環(huán)境風(fēng)險評價中的物料泄漏計算

石　翔，張芝蘭，張　峰

(上海格林曼環(huán)境技術(shù)有限公司，上?！?00001)

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環(huán)境風(fēng)險評價中的物料泄漏計算

石翔，張芝蘭，張峰

(上海格林曼環(huán)境技術(shù)有限公司，上海200001)

總結(jié)了環(huán)境風(fēng)險評價中物料釋放時泄漏速率的計算方法與適用條件、關(guān)鍵計算參數(shù)的選取以及泄漏時間的確定依據(jù)。通過某化工企業(yè)液氨儲罐出料管道泄漏事故的案例分析，比較了三種不同泄漏速率計算方法的計算結(jié)果。結(jié)果表明液相流泄漏速率計算模型得到結(jié)果最為保守，故在無法明確某一復(fù)雜泄漏情景下的物料流態(tài)時，建議優(yōu)先使用液相流泄漏速率計算模型進行保守計算。

環(huán)境風(fēng)險評價；物料釋放；泄漏速率

環(huán)境風(fēng)險評價是建設(shè)項目環(huán)境影響評價工作中的一項重要工作內(nèi)容[1]。環(huán)境風(fēng)險評價是指對項目發(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)事件產(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，進行評估，并提出防范、應(yīng)急與減緩措施[2]。環(huán)境風(fēng)險評價包括風(fēng)險識別、源項分析、后果計算、風(fēng)險計算與風(fēng)險管理等工作內(nèi)容。其中，源項分析中的物料泄漏計算包括泄漏速率計算及泄漏時間確定等，是整個環(huán)境風(fēng)險定量評價的基礎(chǔ)，決定著后續(xù)的物料揮發(fā)速率計算、大氣擴散預(yù)測以及風(fēng)險水平計算，直接影響著環(huán)境風(fēng)險評價的結(jié)論。

1　物料泄漏速率計算

1.1計算方法與適用條件

根據(jù)物料性質(zhì)及泄漏場景的不同，泄漏速率有不同的計算方法。《建設(shè)項目環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)導(dǎo)則》(HJ/T 169-2004)及《化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則》(AQ/T3046-2013)中分別對液體泄漏速率、氣體泄漏速率及兩相流泄漏速率提出了相應(yīng)的泄漏速率計算方法[2-3]。

1.1.1液體泄漏速率

液體泄漏速率通常采用式(1)計算。該公式主要適用于液體經(jīng)管道或儲罐等類似裝置上的小孔泄漏以及儲罐等容器設(shè)備底部管道的全管徑斷裂泄漏，但不適用于壓力流管道的全管徑泄漏。

(1)

式中：QL——液體泄漏速率，kg/s

Cd——液體泄漏系數(shù)，一般取0.6～0.64之間

A——裂口面積，m2

ρ——泄漏液體的密度，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，9.8 m/s2

h——裂口之上液位高度，m

1.1.2氣體泄漏速率

氣體泄漏速率計算時通常假定氣體的特性是理想氣體，氣體泄漏速率按式(2)計算。同樣，該公式主要適用于氣體經(jīng)管道或儲罐等類似裝置上的小孔泄漏以及儲罐等容器設(shè)備底部管道的全管徑斷裂泄漏，對于長輸管道的全管徑泄漏，式(2)則不適用。

(2)

式中：QG——氣體泄漏速率，kg/s

Cd——氣體泄漏系數(shù)，一般取0.9～1.0之間

A——裂口面積，m2

Y——流出系數(shù)，按臨界流和非臨界流的不同而分別確定

對于臨界流，Y取1.0，非臨界流則按下式計算：

式中：P——容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa

P0——環(huán)境壓力，Pa

M——分子量，kg/mol

R——氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)

TC——氣體溫度，K

k——氣體的絕熱指數(shù)(熱容比)，即定壓熱容Cp與定容熱容CV之比

1.1.3兩相流泄漏速率

兩相流是指兩相物質(zhì)(至少一相為流體)所組成的流動系統(tǒng)[4-5]。在假定液相和氣相是均勻的且互相平衡的情況下兩相流泄漏按式(3)計算。該公式主要適用于操作溫度高于其常壓沸點的過熱液體的泄漏。

(3)

式中：QLG——兩相流泄漏速率，kg/s

Cd——氣體泄漏系數(shù)，一般取0.8

A——裂口面積，m2

P——容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa

PC——臨界壓力，Pa，可取PC=0.55 P

ρm——兩相混合物平均密度，kg/m3

ρm由下式計算：

式中：ρ1——系統(tǒng)溫度和壓力下的蒸汽密度，kg/m3

ρ2——系統(tǒng)溫度和壓力下的液體密度，kg/m3

Fv——蒸發(fā)的液體占泄漏液體總量的比例

Fv由下式計算：

式中：Cp——泄漏液體的定壓比熱，J/(kg·K)

TLG——容器內(nèi)的介質(zhì)溫度，K

TC——液體的沸點，K

H——液體的氣化熱，J/kg

需要說明的是，如果計算發(fā)現(xiàn)Fv>1時，表明液體將全部蒸發(fā)成氣體，這時兩相流不存在，應(yīng)按氣體泄漏場景計算；相反如果Fv計算結(jié)果很小，則可近似地按液體泄漏公式計算。

1.2關(guān)鍵參數(shù)選取

無論是液體泄漏、氣體泄漏還是兩相流泄漏，在物料泄漏速率計算中裂口面積是一個典型的可以人為選擇的參數(shù)，這一關(guān)鍵參數(shù)的選取也將直接影響到泄漏速率的計算結(jié)果。

泄漏計算中裂口面積的確定通常根據(jù)實際裂口情況或者按照管徑來選取。一般在環(huán)境風(fēng)險評價中，裂口面積常根據(jù)20%管徑破裂的小孔泄漏或者100%管徑破裂的全管斷裂情形分別確定。考慮到不同泄漏孔徑管道的泄漏概率，對于大管徑管道通常僅考慮小孔泄漏，而小管徑管道則需既考慮小孔泄漏，又要考慮全管徑泄漏。

目前國內(nèi)關(guān)于管道泄漏概率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)較少，根據(jù)1982年荷蘭的研究小組在COVO報告中公開的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，不同泄漏

孔徑的管道泄漏概率如表1所示[5]。

表1　管道泄漏概率統(tǒng)計Table 1　Leakage probability of pipeline

由表1可知，管徑大于150 mm的管道發(fā)生全管徑泄漏的概率很低，基本在10-8的水平。因此在環(huán)境風(fēng)險評價的管道物料泄漏計算中，對于管徑大于150 mm的大管道建議僅計算20%管徑破裂的小孔泄漏，而對于管徑小于等于150 mm的小管道既需要計算20%管徑破裂的小孔泄漏，還需要考慮管道的全管徑泄漏。

2　物料泄漏時間的確定

在計算得出物料泄漏速率后，需要確定合理的泄漏時間才能計算整個環(huán)境風(fēng)險事故的物料泄漏量，從而進一步評估項目的環(huán)境風(fēng)險水平。

物料泄漏時間通常由兩部分時間構(gòu)成，第一部分為發(fā)生物料泄漏事故到探測系統(tǒng)或操作人員發(fā)現(xiàn)泄漏事故的時間，第二部分為切斷隔離系統(tǒng)或操作人員隔斷或堵塞泄漏點的時間，其中又包括了從發(fā)現(xiàn)泄漏到開始響應(yīng)的時間以及從開始啟動或操作隔斷設(shè)施到完成泄漏截斷的時間。環(huán)境風(fēng)險評價中，物質(zhì)泄漏時間應(yīng)結(jié)合項目的泄漏探測系統(tǒng)和隔離系統(tǒng)水平綜合確定。若缺乏必要的項目信息，可按5～30 min考慮。

物料泄漏探測系統(tǒng)通常分為三種等級：專門設(shè)計的儀器儀表，用來探測系統(tǒng)的運行工況變化所造成的物質(zhì)損失；適當(dāng)定位探測器，確定物質(zhì)何時會出現(xiàn)在承壓密閉體外；外觀檢測、照相機或帶遠距功能的探測器、人工日常巡檢等。隨著探測水平的逐步降低，相對應(yīng)的探測是否發(fā)生泄漏所需的時間也會加長。物料泄漏隔離系統(tǒng)亦分為三種等級：直接在工藝儀表或探測器啟動，而無需操作者干預(yù)的隔離或停機系統(tǒng)；操作者在控制室或遠離泄放點的其他合適位置啟動的隔離或停機系統(tǒng)；手動操作閥啟動的隔離系統(tǒng)以及人工堵漏等。同樣，隨著隔離水平的逐步降低，相對應(yīng)的隔斷泄漏所需的時間也會加長。

3　泄漏案例計算

選擇某化工企業(yè)液氨儲罐出料管道全管徑破裂引起的泄漏事故場景，分別采用液相流、氣相流及兩相流泄漏計算公式核算液氨的泄漏速率，并根據(jù)該液氨儲罐的設(shè)計操作水平確定泄漏時間進而計算泄漏量。

該工廠液氨儲罐附近安裝有可燃和有毒氣體探測器，并與DCS控制系統(tǒng)和緊急切斷閥聯(lián)鎖。當(dāng)發(fā)生液氨泄漏時，會觸發(fā)可燃和有毒氣體探測器報警，同時DCS系統(tǒng)和緊急切斷閥迅速響應(yīng)，可在40 s左右截斷泄漏，故本計算案例的泄漏時間確定為40 s。

案例計算中泄漏速率計算參數(shù)如表2所示，泄漏速率及泄漏量計算結(jié)果如表3所示。

表2　泄漏速率計算參數(shù)一覽表Table 2　Calculation parameters of release rate

表3　泄漏速率計算結(jié)果Table 3　Calculation result of release rate

由表3可見，針對同一種泄漏事故情景，采用液相流泄漏速率公式計算得到的泄漏速率最為保守，兩相流次之，氣相流計算結(jié)果最小。

4　結(jié)　語

環(huán)境風(fēng)險評價中的物料泄漏速率可采用液相流計算公式、氣相流計算公式或兩相流液相公式，在實際評價過程中應(yīng)根據(jù)泄漏物料性質(zhì)、泄漏場景及各個公式的適用條件選擇合適的泄漏速率計算公式。裂口面積是物料泄漏速率計算中的一個關(guān)鍵參數(shù)，建議大于150 mm管徑的管道可采用20%破裂管徑計算泄漏速率，150 mm及以內(nèi)管徑的管道則應(yīng)采用20%和100%破裂管徑分別計算泄漏速率。物料泄漏時間則應(yīng)根據(jù)項目裝置物料泄漏探測系統(tǒng)水平及物料泄漏隔離手段水平綜合確定，如無明確項目信息建議采用30 min這一相對保守的時間作為泄漏時間。在無法明確某一復(fù)雜泄漏情景下的物料流態(tài)時，建議優(yōu)先使用液相流泄漏速率計算模型進行保守計算。

[1]張學(xué)勇,遲沁,王錦輝.化工項目環(huán)境影響評價中難點及重點問題的探討[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2009,32(12D):339-341.

[2]國家環(huán)境保護總局.HJ/T 169-2004 建設(shè)項目環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)導(dǎo)則[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2005.

[3]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ/T3046-2013 化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則[S].北京:國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局,2013.

[4]王經(jīng).氣液兩相流動態(tài)特性的研究[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2012:2.

[5]于立見,多英全,師立晨,等.定量風(fēng)險評價中泄漏概率的確定方法探討[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2007,3(6):27-30.

[6]劉光啟,馬連湘,邢志有.化工物性算圖手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:10-11.

[7]劉光啟,馬連湘,劉杰.化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(無機卷)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:105,113,168.

Estimation of Material Release in Environmental Risk Assessment

SHIXiang,ZHANGZhi-lan,ZHANGFeng

(Shanghai Greenment Environmental Technology Co., Ltd., Shanghai 200001, China)

Estimation method of discharge rate and its applicable condition, selection of key calculation parameters and determination of discharge time for material release in environmental risk assessment were summarized. Based on the case study for outlet pipeline release of liquid ammonia tank in a chemical plant, estimation results of discharge rate via three different calculation model were compared. It indicated that the estimated results of discharge rate via liquid flow model were the most conservative. In condition, the material flow status could not be identified well in a complex release scenario, it was recommended to adopt the liquid flow model for a conservative calculation of discharge rate.

environmental risk assessment; material release; discharge rate

石翔(1988-)，女，注冊環(huán)評工程師，主要從事環(huán)境影響評價工作。

X11

A

1001-9677(2016)08-0157-03