吴洁; 吕品; 袁雄军; 潘晓菲
【期刊名称】《《河南理工大学学报（自然科学版）》》
【年(卷),期】2020(039)002童话屋
【总页数】7页(P8-14)
【关键词】液氨; 泄漏扩散; 影响因素; ALOHA数值模拟; 危害范围
【作 者】吴洁; 吕品; 袁雄军; 潘晓菲
【作者单位】南宁职业技术学院学报安徽理工大学 能源与安全学院 安徽 淮南232000; 常州大学 环境与安全工程学院 江苏 常州213164
【正文语种】中 文
【中图分类】X937
0 引 言
有毒气体泄漏是化学灾害事故之一，一旦发生，严重危害公共安全，造成大量人员伤亡和经济损失[1-2]，因此，对于危化品泄漏事故的危害研究显得格外重要。危化品泄漏的研究方法主要有试验和数值模拟[3]，其中，数值模拟具有成本低、考虑因素全面、计算过程快捷、适用范围广、结果形象直观等优点，成为研究的重要方法[4]。ALOHA是由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)与环保署(EPA)联合开发的，专门用于对危化品泄漏后有毒有害气体扩散以及火灾和爆炸产生的毒性、热辐射、冲击波进行计算分析[5]的软件。国外学者Masoud Mehrabani等[6]利用ALOHA对汽车行业油漆车间废稀释剂转移过程中的事故后果进行建模，进行定量风险评估；E.Y.Sanchez等[7]运用ALOHA对液氨泄漏场景进行模拟，并对局部脆弱性进行分析；国内学者闫洁洁等[8]运用ALOHA软件模拟和公式计算两种方法，对典型泄漏事故的危害进行量化评估；唐少佳等[9]对泄漏事故后果风险进行研究，利用ALOHA和ArcGIS初步实现了危化品运输应急支持系统的功能，为应急辅助决策提供了一定的指导；沈阳[10]对核电事故发生后放射性污染物的扩散模式进行了讨论，应用ALOHA软件进行综合分析计算与绘图，研究结果对公共安全部门快速、有效地处置核事故具有重要的理论指导意义。本文通过各种因素对有毒气体泄漏后造成的伤害范围的影
响，以及快速合理划分警戒范围研究，以期为事故预防和救援能够提供有效的指导。
1 数值模型
1.1 计算模型
为了饮食安全
ALOHA提供的气体扩散模型有中性或者浮性气体的高斯模型和DEGADIS重气扩散模型，考虑到液氨泄漏后立即汽化并在大气中扩散，氨气分子量是17.3，相对密度小，属于中性气体，所以选择高斯模型[11]，其数学表达式为[12]
式中:c(x，y，z)为泄漏物质在(x，y，z)点处的质量浓度，mg/m3；u为风速，m/s；Qm为泄漏源的物料质量流量，kg/s;x，y，z为预测点坐标，m；H为有效源高，等于泄漏源高度和抬升高度之和，m；σx，σy，σz分别为x，y，z方向的扩散参数，是排放源到计算点的下风向距离和大气稳定度的函数，与烟羽的排放高度及地表粗糙度有关。
1.2 模拟参数设置
液氨罐位于电厂的西南角，距离其正东方向300 m处有居民区，这是距液氨罐最近的人员
密集区，作为重点关注区域。液氨存放区新建了2个150 m3的液氨球罐，单个罐存量60～90 t，充装系数为0.8，存储温度-20 ℃,常压储罐。按照《危险化学品重大危险源辨识》(GB18218—2018)可查，氨的临界量为10 t，因此，可判断该项目构成危险化学品重大危险源[13]。
ALOHA需要输入泄漏发生时的具体时间、地点、大气环境和液氨存储情况来进行模拟计算。ALOHA运算条件为环境温度-73～65 ℃，相对湿度0～100%，风速1～60 m/s。根据淮南气象局资料，该地区年平均气温16.6 ℃，年极端最高气温38.9 ℃，最低气温-5.5 ℃，雨量适中，日照充足，年平均相对湿度75%，年主导风向为东风，年平均风速2.6～3.0 m/s。假设在7月某日发生液氨储罐泄漏，具体计算参数如表1所示。
胫骨前肌2 模拟分析
氨气的ERPG-1体积分数为2.5×10-5，人员暴露于此体积分数下1 h，除了短暂的头晕、呕吐等不良反应外，不会有其他不良影响的最大氨气体积分数；氨气的ERPG-2体积分数为1.50×10-4，人员暴露于此体积分数1 h，不会对身体造成不可逆转或其他更为严重伤害的最大氨气体积分数；氨气的ERPG-3体积分数为1.5×10-3，人员暴露于此体积分数下1 h，
不会出现危及生命健康或死亡的最大氨气体积分数[14]。选用ERPGs标准，模拟分析不同因素对液氨储罐泄漏事故毒性危害的影响。
表1 计算参数Tab.1 Calculation parameters参数数值泄漏孔径/cm3泄漏位置/m1储存温度/℃-20充装系数0.8环境温度/℃16.6风速/(m·s-1)2.8风向E相对湿度/%75
2.1 初始条件影响
2.1.1 泄漏孔径
考查储罐泄漏尺寸与发生概率,发现0～3 cm的小孔泄漏事故发生概率较大，所以对这个范围的泄漏孔径与扩散危害范围进行研究[15]。仅改变泄漏孔径的大小，保持表1中其他基本数据不变，记录60 min内相对应的ERPGs扩散危害范围，绘制关系曲线如图1所示。正交试验设计
图1 孔径大小与ERPGs扩散范围的关系曲线Fig.1 Relation cures between pore size and diffusion distance of ERPGs
由图1可知，液氨储罐泄漏后的扩散危害范围受泄漏孔径的影响较大，扩散危害范围随着孔径增大而扩大。
2.1.2 泄漏位置
仅改变泄漏孔径距储罐底部的高低，保持表1中其他基本数据不变，取泄漏位置0～6.59 m(液氨球罐直径6.59 m)，记录60 min内相对应的ERPGs扩散危害范围，绘制关系曲线如图2所示。
由图2可知，随着泄漏高度的增加，扩散危害范围不断减小，当泄漏高度增加时，在泄漏过程中液氨受到的压力会随之减小，泄漏速度会变慢，它的扩散能力就会减弱，导致扩散危害范围缩小。泄漏高度4～5 m时扩散危害范围急剧减小，因为泄漏高度位于液体面之上(液面高度4.6 m)，液氨储罐泄漏扩散方式为气相扩散。
图2 泄漏位置与ERPGs扩散范围的关系曲线Fig.2 Relation curves between leakage locations and ERPGs diffusion distance
2.1.3 初始条件的综合影响
假设氨气泄漏发生在液相环境中，通过上述模拟结果，拟合得出泄漏孔径与泄漏位置耦合对泄漏扩散伤害距离的关系式，
Z1=67.58+62 721.87X-31.84Y+
417 135.57X2+5.47Y2-1 174.06XY,
(2)
Z2=34.77+25 340.14X-17.11Y+
81 522.96X2+2.39Y2-217.24XY,
(3)
Z3=12.61+7 890.14X-6.69Y+
17 237.33X2+1.02Y2-57.24XY,
(4)
式中：Z1为ERPG-1伤害距离，m；Z2为ERPG-2伤害距离，m；Z3为ERPG-3伤害距离，m；X为泄漏孔径大小，m；Y为泄漏位置，m。
孔径大小和泄漏位置对泄漏扩散危害范围的影响如图3所示。
图3 孔径大小和泄漏位置对泄漏扩散危害范围的影响Fig.3 Effect of aperture size and leakage locations on leakage spread damage distance
当泄漏位置高度1 m、泄漏孔径0.03 m时，带入式(2)～(4)进行计算，得到相应的ERPGs伤害距离，分别为2 263.06，847.11，257.44 m，带入ALOHA软件中进行计算，结果为2 300，257，846 m，拟合度达到0.99，预测结果与模拟结果基本吻合，在所考虑的条件范围内能较好地反映初始条件综合影响与液氨扩散范围之间的关系。从图3中也可以直观地看出，初始条件的耦合影响、泄漏孔径的大小对液氨储罐泄漏扩散危害范围占据主导因素。
2.2 大气条件因素影响
2.2.1 风速
仅改变环境中的风速，保持表1中其他基本数据不变，根据淮南市平均风速，取风速2～4 m/s，记录60 min内相对应的ERPGs扩散危害范围，绘制关系曲线如图4所示。
图4 风速与ERPGs扩散范围的关系曲线Fig.4 Relation curves between wind speed and ERPGs diffusion distance
由图4可知，风速的增大导致扩散危害范围逐渐减小，这是由于不断增大的风速增加了空气的湍流速度，加快了对气云的稀释作用，导致液氨的扩散危害范围减小。
2.2.2 环境温度
罗家伦
仅改变环境中的温度，保持表1中其他基本数据不变，根据淮南市极端天气温度，取温度-10～45 ℃，记录60 min内相对应的ERPGs扩散危害范围，绘制关系曲线如图5所示。
图5 温度与ERPGs扩散范围的关系曲线Fig.5 Relation curves between temperature and ERPGs diffusion distance
由图5可知，温度的升高在一定程度上影响了液氨储罐泄漏的扩散危害范围，距离随温度升高小幅度增大。
2.2.3 大气环境因素综合影响
通过上述模拟结果，拟合得出风速与环境温度耦合对泄漏扩散伤害距离的关系式，
Z1=9 868X2-0.01Y-827.05X+
3.85Y-0.35XY+2 849.45，
(5)
Z2=37.83X2-322.02X+
1.17XY+1131.87，
(6)
Z3=11.22X2-96.7X+0.38Y-
0.03XY+348.13，
(7)
式中：Z1为ERPG-1伤害距离，m；Z2为ERPG-2伤害距离，m；Z3为ERPG-3伤害距离，m；X为风速，m/s；Y为环境温度，℃。
风速和温度对泄漏扩散伤害距离的影响如图6所示。
图6 风速和温度对泄漏扩散伤害距离的影响Fig.6 Effect of wind speed and temperature on leakage spread damage distance
当风速2.8 m/s、温度20 ℃时，带入式(5)～(7)进行计算，得到相应的ERPGs伤害距离，分别为1 360.76,546.28,171.3 m，代入ALOHA软件进行计算，结果为1 400，545，171 m，拟合度达到0.96，预测结果与模拟结果基本一致，证明了拟合公式的实用性。
2.3 初始条件和大气环境因素综合影响
通过上述模拟结果，利用多元回归分析拟合，得出初始条件和大气环境因素综合作用对泄漏扩散伤害距离的关系式，
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