江南;陈玉明
【摘 要】Apply the Fluent numerical simulation software to calculate and analyze the liquid ammonia leakage diffusion concentration field and diffusion rule,compare it with theoretical calculation results based on Gaussian plume model to verify the reliability of results.Combine the numerical simulation results and exposure duration to conduct the quantitative evaluation on the personnel mortality percentage under the conditions of stationary state and evacuation state.The results show that the acute poisoning qualitative e-valuation method combined with Fluent numerical simulation can intuitional,dynamic and reliable reflect the leakage diffusion scope and influence and it has very good application prospect.%运用Fluent数值模拟软件计算分析液氨泄漏扩散浓度场及扩散规律，并与基于高斯烟羽模型的理论计算结果相对比，验证其结果的可靠性。结合数值模拟结果和暴露时间，对人员在静止状态及疏散状态下的死亡百分率进行定量评估。结果表明结合 Fluent 数值模拟的急性中毒定性评估方法能够直观、动态、可靠的反应泄漏扩散的范围及影响，具有良好的应用前景。
【期刊名称】《甘肃科学学报》
肺透明膜病【年(卷),期】2016(028)006
【总页数】4页(P69-72)
【关键词】液氨泄漏;Fluent;高斯烟羽模型;中毒;定量评估
【作 者】江南;陈玉明
【作者单位】昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093;昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093
【正文语种】中 文
【中图分类】X928
氨是化工行业重要的原材料之一,企业通常用物理方法使其处于液化状态并置于压力容器中以便于储存及运输[1]。近年来液氨泄漏事故多次发生,除了人员伤亡和财产损失外,对周围
生态环境也造成了不可逆的损害。目前对泄漏中毒危害的研究主要有三种方法:理论计算、现场试验和数值模拟[2]。数值模拟可以准确得到泄漏场的浓度分布,弥补了理论计算与现场试验的不足,将其模拟结果结合中毒剂量反应模型,可对液氨泄漏中毒危害进行定量评估。
1.1 液氨泄漏CFD控制方程
对液氨泄漏事故进行数值模拟,可以借助以流体运动为研究对象的计算流体动力学(CFD,computational fluid dynamics)模型,常用的CFD软件有Fluent、CEX、FLOW3D等。选用目前国际上最为通用的Fluent进行模拟,建立无化学反应的组分运输模型[3],通过离散化守恒方程并对其迭代求解,可以得到泄漏气体的实时浓度场,该方程为
其中:ρ为气体密度(kg/m3);Yi为组分i质量分数(kg/s);Ji为组分i质量扩散(m2/s);Si为离散源项导致的额外参数速率(m/s)。
1.2 模拟场景简介
事故场景选定公称直径15 m的液氨储罐为泄漏源,最大贮存量为1 700 t,储存温度保持15 ℃,内部压力控制在1.6 MPa;假设储罐发生泄漏速度为9.6 m2/s的连续泄漏,泄漏口为圆形,面积
供配电系统1×10-4 m2,得出泄漏源强为3 kg/s。泄漏时周围环境温度20℃ ,风速自左向右0.8 m/s,泄漏模拟时间为1 000 s。
1.3 模拟结果及分析
为获得目标结果,通过后处理截取水平面来显示模拟情况。持续泄漏时间分别为50 s、100 s、200 s、400 s、700 s、1 000 s时数值模拟的浓度时空分布见图1。
从图1可以看出液氨泄漏后受风力影响,在顺风方向扩散速度快、浓度高,而垂直风向方向扩散速度慢、浓度小,表明在风力作用下的扩散速度远大于氨气自身的扩散速度,因此一旦发生液氨泄漏事故,应及时沿垂直风向的方向撤离。
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根据氨气致死区、重伤区和致伤区的剂量标准,结合数值模拟结果,可以得出液氨泄漏后下风向致死区、重伤区和致伤区距离分别为335 m、650 m、1 402 m。处于致死区的人员会重度中毒,危及生命;重伤区中人员有中度中毒危险,人体不适反应强烈;人员若长时间在致伤区停留会导致轻度中毒。企业可以根据该结果合理制定疏散方案,减少人员伤亡。
连续泄漏和瞬时泄漏是液氨储罐泄漏的两种形式,液氨连续泄漏是由于储罐连接附件或罐体
裂缝损坏而导致,而瞬时泄漏则是由于罐体内部超压而引起的爆炸事故[4]。在研究气体泄漏扩散浓度时通常采用高斯扩散模型,其中计算连续泄漏采用高斯烟羽模型,计算瞬时泄漏采用高斯烟团模型[5]。液氨泄漏是连续扩散的过程,因此采用高斯烟羽模型公式来估算扩散浓度,取泄漏点为坐标原点,X轴与主导风向顺风方向一致。高斯烟羽模型公式为
其中:C(x,y,z)为下风向某一位置的污染物质量浓度(kg/m3);Q为泄漏物质量流量(kg/s);u为平均风速(m/s);σy、σz分别为 y、z方向上的扩散参数;H为有效源高(m)。
根据公式(2),代入风速与距离可以得到下风向 1.5 m高度(相当于人员口鼻高度)不同距离处扩散理论质量浓度值,见表1。
将数值模拟结果与理论计算值对比,比较结果见图2。
根据图2可得,数值模拟获得的值较理论值更为保守,其数据差异均在5%以内,极为接近,说明Fluent数值模拟对液氨泄漏扩散的模拟可为企业获得可信度较高的参考。相比理论计算,数值模拟的高效性、可视性使得其更受研究者和企业的青睐,浅显易见的浓度分布图使得不管是桌面演练还是全面演练都有可靠的科学理论支撑。
3.1 中毒剂量反应模型
目前主要利用概率函数法来描述毒物对人体的危害程度,该方法由人体接触毒物的浓度、性质常数以及接触时间确定[6]。毒物对评估对象所造成危害的概率为
其中:Y为死亡概率;a,b为毒物性质常数;V为毒物剂量,其计算方法为
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其中:C为毒物体积浓度(×10-6);n为浓度指数;t为接触时间(min);t0、tend分别为接触开始和结束时间;Ci为间隔时间内毒物浓度;Δti为间隔时间;K为间隔时间总数。
概率Y与中毒死亡百分率P之间的关系为
将氨气的毒物性质代入式(5),可得到氨气中毒剂量反应模型为
根据式(6)可对液氨储罐泄漏时不同位置、不同时间的人员中毒危害进行定量评估。
3.2 静止状态急性中毒评估
液氨泄漏后氨气在空气中扩散,人员在静止状态下随距离与暴露时间不同,死亡百分率也有所不同。静止状态下人员暴露死亡百分率曲线见图3。
从图3中可以看出,与泄漏源的距离越近或暴露时间越长,死亡百分率越高。距离泄漏口100 m可在5 min达到94%死亡率,在泄漏源下风向200 m处25 min时死亡概率仍达到55%(暴露5 min的死亡百分率为0),可见及时撤离危险浓度区域的重要性。
通过人员静止状态急性中毒评估与泄漏时间发生点相结合,可获得周边受影响区域每一点的死亡百分率。企业组织应急救援演练时,可以将静止状态急性中毒评估中周边区域内死亡概率较大的居民加入应急演练,同时对这一区域的居民进行必要的预防教育,以便收到警报或自身发现后能立即撤离现场或采取防护措施。
vs20083.3 疏散状态急性中毒评估
在实际工作过程中出现液氨泄露时,现场工作人员发现后会立即按应急预案规定路线疏散,因此对近距离工作人员在疏散过程中的急性中毒风险进行定量评估十分重要[7]。设置监测点与泄漏源距离分别为100 m、200 m、300 m、400 m、500 m,高度为1.5 m,记为P1～P5。人员经过监测点时的质量浓度见表2。
根据公式(6)可得:疏散的过程中死亡百分率为3.15%,对于近距离工作人员,若疏散不及时,在5 min时死亡概率就高达95%,据此可见日常应急疏散演练的重要性。
通过人员疏散状态下的急性中毒定量分析,企业可以制定更加合理的应急疏散路线。平时注意保持该路线的畅通,避免发生泄漏事故时道路阻碍的情况,特别是储罐区域内的工作人员,必须熟知发生泄漏时的最佳撤离路线。
(1) Fluent数值模拟结果能直观反映液氨储罐泄漏后氨气在空气中的扩散情况,风力作用下的氨气的扩散速度远大于其自身的扩散速度,氨气浓度在水平方向随距离逐渐减弱。因此一旦发生液氨泄漏事故,应逆风或垂直于风向方向疏散至安全区域,最大限度减少人员伤亡。
(2) 对比同一位置数值模拟测量结果与理论计算结果,得到其误差在5%以内,说明Fluent模拟液氨泄漏扩散结果直观、动态、可靠,可为企业提供良好参照。
(3) 采用中毒剂量反应模型对人员在静止及疏散过程中的中毒概率进行定性评估,结合静止状态急性中毒评估可制定周围居民应急方案,根据疏散状态急性中毒评估可规划近距离操作人员应急撤离路线,为液氨泄漏事故应急救援与疏散提供指导。
(4) 结合Fluent数值模拟的液氨泄漏中毒定量评估方法,可以定量的对任意位置及任意时间人员的死亡百分率进行评估,弥补了定性评价及经验公式得出概率不准确的不足,同时也可以为相似毒物泄漏中毒评估提供方法。
【相关文献】
[1] 柳红卫,黄沿波.液氨泄漏风险评估和风险分级方法[J].安全与环境工程,2010,17(1):70-74.
[2] 李梅.液化气体储罐泄漏扩散模型的研究及应用[D].淮南:安徽理工大学,2011.
[3] 李景贵.煤层气地面集输泄漏扩散模拟及风险评价研究[D].徐州:中国矿业大学,2014.
[4] 孙东亮,蒋军成,张明广.液氨储罐泄漏扩散模型的改进研究[J].工业安全与环保,2011,37(1):27-29,40.
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