事故泄漏模型分析及其在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價中的應(yīng)用

1、事故泄漏模型分析及其在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價中的應(yīng)用化工石化醫(yī)藥類環(huán)境影響評價登記培訓(xùn)論文摘 要：化學(xué)危險(xiǎn)品事故泄漏風(fēng)險(xiǎn)評價是整個環(huán)評過程中的一個有機(jī)組成部分，是進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價預(yù)測和模擬的前提。本文以建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價技術(shù)導(dǎo)則(HJ/T1692004)為基礎(chǔ)，分析了可能出現(xiàn)事故泄漏的設(shè)備和事故泄漏的后果。根據(jù)不同事故情況，對導(dǎo)則中事故泄漏模型及預(yù)測模型的應(yīng)用進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：風(fēng)險(xiǎn)評價；事故泄漏；源模型；臨界流；兩相泄漏；氣體泄漏；液體泄漏；多煙團(tuán)模型1 前言在化工、石油化工及相關(guān)行業(yè)中，易燃、易爆及有毒有害物質(zhì)在生產(chǎn)、儲存和運(yùn)輸過程中經(jīng)常發(fā)生泄漏事故。事故的發(fā)生不僅會導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還會造成嚴(yán)

2、重的人員及環(huán)境生態(tài)的毒性傷害和污染。更為嚴(yán)重的是可能會繼而發(fā)生火災(zāi)或爆炸等災(zāi)害，使得災(zāi)害損失與破壞進(jìn)一步加劇。建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價技術(shù)導(dǎo)則(HJ/T169-2004)要求對建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)行期間發(fā)生的可預(yù)測突發(fā)性事件或事故引起有毒有害、易燃易爆等物質(zhì)泄漏，或突發(fā)事故產(chǎn)生的新的有毒有害物質(zhì)，所造成的對人身安全與環(huán)境的影響和損害，進(jìn)行評估，提出防范、應(yīng)急與減緩措施1。對事故泄漏源進(jìn)行分析，主要是根據(jù)項(xiàng)目所涉及的危險(xiǎn)物品的化學(xué)性質(zhì)、事故下設(shè)備情況，采取相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來估算泄漏物的排放量、排放時間等。在計(jì)算得到事故泄漏源強(qiáng)參數(shù)后即可采用擴(kuò)散模型進(jìn)一步對事故泄漏對環(huán)境的影響進(jìn)行預(yù)測分析。2 泄漏情況根據(jù)

3、各種設(shè)備泄漏情況分析，可將工廠(特別是化工廠)中易發(fā)生泄漏的設(shè)備分類，通常歸納為：管道、撓性連接器、過濾器、閥門、壓力容器或反應(yīng)器、泵、壓縮機(jī)、儲罐、加壓或冷凍氣體容器及火炬燃燒裝置或放散管等10類2。每一種設(shè)備的典型損壞類型及其典型的損壞尺寸不同，一般可按設(shè)備大小的20%100%計(jì)算。泄漏一旦出現(xiàn)，其后果不單與物質(zhì)的數(shù)量、易燃性、毒性有關(guān)，而且與泄漏物的相態(tài)、壓力、溫度等狀態(tài)有關(guān)。3這些狀態(tài)可有多種不同的結(jié)合，在后果分析中，常見的可能結(jié)合有常壓液體、加壓液化氣體、低溫液化氣體、加壓氣體4種。無論是氣體泄漏還是液體泄漏，泄漏量的多少都是決定泄漏后果嚴(yán)重程度的主要因素，而泄漏量又與泄漏時間長短有

4、關(guān)。3 泄漏模型物質(zhì)存儲形式的多種多樣、漏源的大小、形狀、位置以及泄漏介質(zhì)本身物理特性的不同決定了泄漏形式的多樣性和復(fù)雜性4。影響泄漏擴(kuò)散的因素主要有介質(zhì)的相態(tài)(氣態(tài)或液態(tài))、儲存條件(壓力液化儲存、冷凍液化儲存、常態(tài)液體儲存和常態(tài)氣體儲存)、彌散限制(泄漏源周圍有無防液堤)和泄放形式(連續(xù)泄漏、瞬時泄漏和有限時間泄漏)。 當(dāng)發(fā)生泄漏的設(shè)備的裂口是規(guī)則的，而且裂口尺寸及泄漏物質(zhì)的有關(guān)熱力學(xué)、物理化學(xué)性質(zhì)及參數(shù)已知時，可根據(jù)流體力學(xué)中的有關(guān)方程式計(jì)算泄漏量。當(dāng)裂口不規(guī)則時，可采取等效尺寸代替；當(dāng)遇到泄漏過程中壓力變化等情況時，往往采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。3.1 氣體泄漏以儲罐為例，對于高壓(低溫)液化

5、氣儲罐，如果處于滿裝狀態(tài)，罐內(nèi)不存在氣相空間，此時即使少許裂縫出現(xiàn)，由于少量液體的泄漏也會引起內(nèi)壓的迅速下降而處于過熱狀態(tài)，液體全部汽化，從而最終導(dǎo)致災(zāi)難性破裂；如果儲罐沒有滿裝，當(dāng)破裂處位于氣相空間時，在破裂面積較大的情況下，高壓蒸氣通過裂縫或孔洞噴出，儲罐內(nèi)壓急劇下降，直到環(huán)境壓力(常溫)。由于內(nèi)壓急劇下降，氣液平衡遭到破壞，儲罐內(nèi)流體處于過熱狀態(tài)，過熱狀態(tài)的液體為了再次恢復(fù)平衡，內(nèi)部會均勻地產(chǎn)生沸騰核，同時產(chǎn)生大量氣泡，液體體積急劇膨脹，最終也導(dǎo)致蒸氣爆炸。對于以上兩種情況，泄漏量可按存儲介質(zhì)瞬間全部泄漏計(jì)算。若裂口面積不大，即使有蒸氣噴出，但由于儲罐內(nèi)壓下降不急劇，液體不會達(dá)到過熱狀態(tài)

6、，因此不會發(fā)生蒸氣爆炸。氣體或蒸氣的泄放可分為節(jié)流泄放(ThrottlingRelease)和自由泄放(FreeExpansionRelease)。對于節(jié)流泄放，氣體或蒸汽的壓縮能絕大部分用來克服摩擦阻力;而對于自由泄放，則絕大部分轉(zhuǎn)化為動能。節(jié)流泄放模型需要裂口的詳細(xì)物理特征，因而只考慮較為簡單的自由泄放模型。5氣體從裂口泄漏的速率與其流動狀態(tài)有關(guān)。因此，計(jì)算泄漏量時首先要判斷泄漏時氣體流動屬于音速還是亞音速流動，前者稱為臨界流，后者稱為次臨界流。當(dāng)下式成立時，氣體流動屬于音速流動： 當(dāng)下式成立時，氣體流動屬于亞音速流動： 式中：P容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；P0環(huán)境壓力，Pa；氣體的絕熱指數(shù)（熱

7、容比），即定壓熱容Cp與定容熱容CV之比。氣體泄漏量計(jì)算公式為： 式中：QG氣體泄漏速度，kg/s；P容器壓力，Pa；Cd氣體泄漏系數(shù)；A裂口面積，m2；M分子量；R氣體常數(shù)，J/(mol·k)；TG氣體溫度，K；Y流出系數(shù)，對于臨界流Y=1.0對于次臨界流按下式計(jì)算：氣體或蒸氣泄漏系數(shù)的確定直接影響氣體泄漏速度的計(jì)算。一般而言，泄漏系數(shù)的取值范圍在0.61.0之間。按泄漏孔的形狀可分6:圓形孔，d=1.0;三角孔，d=0.95；長形孔，d=0.90?？卓跒閮?nèi)層腐蝕形成的漸縮孔，0.9<d<1.0；孔口為外力機(jī)械損傷形成的漸擴(kuò)孔，0.6<d<0.9。環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評

8、價中常用到的是前三種情況。容器壓力P的大小同樣直接影響氣體的泄漏速速。對于壓力液化氣儲罐氣相小孔泄漏而言，儲罐的壓力可采用該物質(zhì)在該溫度下的蒸氣壓作為儲罐壓力。由于蒸氣壓是溫度的函數(shù)，只要知道儲罐的溫度就可通過查閱物性數(shù)據(jù)手冊得到該物質(zhì)蒸氣壓。目前，最常用的蒸氣壓計(jì)算公式是安托因公式。對于壓縮氣體儲罐(未液化)則不能采用上述方法進(jìn)行計(jì)算，必須以儲罐內(nèi)的實(shí)際壓力作計(jì)算的依據(jù)。氣體的絕熱指數(shù)也是溫度的函數(shù)，是定壓熱容Cp與定容熱容CV之比。一般情況下，物性手冊中不直接提供絕熱指數(shù)與溫度的關(guān)系，只提供Cp與溫度的關(guān)系值。為了求得絕熱指數(shù)還需進(jìn)一步知道CV的值。對于理想氣體而言，CP與CV之間有如下關(guān)

9、系7：CP-CV=nR或CP，m-CV,m=RCP，m, CV,m分別表示1mol物質(zhì)的等壓熱容和等容熱容。對于實(shí)際氣體，在缺少等容熱容CV的實(shí)測資料時也可采用上式進(jìn)行估算。當(dāng)容器內(nèi)物質(zhì)隨泄漏而減少或壓力降低而影響泄漏速度時，泄漏速率的計(jì)算比較復(fù)雜。如果，流速小或時間短，在后果計(jì)算中可采取最初排放速度，否則應(yīng)計(jì)算其等效泄漏速度。氣體泄漏速率的變化主要是由于壓力降低而引起的，而壓力的變化主要可分為以下兩種情況：(1)壓力液化氣氣相小孔泄漏：如前所述壓力液化氣儲罐內(nèi)的壓力與儲罐內(nèi)物質(zhì)蒸氣壓有關(guān)，當(dāng)儲罐內(nèi)的氣體泄漏后由于儲罐壓力降低，儲罐內(nèi)的物質(zhì)會閃蒸以平衡這種壓力變化，在物質(zhì)閃蒸時會吸收熱量。對于

10、恒溫儲罐，由于儲罐內(nèi)的物質(zhì)溫度始終保持不變，因此，壓力也不會發(fā)生變化。對于絕熱儲罐，由于儲罐內(nèi)的物質(zhì)不與外界發(fā)生熱交換，物質(zhì)閃蒸時吸收的熱量全部來源于儲罐內(nèi)的物質(zhì)，因此，儲罐的溫度會隨氣體的泄漏而降低，儲罐內(nèi)的溫度變化可由儲存的物質(zhì)的質(zhì)量與物質(zhì)的蒸發(fā)熱、液體的熱容等性質(zhì)求出。一般情況下儲罐的泄漏往往介于上述兩種情況之間，較為復(fù)雜。(2)壓縮氣體儲罐小孔泄漏：壓縮氣體儲罐泄漏也分為等溫臨界流和絕熱膨脹臨界流兩種情況，其罐內(nèi)壓力變化計(jì)算也較為復(fù)雜。對于環(huán)評而言，為簡化計(jì)算過程，一般情況下可不考慮儲罐壓力的變化，以初始泄漏量作為計(jì)算的依據(jù)。3.2液體泄漏量自高壓儲罐高速泄出的危險(xiǎn)介質(zhì)，由于環(huán)境條件的

11、瞬間突變，以液態(tài)射流的方式噴出。在初始動量驅(qū)動下，表現(xiàn)為具有清晰的噴射方向的云羽。而后經(jīng)歷一系列的擴(kuò)散、漂浮變化過程。泄漏過程大致可分為閃蒸階段、兩相射流空氣夾帶階段、氣相動量射流階段、重力沉降階段、重力沉降的地表作用階段、重氣效應(yīng)下的無源擴(kuò)散階段、無源漂浮階段。8對于高壓(低溫)液化儲罐，當(dāng)裂口處位于液相空間時，盡管液體流出并可能發(fā)生閃蒸，但由于液體的流出阻力大，內(nèi)壓下降速度緩慢，儲罐內(nèi)過熱液體不會發(fā)生蒸氣爆炸。閃蒸所需能量來自于過熱液體中所儲存的能量，即Q=mC(T0-T)，為過熱液體的質(zhì)量，Cp是液體的熱容，T0是降壓前液體的溫度，Tb是降壓后液體的沸點(diǎn)。當(dāng)Q遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液體的蒸發(fā)熱Hv時可

12、認(rèn)為泄漏的液體不會發(fā)生閃蒸，此時的瞬時泄漏量可用流體力學(xué)的伯努利方程計(jì)算：式中：QL液體泄漏速度，kg/s；Cd液體泄漏系數(shù)，此值常用0.6-0.64，具體可按表1選??；A裂口面積，m2；泄漏液體密度，kg/m3；P容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；P0環(huán)境壓力，Pa；g 重力加速度，9.8m/s2。h裂口之上液位高度，m。表1 液體泄漏系數(shù)表 雷諾數(shù)Re裂口形狀圓形(多邊形)三角形長方形>1001000.650.500.600.450.550.40本法的限制條件是液體在噴口內(nèi)不應(yīng)有急劇蒸發(fā)。對于常壓下的液體泄漏速度，取決于裂口之上液位的高低；對于非常壓下的液體泄漏速度，主要取決于容器內(nèi)介質(zhì)壓力與環(huán)

13、境壓力之差和液位高低。對于壓力液化氣體的液下泄漏，當(dāng)容器內(nèi)介質(zhì)壓力差遠(yuǎn)大于液位高度壓力差時也可不考慮液位高度的壓力變化。儲罐內(nèi)的壓力也與物質(zhì)的性質(zhì)和儲罐的溫度有關(guān)，其確定方法與儲罐氣體泄漏相似。液體泄漏后，泄漏液體的蒸發(fā)分為閃蒸蒸發(fā)、熱量蒸發(fā)和質(zhì)量蒸發(fā)三種，其蒸發(fā)總量為這三種蒸發(fā)之和。當(dāng)容器內(nèi)液體是過熱液體，即液體的沸點(diǎn)低于環(huán)境的溫度，液體流過裂口時由于壓力減小而突然蒸發(fā)。蒸發(fā)所需的熱量取自于液體本身，而泄漏液體的溫度將降至常壓沸點(diǎn)。過熱液體閃蒸量可按下式估算：Q1=F·WT/t1 式中：Q1閃蒸量，kg/s；WT液體泄漏總量，kg；t1閃蒸蒸發(fā)時間，s；F蒸發(fā)的液體占液體總量的比例

14、；按下式計(jì)算：式中：Cp液體的定壓比熱，J/(kg·K)；TL泄漏前液體的溫度，K；Tb液體在常壓下的沸點(diǎn)，K；H 液體的氣化熱，J/kg。由上式計(jì)算的F一般都在01之間，這種情況下一部分液體將作為極小的分散液滴保留在蒸汽云中。隨著與具有環(huán)境溫度的空氣混合，部分液滴將蒸發(fā)。如果來自空氣的熱量不足以蒸發(fā)所有液滴，部分液體將降落地面形成液池。對于液體是否被帶走目前尚沒有可接受的模型。有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，如果F值大于0.2，則液池不太可能形成。當(dāng)F小于0.2時，可以假定帶走流體與F成線性關(guān)系。F=0，沒有流體被帶走；F=0.1，有50%液體被帶走等。因此，考慮到液滴被帶走的量，閃蒸帶走的液體量按

15、下試計(jì)算：A、當(dāng)F0.2時 D=5×F×QL地面液池內(nèi)液體量：Ds（1-5×F）×QLB、當(dāng)F0.2時液體被全部帶走，地面無液池形成。當(dāng)液體閃蒸不完全，液體泄漏后立即擴(kuò)散到地面，一直流到低洼處或人工邊界(如防火堤、岸墻等)形成液池，并吸收地面熱量而氣化稱為熱量蒸發(fā)。若泄漏源周圍地面平坦，泄漏液體也不會無限蔓延下去，而是趨于某一最大值，即根據(jù)不同的地表情況選用不同的液池最小厚度來確定液池的最大面積。液池的最大面積可由下式求得9：式中：V泄漏液體體積，m3；S液池面積，m3；Hmin液層最小厚度，m。對于光滑平整的地面，液層最小厚度取決于液體性質(zhì)；對于粗造地

16、面，液層厚度主要取決于地面性質(zhì)。見下表2。表2 不同地面的最小液層厚度地面性質(zhì)最小液層厚度/m地面性質(zhì)最小液層厚度/m草地0.020混凝土地面0.005粗糙地面0.025平靜的水面0.0018平整地面0.010熱量蒸發(fā)的蒸發(fā)速度Q2按下式計(jì)算：當(dāng)熱量蒸發(fā)結(jié)束，轉(zhuǎn)由液池表面氣流運(yùn)動使液體蒸發(fā)，稱之為質(zhì)量蒸發(fā)。質(zhì)量蒸發(fā)速度Q3按下式計(jì)算：其實(shí)對于壓力液化氣液體泄漏而言，如果有液池形成，則閃蒸、熱量蒸發(fā)和質(zhì)量蒸發(fā)是同時存在的，只不過在液體泄漏過程中閃蒸的量一般遠(yuǎn)大于熱量蒸發(fā)和質(zhì)量蒸發(fā)的量，所以在液體泄漏時可先只考慮閃蒸。待液體泄漏結(jié)束后，閃蒸結(jié)束，熱量蒸發(fā)占主導(dǎo)地位，其蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于質(zhì)量蒸發(fā)，則可只考

17、慮熱量蒸發(fā)。隨著時間的推移，熱量蒸發(fā)逐漸減少，質(zhì)量蒸發(fā)逐漸占主導(dǎo)地位，當(dāng)熱量蒸發(fā)遠(yuǎn)低于質(zhì)量蒸發(fā)時，可只考慮質(zhì)量蒸發(fā)。對于冷凍液化氣泄漏，則無閃蒸過程，泄漏后流至地面的液體發(fā)生熱量蒸發(fā)和質(zhì)量蒸發(fā)。對于常壓液體泄漏則無閃蒸、熱量蒸發(fā)，泄漏后流至地面的液體只有質(zhì)量蒸發(fā)。3.3兩相流泄漏如果容器中的過熱液體泄漏前通過較長的管道就會產(chǎn)生兩相流泄漏。假定液相和氣相是均勻的，且互相平衡，兩相流泄漏計(jì)算按下式：式中：QLG兩相流泄漏速度，kg/s；Cd兩相流泄漏系數(shù)，可取0.8；A裂口面積，m2；P操作壓力或容器壓力，Pa；PC臨界壓力，Pa，可取PC=0.55P；m兩相混合物的平均密度，kg/m3，由下式計(jì)

18、算：式中：1液體蒸發(fā)的蒸氣密度，kg/m3；2液體密度，kg/m3；FV蒸發(fā)的液體占液體總量的比例，由下式計(jì)算；式中：Cp兩相混合物的定壓比熱，J/(kg·K)；TLG兩相混合物的溫度，K；TC液體在臨界壓力下的沸點(diǎn)，K；H液體的氣化熱，J/kg。4事故泄漏后的擴(kuò)散考慮到事故泄漏后的擴(kuò)散內(nèi)容較多，不可能通過本文進(jìn)行詳細(xì)的闡述，在此僅對幾種主要的擴(kuò)散模型的應(yīng)用進(jìn)行介紹。對于閃蒸的液體或壓縮氣體瞬時釋放后有一個快速膨脹過程，假定該過程非?？?，以至于氣團(tuán)和環(huán)境之間沒有時間進(jìn)行熱交換，這個膨脹過程可以按絕熱過程處理。絕熱過程可分為氣體釋放模型和液體釋放模型。絕熱擴(kuò)散模型主要用來計(jì)算瞬時泄漏的

19、初始狀態(tài)，一般在利用其它擴(kuò)散模型進(jìn)行計(jì)算前應(yīng)采用該模型進(jìn)行計(jì)算。對于泄漏的氣體密度大于空氣的重氣云應(yīng)采用重氣擴(kuò)散模型。常見的工業(yè)氣體，很多密度都大于空氣，如液化石油氣、氯氣、二氧化硫、硫化氫等。一些液化氣體雖然分子量不一定大于空氣的表觀分子量，但是泄漏后一般溫度較低，還可能夾帶液滴，其表觀密度仍然大于空氣，仍應(yīng)采用重氣擴(kuò)散模型。重氣擴(kuò)散模型用得較多的是瞬時擴(kuò)散的盒子模型。盒子模型假定起始云團(tuán)為圓柱體，高與半徑之比通常選1。其初始體積由前面的絕熱擴(kuò)散模型計(jì)算。對于連續(xù)泄漏的重氣體，可采用連續(xù)擴(kuò)散的平板模型。重氣云的擴(kuò)散通常分為重力沉降、空氣卷吸、云團(tuán)加熱和重氣擴(kuò)散向非重氣擴(kuò)散的轉(zhuǎn)變四個階段10。

20、當(dāng)泄漏氣體或氣體與空氣混合后的密度接近空氣密度時，重力下沉與浮力上升作用可以忽略，擴(kuò)散主要是由空氣的湍流決定，可采用高斯擴(kuò)散模型進(jìn)行。由于高斯擴(kuò)散模型建立較早，模型簡單，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分，因此應(yīng)用非常廣泛。甚至在重氣泄漏場合，考慮到重力作用影響時間較短，也可以直接采用高斯模型。即使先使用重氣模型，當(dāng)湍流擴(kuò)散起主要作用時，也應(yīng)該改用高斯擴(kuò)散模型。對于瞬時或短時間事故，采用變天條件下多煙團(tuán)模式。當(dāng)泄漏源排放速率不變，且天氣條件不變時，可采用非正常排放模型進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)椋谛孤┰磁欧潘俾什蛔?，且天氣條件不變時，非正常排放模型是多團(tuán)模型的積分。當(dāng)事故排放源持續(xù)時間較長時（幾小時至幾天），可采用分段高斯煙羽模型。一般的泄漏事故持續(xù)時間均較短，所以很難用到分段高斯煙羽模型。這一模型往往用于核電泄漏事故的模擬