甲醇储罐泄漏扩散及事故状态的数值模拟1.docx
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甲醇储罐泄漏扩散及事故状态的数值模拟1
事故分析与预防
收稿日期:
2010－09－19。
作者简介:
张宪法,男,1996年毕业于抚顺石油学院储运工程专业,主要从事危化品物流生产管理工作,工程师。
电话:
023-
68974093甲醇储罐泄漏扩散及事故状态的数值模拟
张宪法
（重庆川维物流有限公司,重庆
长寿401254
摘
要:
主要介绍甲醇储罐泄漏扩散类型、高斯扩散模型、伤害模型,通过对甲醇储罐
泄漏的事故后果进行数值模拟,确定甲醇储罐泄漏中毒时伤害区域、泄漏扩散到伤害区域所需的时间,以及在具有轻微中毒危害时,甲醇蒸汽所能扩散的最远距离。
根据模拟得到的结果,提出甲醇储罐泄漏应急预案的改进和生产设施的配备。
关键词:
甲醇
泄漏扩散类型
高斯扩散模型
伤害模型
甲醇是具有易燃、易爆、毒害物性的危险化学品,在生产、运输、装卸和储存等过程中均易造成人身中毒、易燃易爆等危害,具有高度危险性,是需要特别加以防护的危险化学品。
甲醇储罐泄漏后,在外部风和内部浓度梯度的作用下会沿地表面扩散,在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区,变化或扩大的危险区增加了现场抢险救援工作的难度,判断泄漏气体扩散的危险区范围关系到现场警戒、人员疏散、火源控制区域的确定。
对甲醇储罐泄漏产生的甲醇气体的扩散行为进行讨论,并对甲醇蒸气扩散事故状态进行模拟,确定中毒、火灾爆炸伤害程度,用于指导甲醇事故应急和安全生产。
1
泄漏扩散类型
由于甲醇发生泄漏后,在空气中形成蒸气云团并运移扩散,而有毒有害物质的泄漏扩散会对人、畜造成中毒伤害,对环境造成污染。
泄漏有两种方式,即连续性泄漏和瞬时性泄漏。
所谓连续性泄漏是指泄漏源是连续源或泄放时间大于或等于扩散时间;而瞬时性泄漏是指泄放时间相对于扩散时间比较短的泄漏。
而泄漏物质扩散有重气扩散和中性气体扩散两种模式,由于甲醇蒸气相对于空气的密度为1.11,属于重气扩散类型。
重气扩散过程经历四个阶段（见图1:
初始阶段:
物质从容器泄漏出,形成气云后在本身的惯性力和外界风速的作用下,上升变形。
图1
重气扩散过程
重力沉降阶段和空气卷吸阶段:
当气云初始动量消失后,重力占主导地位。
由于云团与周围空气间的密度差,导致重气塌陷,沿地表面拓展,引起云团厚度的降低和径向尺寸的增大,而在大气湍流的作用下外界空气进入云团,即空气卷吸,云团被稀释,同时由于初始泄漏云团与周围环境的温度差异而进行热量交换。
非重气扩散转变:
随着云团的稀释冲淡,重气效应逐渐消失,重气扩散转变为非重气扩散。
大气湍流扩散阶段（被动扩散,即大气湍流对云团的扩散起支配作用。
目前,关于物质泄漏扩散模型有许多（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,是由一系列重气体连续泄
放和瞬时泄放的实验数据绘制成的计算图表组成,能够很好地用于重气瞬时或连续释放的地面面源或体源,属于经验模型,外延性较差。
Sutton模型是用湍流扩散统计理论来处理湍流扩散问题,但在模拟可燃气体泄放扩散时误差较大。
高斯模型可模拟连续性泄漏和瞬时泄漏两种泄漏方式,由于提出的时间比较早,因而较为成熟。
模型简单,具有概念清晰、易于理解,运算量小,计算结果能较好吻合等特点,特别适合于危险评价,致使该模型得到了广泛的应用。
表1
各模型特性比较
模型名称适用对象适用范围难易程度计算量计算
精度高斯烟羽模型中性气体大规模、长时间较易少较差高斯烟团模型中性气体大规模、短时间较易少较差BM模型
中性或重气体
大规模、长时间较易少一般Sutton模型中性气体
大规模、长时间
较易
少
较差
2高斯扩散模型2.1
高斯模型
对于突发性泄漏事故的蒸发,泄漏源往往是
短时间的突然释放或一个较长时间分段释放大量有毒有害气体,此时地面浓度的计算应采用烟团模式。
烟团模式假定泄漏物排放连续独立的烟团,这些烟团的体积沿水平和垂直方向增长,并模拟这些烟团随风速和风向在位置和时间上的变化。
高斯重气扩散箱模型分为重力沉降、空气卷吸、云团受热、转变为中性气体四个部分,每个部分通过一些公式计算重气云团的半径R（t、高度H（t、卷吸空气量（Ma,根据云团半径和高度可计算扩散系数,进而计算云团浓度。
对于泄漏物重气云团在不同距离浓度的求取,大多采用在高斯模型的基础上,通过对扩散系数的修正来模拟计算。
若以风速方向为x轴,坐标原点取在泄漏点处,风速恒定为u,则源强为Q的浓度分布（只考虑泄漏物质在下风向的浓度分布方程为:
C（x,y,z,t=
Q
槡
2π3
2
σx（tσy（tσz（texp
－
（x－ut2
2σ2x－y22σ2y－z2
2σ2[
]
z
（1
令z=0,得到地面浓度C（x,y,0,t=
Q
槡
2π3
σx（tσy（tσz（texp
－（x－ut22σ2x－
y22σ2[]
y
（2
令y=0,得到地面轴线浓度C（x,0,0,t=
Q
槡
2π3
2
σx（tσy（tσz（texp
－
（x－ut2
2σ2[
]
x
（3式中:
σx（t,σy（t,σz（t———扩散系数,m;R（t———云团半径,m;h（t———云团高度,m;x———泄漏源的下风向距离,m;u———10m高的风速,m/s;Q———泄漏物质的体积,m3。
2.2
泄漏扩散的影响因素
泄漏气体在大气中的扩散主要受气象条件、
地表情况、泄漏源位置、泄漏气体的密度等因
素的影响。
风向、风速、大气稳定度、气温、湿度等因素对泄漏气体的扩散具有不同的重要影响。
风向决定泄漏气云扩散的主要方向,大部分泄漏气体总是分布在下风向。
风速影响泄漏气云的扩散速度和被空气稀释的速度,因为风速越大,大气的湍流越强,空气的稀释作用就越强,风的输送作用也越强。
一般情况下当风速为15m/s时,有利于泄漏气云的扩散,危险区域较大;若风速再大,则泄漏气体在地面的浓度变稀。
若无风天,则泄漏气体以泄漏源为中心向四周扩散。
大气稳定度是评价空气层垂直对流程度的指标（见表2,大气越稳定,泄漏气云越不易向高空消散,而贴近地表扩散,大气越不稳定,空气垂直对流运动越强,泄漏气云消散得越快。
气温或太阳辐射强弱主要是通过影响大气垂直对流运动而对泄漏气体的扩散发生影响。
大气湿度的影响,一般地说,湿度大不利于泄漏气云的扩散。
在后面的模拟过程中空气相对湿度采用一个大气压常温20ħ条件。
表2大气稳定度级别划分
地面风速/（m·s－1
白天太阳辐射
强中弱
阴天的白
天或夜晚
有云的夜晚
薄云遮天或
低云≥5/10
云量＜
4/10
＜2AA-BBD
2-3A-BBCDEF
3-5BB-CCDDE
5-6CC-DDDDD
＞6CDDDDD
3伤害模型
3.1P-G伤害模型
P-G伤害模型仍是建立在高斯模型基础上,只不过该模型更加关注有毒物质扩散后的伤害影响。
Pasquill和Gifford在高斯模型基础上,根据常规气象观测资料确定稳定度级别,在大量扩散试验数据和理论分析的基础上,总结出每一种稳定度级别的扩散参数随距离变化的经验曲线,解决了扩散参数的取值问题。
这一经验曲线一般称为Pasquill-Gifford扩散曲线,简称P-G扩散曲线。
该曲线是Pasquill根据美国大草原计划中地面源的实验结果等总结出来的,其中1km以外的曲线是外推的结果,此外它也未考虑地面粗糙度对扩散的影响,因而不适用于城市和山区。
《环境评价技术导则》（GB/T13201-91采用了在粗糙下垫面时,按实测的稳定度等级向不稳定方向提高12级,然后使用P-G曲线的幂函数式计算。
σy=aXbσz=cXd（4式中的a、b、c、d为常数。
计算伤害区域范围:
某浓度下云团地面的覆盖范围用下式计算:
C（x,y,0,t=
2Q
（2π3/2σ
x
σyσz
exp－（x－ut
2
2σ2
x
－
y2
2σ2
[]
y
（5
式中:
Q———泄漏物质的体积,m3;
σx,σy,σz扩散系数,m,σx=σy;
x———下风向距离,m;
u———平均风速,m/s;
t———时间,s;
x———ut=0。
其中,大气扩散系数采用P-G曲线的幂函数式计算。
目前多应用我国环境评价标准中采用的系数值（见表3和表4。
表3横向扩散系数幂函数表达式σy=axb系数值
（取值时间0.5h
稳定度ab下风向距离/mA
0.4258090.90107401000
0.6020520.850934＞1000
B
0.2818460.91437001000
0.3963530.865014＞1000
C
0.1771540.92427901000
0.2321230.885157＞1000
D
0.1107260.92941801000
0.1466690.888723＞1000
E
0.08640010.92081801000
0.1019470.896864＞1000
F
0.05536340.92941801000
0.07333480.888723＞1000
表4垂直扩散系数幂函数表达式σz=cxd系数值
（取值时间0.5h
稳定度cd下风向距离/mA
0.0799904
0.00854771
0.000211545
1.12154
1.51360
2.10881
0300
300500
＞500B
0.127190
0.057025
0.964435
1.09356
0500
＞500C0.1068030.917595＞0
D
0.104634
0.400167
0.810763
0.826212
0.632023
0.55536
11000
100010000
＞10000E
0.0927529
0.433384
1.73421
0.788370
0.565188
0.414743
01000
100010000
＞10000F
0.0620765
0.370015
2.40691
0.784400
0.52969
0.322659
01000
100010000
＞10000
3.2自由蒸气云爆炸模型
如果大量泄漏甲醇蒸气在空气中扩散,其过程中不但对人体产生毒物危害作用,更危险的是扩散浓度较高的云团（在爆炸浓度极限范围内,遇火源可产生蒸气云爆炸,造成重大人员伤亡和财产损失。
蒸气爆炸的模型为:
（1爆炸TNT当量计算:
W
TNT
=W
f
H
c
Q
TNT
式中:
WTNT———易燃液体的TNT当量（kg.TNT;
W
f
———蒸气云中燃料质量,kg;
H
c
———燃料的燃烧热,MJ/kg;
Q
TNT
———1kgTNT爆炸所释放的能量（取
4.52MJ/kg。
（2爆炸火球半径:
R=2.665M0.327
式中:
R———火球半径,m;
M———急剧蒸发的可燃物质量,kg;
（3爆炸火球持续时间:
t=1.089M0.327
（4蒸气云爆炸的死亡半径为:
R=K
1ˑ13.6（1.8ˑ0.04ˑW
TNT
/10000.37
K
1
———破坏系数（可取0.664
（5蒸气云爆炸冲击波伤害
爆炸浓度范围内的蒸气云遇火源发生,拟用冲击波损害半径和损害等级表示:
R=Cs（NE1/3
式中:
R———损害半径,m;
E———爆炸能量,kJ;
N———效率因素,可取10%;
Cs———经验常数（可分别取二、三级破坏系
数。
4甲醇储罐泄漏事故后果模拟
数值模拟法是采用一些数学模型模拟计算物质泄漏后可能造成的后果,它包括泄漏扩散和事故后果两大方面。
扩散模型主要是预测下风向不同距离的泄漏物质的最大浓度,模拟气体的扩散情形;伤害模型主要是预测易燃、易爆、有毒物质泄漏后可能影响的范围,为企业的应急预案改进提供理论依据。
事故后果模拟主要是预测火灾、爆炸和毒物泄漏的后果,并以图形、文字、表格等形式对事故的影响区域、人员伤亡、财产损失情况进行描述。
这里新涉及的主要物质甲醇蒸气具有易燃易爆性和毒害性,故只对甲醇蒸气的泄漏扩散、蒸汽云爆炸进行模拟,伤害模型主要是通过计算甲醇泄漏后在下风向不同距离的浓度分布,确定其造成不同伤害的区域。
事故后果模拟采用华东理工大学晨曦安全工程咨询有限公司开发的风险评价经验模型计算软件系统,该软件功能主要是重气泄漏扩散和事故后果的模拟。
4.1高斯模型数值模拟
由于泄漏后甲醇蒸气迅速扩散,致死区内人员如缺少防护或未能及时逃离,则将无例外的蒙受严重中毒,其中半数左右人员可能中毒死亡。
重伤区内大部分人员蒙受重度或中度中毒,需住院治疗,有个别人甚至中毒死亡。
轻伤区内大部分人员有轻度中毒或吸入反应症状,门诊治疗即可康复。
致死区和重伤区是疏散、抢救的重点区域,轻伤区也应在疏散之列。
4.1.1数值模拟的目的
（1确定甲醇储罐泄漏中毒时伤害区域,即致死区、重伤区及轻伤区半径;
（2确定泄漏扩散到这三个对应区域所需的时间;
（3确定在具有轻微中毒危害时,甲醇蒸气所能扩散的最远距离。
甲醇蒸气对人体的危害及诱发中毒时多对应的浓度值见表5。
表5吸入不同浓度甲醇蒸气人体中毒症状
空气中甲醇蒸气
浓度/（mg·m－3
空气中甲醇
蒸气浓度,%
空气中甲醇蒸气
浓度/（mL·m－3
中毒症状
502600.0350.182172897
空气允许值
（无不良反应1965013.7667759轻度中毒
3930027.51135517中度中毒
6550045.85225862重度中毒4.1.2数值模拟初始条件
泄漏物质体积:
850m3
相对密度（空气密度=1.0:
1.11（按纯甲醇计算
相对密度（水密度=1.0:
0.79（按纯甲醇计算
10m高风速:
2.1m/s（长寿地区当地气象站多年平均风速记录
地面粗糙度:
0.01m
大气稳定度:
D
泄漏形态:
瞬时泄漏
将表5中对应的甲醇蒸气影响下出现死亡、重伤、轻伤分别对应的体积百分比浓度值45.85、27.51、13.76分别输入程序界面进行模拟。
4.1.3模拟结果
以求解任意浓度条件下风向的最大距离的功能模块,得到甲醇储罐泄漏时的致死半径为48.442m,重伤半径72.081m,轻伤半径为122.477m;泄漏甲醇蒸气扩散到上述三个数值距离的时间分别为:
t1=11.934s,t2=20.79s,
t
3
=41.139s;对应t
1
时刻的云团半径22.189
m,云团高度为4.411m;对应t
2
时刻的云团半径28.269m,云团高度为4.636m;对应t3时刻的云团半径38.727m,云团高度为5.069m（见图2。
同时,程序模拟计算出在甲醇罐泄漏扩散过程中,转变为中性气体的时间为:
137.974s,且将空气允许值（无不良反应所对应的浓度值0.035和0.182分别输入计算,计算结果显示此扩散浓度下均已转变为中性气体,云团的状态已不再符合重气扩散时云团的变化规律。
重气扩散在这两个浓度值时所扩散到的最远距离分别为419.177m和439.430m。
图2重气扩散云团变化组示意
4.2蒸气云爆炸模型的模拟
甲醇蒸气云爆炸的火球半径和火球持续时间为:
（1爆炸火球半径
R=2.665M0.327=214.359（m
⑵爆炸火球持续时间
t=1.089M0.327=87.594（s
4.2.1数值模拟的目的
（1确定甲醇储罐因泄漏形成的蒸气云发生爆炸的死亡、重伤及轻伤半径;
（2确定在死亡、重伤及轻伤半径处的爆炸冲击波超压值。
4.2.2数值模拟的初始条件
甲醇的燃烧热值:
22.7MJ/kg
甲醇物质的量:
671500kg（甲醇罐容为2000m3,安全系数按85%计,甲醇密度0.79
TNT爆破能量:
4.52MJ/kg
地面爆炸系数:
1.8
4.2.3模拟结果
（1蒸气云发生爆炸的死亡、重伤及轻伤半径:
将模拟初始条件输入程序进行模拟计算（假设有30%的气体参与爆炸反应,得到甲醇罐因泄漏形成的蒸气云发生爆炸的死亡、重伤及轻伤半径分别为:
66.4590m、162.919m和296.205m,同时计算出建筑物的二级破坏半径为192.023m,建筑物的三级破坏半径为400.745m,如图3所示。
（2在死亡、重伤及轻伤半径处的爆炸冲击波超压值:
将上述计算出的死亡、重伤及轻伤半径:
66.4590m、162.919m和296.205m分别输入程序的“目标在不同距离的爆炸冲击波超压”,进行新的模拟计算,得到这三个位置对应的爆炸冲击波超压值分别为:
264.994kPa、35.945kPa和
2011年第27卷第4期★张宪法.甲醇储罐泄漏扩散及事故状态的数值模拟★19上，掌握甲醇蒸气的分布情况，绘制分布图，确定危险点，建立台账，进行重点防范，完善各种警示标识和警示说明，并悬挂在醒目位置，提醒进入现场作业人员，增强防范意识。
5.2指导现场岗位防护用品的配备对接触甲醇的岗位和现场，按规定配备适用的防护用具、设施和应急药品，如过滤式防毒面具、防毒口罩、空气呼吸器、长管面具、防化服、洗眼器、冲淋器以及风向标等，并做好检查、维护和管理，确保处于完好备用状态。
图3甲醇罐蒸气云爆炸伤害分区示意5.3编制事故应急救援预案，不断演练和完善当作业人员受到意外中毒伤害时，及时准确的救护往往能使患者起死回生或最大限度地减轻伤害，这就要事先做出符合实际的中毒事故应急救援预案，并熟练掌握。
按照法规和制度要求，结合危险源识别和风险评价情况，制定出甲醇泄漏中毒事故应急预案，明确各方职责、应急程序及注意事项，组织定期演练。
根据演练过程中暴露出的问题和不足对预案进行及时修订和完善，使之更加贴近实际，更具有可操作性。
图4死亡、重伤和轻伤半径位置的冲击波值对比对制定好的中毒事故应急预案，要组织好相关人员的学习培训，使之掌握应急预案的基本内容、操作程序，清楚自己的职责，训练有素，才能在应急救援中协调一致，发挥作用。
6结语9.156kPa，如图4所示。
5甲醇储罐泄漏扩散及事故状态进行模拟的应用通过对甲醇储罐泄漏扩散及事故状态进行模拟，明确泄漏状态达到蒸气云爆炸的浓度范围，出现爆炸的可能性非常大。
一旦出现爆炸，属于不可控状态，应对蒸气云爆炸的前期做出判断。
由于设定泄漏扩散危险，首先关注的是对人员的中毒危害，应侧重于在有毒气体扩散情况下的应急。
现场人员必须首先在第一时间内从致死半径和重伤半径范围内撤出，然后再进行程序上的应急信息沟通；其次应关注风速、风向条件及下风向不同距离的浓度变化，尽量设定合适的较安全的撤离路线。
结合模拟结果，明确出现泄漏后在致死半径和重伤半径范围内，进行警示标识。
5.1指导应急预案编制通过对甲醇泄漏扩散及事故状态进行模拟，在制定甲醇应急预案时可参考模拟结果，对现场设备、设施、场所和环境，在安全评价的基础预防甲醇储罐泄漏扩散事故的前提是要了解甲醇蒸气的危害，分布在哪里，然后才能有针对性地掌握其危险特性，采取适当的防护措施，当出现泄漏事故时，启动应急预案，这样能避免甲醇泄漏事故发生后造成的人员中毒、燃烧爆炸引起的次生灾害，保证人员财产的安全。
参考文献：
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化学工业出版社，1995.M］.北京：
李金.有害物质及其检测［中国石化出版社，2002.潘旭海，蒋军成.事故泄漏源模型研究与J］.南京工业大学学报，2002，24.分析［
ABSTRACTSPETROCHEMICALSAFETYANDENVIRONMENTALPROTECTIONTECHNOLOGYBimonthly.20Aug．2011Vol．27No．4·Ⅰ·ANALYSISONFIREANDEXPLOSIONHAZARDOILSTORAGETANKANDTHEPREVENTIVEMEASURES［1］LiuYongbin.SINOPECLuoyangCompany，Luoyang，Henan，471012Abstract：
Thispapermakesariskanalysisonthecasesofsixtypicalfireandexplosionhazardsfromoilstoragetankofpetrochemicalenterprises．Thesehazardsarecausedbyoiltankoverfill，lightningstrike，staticelectricity，selfignitionofferroussulfide，constructionoperationwithfireandimpropercoordinationoftheproductionoperationdevices．Thepaperbringsforwardeffectivepreventivemeasurestoavoidaccidentoccurrence．Keywords：
Oilstoragetank；Fireandexplosion；PreventivemeasuresTHEINFLUENCEOFSPRAYIGNITIONCONDITIONONTHEDEFLAGRATIONPERFORMANCEOFDIESEL［6］ZhuYingzhong，XieLifeng，LiBin，ZhangYulei，HanZhiwei.SchoolofChemicalEngineering，NUST，Nanjing，Jiangsu，210094Abstract：
Experimentswerecarriedouttostudythedeflagrationperformancefordieseldropsairmixturesundertheconditionsofdirectinitiationinverticalshocktube．Theminimumignitionenergywasmeasuredbytheupanddownmethod．Theinfluenceofalteredspraypressure，atomizationtimeandignitionenergyonthedeflagrationofdieseldropsairmixtureswasstudiedinthispaper．Theresultsin
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