甲醇储罐泄漏扩散及事故状态的数值模拟1.docx

1、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:20100919。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

2、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

3、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,

4、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

5、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

6、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

7、浓度分布方程为:C (x ,y ,z ,t =Q槡232x (t y (t z (t exp(x ut 222x y 222y z 222z(1令z =0,得到地面浓度C (x ,y ,0,t =Q槡23x (t y (t z (t exp(x ut 222x y 222y(2令y =0,得到地面轴线浓度C (x ,0,0,t =Q槡232x (t y (t z (t exp(x ut 222x(3式中:x (t ,y (t ,z (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,m 3

8、。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1 5m /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

9、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20条件。 表2大气稳定度级别划分地面风速/ (ms1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4/102A A-B B D2-3A-B B C D E F3-5B B-C C D D E5-6C C-D D D D D6C D D D D D3伤害模型3.1P-G伤害模型P-G伤害模型仍是建立在高斯

10、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

11、稳定方向提高1 2级,然后使用P-G曲线的幂函数式计算。y=aX bz=cX d(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(23/2xyzexp(xut222xy222y(5式中:Q泄漏物质的体积,m3;x,y,z扩散系数,m,x=y;x下风向距离,m;u平均风速,m/s;t时间,s;xut=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y=axb系数值(取值时间0.5h稳定度a b下风向距离/m A0.4258090.9010740

12、10000.6020520.8509341000B0.2818460.9143700 10000.3963530.8650141000C0.1771540.9242790 10000.2321230.8851571000D0.1107260.9294180 10000.1466690.8887231000E0.08640010.9208180 10000.1019470.8968641000F0.05536340.9294180 10000.07333480.8887231000表4垂直扩散系数幂函数表达式z=cxd系数值(取值时间0.5h稳定度c d下风向距离/m A0.07999040.0

13、08547710.0002115451.121541.513602.108810 300300 500500 B0.1271900.0570250.9644351.093560 500500 C0.1068030.9175950D0.1046340.4001670.8107630.8262120.6320230.555361 10001000 1000010000 E0.09275290.4333841.734210.7883700.5651880.4147430 10001000 1000010000 F0.06207650.3700152.406910.7844000.529690.322

14、6590 10001000 10000100003.2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:WTNT=WfHcQTNT式中:W TNT易燃液体的TNT当量(kg.TNT;Wf蒸气云中燃料质量,kg;Hc燃料的燃烧热,MJ/kg;QTNT1kg TNT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

15、时间:t=1.089M0.327(4蒸气云爆炸的死亡半径为:R=K113.6(1.80.04WTNT/10000.37K1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

16、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

17、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/(mgm3空气中甲醇蒸气浓度,%空气中甲醇蒸气浓度/(mLm3中

18、毒症状50 2600.035 0.182172 897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

19、.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,t3=41.139s;对应t1时刻的云团半径22.189 m,云团高度为4.411m;对应t2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.

20、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爆炸火球持续时间t=1.089M0.327=87.594(s4.2.1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

21、烧热值:22.7MJ/kg甲醇物质的量:671500kg(甲醇罐容为2000 m3,安全系数按85%计,甲醇密度0.79TNT爆破能量: 4.52MJ/kg地面爆炸系数: 1.84.2.3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

22、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，

23、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

24、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. 156 kPa，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，

25、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

26、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： 1 2 3 4 王广生，等 . 石油化工原料与产品安全手 M . 北京： 中国石化出版社，1996. 册 史 志 澄， 等 . 化 工 急 性 中 毒 诊 疗 手 册 M . 北京： 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

27、大学学报，2002，24. 分析 ABSTRACTS PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Bimonthly. 20 Aug 2011 Vol 27 No 4 ANALYSIS ON FIRE AND EXPLOSION HAZARD OIL STORAGE TANK AND THE PREVENTIVE MEASURES 1 Liu Yongbin. SINOPEC Luoyang Company，Luoyang， Henan， 471012 Abstract： This paper makes a ris

28、k analysis on the cases of six typical fire and explosion hazards from oil storage tank of petrochemical enterprises These hazards are caused by oil tank overfill，lightning strike， static electricity，selfignition of ferrous sulfide，construction operation with fire and improper coordination of the pr

29、oduction operation devices The paper brings forward effective preventive measures to avoid accident occurrence Key words： Oil storage tank； Fire and explosion； Preventive measures THE INFLUENCE OF SPRAY IGNITION CONDITION ON THE DEFLAGRATION PERFORMANCE OF DIESEL 6 Zhu Yingzhong，Xie Lifeng，Li Bin，Zh

30、ang Yulei， Han Zhiwei. School of Chemical Engineering，NUST， Nanjing，Jiangsu， 210094 Abstract： Experiments were carried out to study the deflagration performance for diesel dropsair mixtures under the conditions of direct initiation in vertical shock tube The minimum ignition energy was measured by the up and down method The influence of altered spray pressure，atomization time and ignition energy on the deflagration of diesel dropsair mixtures was studied in this paper The results in