010000>10000F0.06207650.3700152.406910.7844000.529690.32265901000100010000>100003.2 自由蒸汽云爆炸模型如果大量泄漏苯蒸汽在空氣中擴(kuò)散，其過(guò)程中不但對(duì)人體產(chǎn)生毒物危害作用，更危險(xiǎn)的是擴(kuò)散濃度較高的云團(tuán)(在爆炸濃度極限范圍內(nèi))，遇火源可產(chǎn)生蒸氣云爆炸，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。蒸氣爆炸的模型為：爆炸TNT當(dāng)量計(jì)算：WTNT=WfHcQTNT式中：WTNT-易燃液體的T

13、NT當(dāng)量（kg.TNT）；Wf-蒸氣云中燃料質(zhì)量（kg） Hc-燃料的燃燒熱(MJ/kg)QTNT-1 kg TNT爆炸所釋放的能量（取4.52MJ/kg）爆炸火球半徑R=2.665M0.327 R-火球半徑（m） M-急劇蒸發(fā)的可燃物質(zhì)量（kg）爆炸火球持續(xù)時(shí)間t =1.089 M0.327蒸汽云爆炸的死亡半徑為：R=K1×13.6（1.8×0.04×WTNT/1000）0.37K1-破壞系數(shù)（可取0.664）蒸氣云爆炸沖擊波傷害爆炸濃度范圍內(nèi)的蒸氣云遇火源發(fā)生，擬用沖擊波損害半徑和損害等級(jí)表示R=Cs(NE)1/3R-損害半徑(m) E-爆炸能量(kJ)N-效

14、率因素，可取10 Cs-經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（可分別取二、三級(jí)破壞系數(shù)）4 苯車(chē)泄漏的事故后果模擬數(shù)值模擬法是采用一些數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算物質(zhì)泄漏后可能造成的后果，它包括泄漏擴(kuò)散和事故后果兩大方面。擴(kuò)散模型主要是預(yù)測(cè)下風(fēng)向不同距離的泄漏物質(zhì)的最大濃度，模擬氣體的擴(kuò)散情形；傷害模型主要是預(yù)測(cè)易燃、易爆、有毒物質(zhì)泄漏后可能影響的范圍，為企業(yè)的應(yīng)急預(yù)案的改進(jìn)提供理論依據(jù)。事故后果模擬主要是預(yù)測(cè)火災(zāi)、爆炸和毒物泄漏的后果，并以圖形、文字、表格等形式對(duì)事故的影響區(qū)域、人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失情況進(jìn)行描述。本論文涉及的主要物質(zhì)苯蒸汽具有易燃易爆性和毒害性，故只對(duì)苯蒸汽的泄漏擴(kuò)散、蒸汽云爆炸進(jìn)行模擬，傷害模型主要是通過(guò)計(jì)算毒物泄

15、漏后在下風(fēng)向不同距離的濃度分布，確定其造成不同傷害的區(qū)域。本論文事故后果模擬的軟件采用華東理工大學(xué)晨曦安全工程咨詢有限公司開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算軟件系統(tǒng)，該軟件功能主要是重氣泄漏擴(kuò)散和事故后果的模擬。4.1 高斯模型數(shù)值模擬由于泄漏后苯蒸汽迅速擴(kuò)散，致死區(qū)內(nèi)人員如缺少防護(hù)或未能及時(shí)逃離，則將無(wú)例外的蒙受?chē)?yán)重中毒，其中半數(shù)左右人員可能中毒死亡。重傷區(qū)內(nèi)大部分人員蒙受重度或中度中毒，需住院治療，有個(gè)別人甚至中毒死亡。輕傷區(qū)內(nèi)大部分人員有輕度中毒或吸入反應(yīng)癥狀，門(mén)診治療即可康復(fù)。致死區(qū)和重傷區(qū)是疏散、搶救的重點(diǎn)區(qū)域，輕傷區(qū)也應(yīng)在疏散之列。4.1.1 數(shù)值模擬的目的確定苯槽車(chē)泄漏中毒時(shí)傷害區(qū)域，即

16、致死區(qū)、重傷區(qū)及輕傷區(qū)半徑；確定泄漏擴(kuò)散到這三個(gè)位置對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；確定在具有輕微中毒危害時(shí)，苯蒸汽所能擴(kuò)散的最遠(yuǎn)距離。苯蒸汽對(duì)人體的危害及誘發(fā)中毒時(shí)多對(duì)應(yīng)的濃度值見(jiàn)表5。表5 吸入不同濃度苯蒸氣人體中毒癥狀空氣中苯蒸氣濃度（mg/m3）空氣中苯蒸氣濃度%（v/v）空氣中苯蒸氣濃度（ppm）中毒癥狀160-4800.046-0.138557-1671頭痛、乏力、疲勞16000.4595571一般中毒癥狀48001.37916714嚴(yán)重中毒癥狀，主要表現(xiàn)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)明顯抑制作用240006.89283571生命危險(xiǎn)、死亡4.1.2 數(shù)值模擬的初始條件泄漏物質(zhì)體積： 60 m3相對(duì)密度（空氣密度=1

17、.0）：2.77 （按純苯計(jì)算）10m高風(fēng)速： 2m/s （洛陽(yáng)當(dāng)?shù)貧庀笳径嗄昶骄L(fēng)速記錄）地面粗糙度： 0.01m大氣穩(wěn)定度： D泄漏形態(tài)： 瞬時(shí)泄漏將表5中對(duì)應(yīng)的苯蒸汽影響下出現(xiàn)死亡、重傷、輕傷分別對(duì)應(yīng)的體積百分比濃度值6.892、1.379、0.459分別輸入程序界面進(jìn)行模擬。4.1.3 模擬結(jié)果以求解任意濃度條件下風(fēng)向的最大距離的功能模塊，得到苯槽車(chē)泄漏時(shí)的致死半徑為59.596米，重傷半徑173.677米，輕傷半徑為314.846米；泄漏苯蒸汽擴(kuò)散到上述三個(gè)數(shù)值距離的時(shí)間分別為：t1=28.59秒，t2=84.17秒，t3=153.97秒；對(duì)應(yīng)t1時(shí)刻的云團(tuán)半徑25.281米，云團(tuán)高

18、度為1.609米；對(duì)應(yīng)t2時(shí)刻的云團(tuán)半徑48.268米，云團(tuán)高度為2.319米；對(duì)應(yīng)t1時(shí)刻的云團(tuán)半徑67.371米，云團(tuán)高度為3.579米（見(jiàn)圖2）。同時(shí)，程序模擬計(jì)算出在苯槽車(chē)泄漏擴(kuò)散過(guò)程中，轉(zhuǎn)變?yōu)橹行詺怏w的時(shí)間為：192秒，且將人有頭痛、乏力、疲勞等輕度危害所對(duì)應(yīng)的濃度值0.138和0.046分別輸入計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示此擴(kuò)散濃度下均已轉(zhuǎn)變?yōu)橹行詺怏w，云團(tuán)的狀態(tài)已不再符合重氣擴(kuò)散時(shí)云團(tuán)的變化規(guī)律。重氣擴(kuò)散在這兩個(gè)濃度值時(shí)所擴(kuò)散到的最遠(yuǎn)距離分別491.77米和530.02米。圖2 重氣擴(kuò)散云團(tuán)變化組圖死亡半徑內(nèi)的云團(tuán)變化圖 重傷半徑內(nèi)的云團(tuán)變化圖 重氣擴(kuò)散的最大半徑云團(tuán)變化圖 輕傷半徑內(nèi)的云

19、團(tuán)變化圖 輕傷半徑內(nèi)的云團(tuán)變化圖 4.2 蒸汽云爆炸模型的模擬苯蒸汽云爆炸的火球半徑和火球持續(xù)時(shí)間為：爆炸火球半徑R=2.665M0.327 =88.46（m） 爆炸火球持續(xù)時(shí)間t =1.089 M0.327=36.15（s） 4.2.1數(shù)值模擬的目的確定苯槽車(chē)因泄漏形成的蒸汽云發(fā)生爆炸的死亡、重傷及輕傷半徑；確定在死亡、重傷及輕傷半徑處的爆炸沖擊波超壓值。4.2.2數(shù)值模擬的初始條件苯的燃燒熱值：40.24MJ/kg苯物質(zhì)的量：44829 kg（苯車(chē)標(biāo)準(zhǔn)為60m3，苯裝車(chē)系數(shù)85%計(jì)，苯密度0.879）TNT爆破能量：4.52MJ/kg圖3 苯槽車(chē)蒸汽云爆炸傷害分區(qū)示意圖地面爆炸系數(shù)：1.8

20、4.2.3 模擬結(jié)果蒸汽云發(fā)生爆炸的死亡、重傷及輕傷半徑：將模擬初始條件輸入程序進(jìn)行模擬計(jì)算，得到苯槽車(chē)因泄漏形成的蒸汽云發(fā)生爆炸的死亡、重傷及輕傷半徑分別為：30.603米、81.015米和147.293米。同時(shí)計(jì)算出建筑物的二級(jí)破壞半徑為93.650米，建筑物的三級(jí)破壞半徑為195.443米。在死亡、重傷及輕傷半徑處的爆炸沖擊波超壓值：將上述計(jì)算出的死亡、重傷和輕傷半徑值30.603米、81.015米和147.293米分別輸入程序的“目標(biāo)在不同距離的爆炸沖擊波超壓”進(jìn)行新的模擬計(jì)算，得到這三個(gè)位置對(duì)應(yīng)的爆炸沖擊波超壓值分別為：319.705kpa、35.945 kpa和9.157kpa。圖4 死亡、重傷和輕傷半徑位置的沖擊波值對(duì)比圖5 苯槽車(chē)泄漏應(yīng)急預(yù)案的改進(jìn)目前，最新版涉及苯槽車(chē)泄漏的應(yīng)急指導(dǎo)文件中，現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急救援是根據(jù)應(yīng)急救援的指導(dǎo)原則以及現(xiàn)有裝備而擬定的。5.1 預(yù)案的改進(jìn)要求預(yù)案制訂要準(zhǔn)確細(xì)致，嚴(yán)格按照預(yù)案的六個(gè)基本內(nèi)容(對(duì)緊急情況或事故災(zāi)害及其后果的預(yù)測(cè)、辨識(shí)、評(píng)價(jià)；應(yīng)急各方的職責(zé)分配；應(yīng)急救援行動(dòng)的指揮與協(xié)調(diào)；應(yīng)急救援中可用的人員、設(shè)備、設(shè)施、物資和其他資源，包括社