化工罐區(qū)重質(zhì)氣體多源泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)研究*

周寧　滕欣　馮磊　李娜娜　魏鈺人

(常州大學(xué)，江蘇省油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　江蘇常州 213016)

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化工罐區(qū)重質(zhì)氣體多源泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)研究*

周寧滕欣馮磊李娜娜魏鈺人

(常州大學(xué)，江蘇省油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江蘇常州 213016)

在模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了罐區(qū)重質(zhì)氣體多源泄漏擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)研究，考察多泄漏源同時(shí)泄漏時(shí)，泄漏源在罐區(qū)的位置、泄漏源間距對(duì)罐區(qū)重質(zhì)氣體漏擴(kuò)散過(guò)程的影響。結(jié)果表明：泄漏源越靠近罐區(qū)邊緣，重質(zhì)氣體擴(kuò)散范圍越大；泄漏源越靠近罐區(qū)中心區(qū)域，周圍罐的阻礙作用較大，中心區(qū)域的重質(zhì)氣體濃度越高；泄漏源間的間距越小，泄漏源中間區(qū)域的重氣濃度越大，泄漏源間的間距增大，氣體擴(kuò)散范圍也增大，事故影響范圍越大；泄漏壓力、體積速率總和相同時(shí)，在一定的距離范圍內(nèi)，多源同時(shí)泄漏時(shí)空間各點(diǎn)的重質(zhì)氣體濃度與各泄漏源單獨(dú)泄漏時(shí)空間各點(diǎn)重質(zhì)氣體濃度總和基本一致。

重質(zhì)氣體多源泄漏泄漏源位置泄漏源間距泄漏疊加效應(yīng)

0　引言

隨著我國(guó)化工園區(qū)的迅猛發(fā)展和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，化工園區(qū)內(nèi)易燃易爆品的種類和數(shù)量均急劇增加，事故風(fēng)險(xiǎn)不斷加大，而其中罐區(qū)重質(zhì)危險(xiǎn)氣體泄漏擴(kuò)散容易引發(fā)事故多米諾效應(yīng)[1-2]，造成巨大人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境破壞。例如：2010年1月7日，中石油蘭州石化公司316罐區(qū)由于裂解碳四罐泄漏發(fā)生燃燒爆炸事故；2013年6月30日,江西省信豐縣工業(yè)園一家化工廠生產(chǎn)區(qū)內(nèi)的甲醇罐爆炸[3]，這些事故均是重氣泄漏引發(fā)燃燒爆炸，造成周圍儲(chǔ)罐破損，并形成了多源泄漏，引發(fā)了事故多米諾效應(yīng)。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)生的罐區(qū)重質(zhì)氣體多源泄漏事故較多，而目前的研究主要集中在單源泄漏擴(kuò)散方面[4]，針對(duì)重質(zhì)氣體多源泄漏擴(kuò)散的研究存在著缺失，對(duì)重質(zhì)氣體多源泄漏擴(kuò)散的影響因素以及規(guī)律的研究較少，在多源泄漏事故應(yīng)急處置中無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)事故后果、事故影響范圍。因此，本文實(shí)驗(yàn)研究了罐區(qū)重質(zhì)氣體多源泄漏擴(kuò)散規(guī)律及其影響因素，以期為多源泄漏事故的應(yīng)急處置提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

本次實(shí)驗(yàn)用二氧化碳?xì)怏w代替危險(xiǎn)重質(zhì)氣體[5]，在室內(nèi)無(wú)風(fēng)狀態(tài)下開(kāi)展。與危險(xiǎn)性重質(zhì)氣體一樣，二氧化碳在大氣中是湍流流動(dòng)，其次二氧化碳?xì)怏w密度與液化石油氣、氯氣等重質(zhì)氣體密度相當(dāng)，都比空氣密度大，泄漏后會(huì)逐漸沿著地面沉降。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要由縮比例模型實(shí)驗(yàn)區(qū)、風(fēng)洞系統(tǒng)、重質(zhì)氣體泄漏系統(tǒng)、GMS環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)[6-7]4部分組成。圖1為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖。

1-通風(fēng)機(jī)；2-抽風(fēng)罩；3-模擬罐區(qū)；4-氣體濃度檢測(cè)傳

(1)縮比例模型實(shí)驗(yàn)區(qū)。該模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以某實(shí)際化工倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)按1:100的比例全尺寸縮比例建成，且滿足國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]。依據(jù)相似理論，模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)泄漏擴(kuò)散過(guò)程相似，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的可靠性，并具有實(shí)驗(yàn)條件可控、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[9]。

(2)風(fēng)洞系統(tǒng)由室外通風(fēng)機(jī)、室內(nèi)風(fēng)罩及風(fēng)量調(diào)節(jié)器等組成，可模擬現(xiàn)場(chǎng)有風(fēng)工況下的罐區(qū)重氣泄漏擴(kuò)散及每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的室內(nèi)廢氣抽排工作。

(3)重質(zhì)氣體泄漏系統(tǒng)主要由二氧化碳鋼瓶、減壓閥、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、橡膠管等組成，可以控制二氧化碳?xì)怏w泄漏的壓力、流量及位置等變量。

(4)GMS環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)由氣體濃度檢測(cè)傳感器、信號(hào)線路、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)記錄和處理軟件組成。其主要功能是將傳感器測(cè)得的重質(zhì)氣體濃度信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行儲(chǔ)存、分析，得到罐區(qū)空間某點(diǎn)重質(zhì)氣體濃度隨著時(shí)間變化關(guān)系。

1.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程

語(yǔ)內(nèi)錯(cuò)誤是由目的語(yǔ)項(xiàng)目?jī)?nèi)部之間互相干擾，或者目的語(yǔ)項(xiàng)目學(xué)習(xí)不完整而導(dǎo)致的,是學(xué)習(xí)者在內(nèi)化的目的語(yǔ)部分規(guī)則系統(tǒng)后,由于理解不準(zhǔn)確或者不完整而導(dǎo)致不能全面運(yùn)用目的語(yǔ)的內(nèi)部干擾錯(cuò)誤。本文主要從詞匯、句法、語(yǔ)篇三類錯(cuò)誤進(jìn)行分析。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了8個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，分別放置二氧化碳濃度檢測(cè)傳感器，如圖2所示(其中在做罐區(qū)邊緣相間、相鄰泄漏實(shí)驗(yàn)時(shí)，將6號(hào)傳感器由圓形位置移動(dòng)到方形位置，其他不變)。實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖3所示。

圖2罐區(qū)傳感器分布圖

圖3實(shí)驗(yàn)流程圖

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1泄漏源相對(duì)位置與相對(duì)間距對(duì)泄漏擴(kuò)散影響

為考查多源泄漏中泄漏源間的間距對(duì)泄漏擴(kuò)散過(guò)程的影響，分別在罐區(qū)邊緣和罐區(qū)中心選取兩組不同間距的儲(chǔ)罐組在相同條件下開(kāi)展泄漏實(shí)驗(yàn)。

2.1.1罐區(qū)邊緣相間罐組與相鄰罐組同時(shí)泄漏

邊緣相間罐組選取F102罐和F104罐進(jìn)行泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，即以F102罐和F104罐作為兩個(gè)泄漏源，同時(shí)以2.5 L/min泄漏量泄漏，泄放壓力為0.1 MPa，測(cè)得檢測(cè)點(diǎn)處的泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)變化曲線，如圖4所示。同理開(kāi)展F102罐和F103罐泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖4F102，F(xiàn)104罐泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)變化

圖5F102，F(xiàn)103罐泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)變化

由圖4可知，6號(hào)傳感器位置(以下簡(jiǎn)稱6號(hào))離泄漏源距離最近，其體積分?jǐn)?shù)也是最高的；7號(hào)和8號(hào)距離泄漏源相同，但7號(hào)氣體濃度略高，主要是因?yàn)?號(hào)位于兩罐中間，由于中間儲(chǔ)罐的影響因素[10],導(dǎo)致最初到達(dá)7號(hào)的氣體不能順利擴(kuò)散出去。隨著時(shí)間的推移，二氧化碳的重氣效應(yīng)發(fā)展到空氣卷吸階段[11]，重質(zhì)氣體濃度減小，同時(shí)由于障礙物的影響，擴(kuò)散到7號(hào)位置的氣體重量減少；4號(hào)位置距泄漏源稍遠(yuǎn)且周邊環(huán)境較空曠，所以氣體濃度較小；氣體濃度最小的是3號(hào)位置，最主要的原因是距離泄漏源最遠(yuǎn)。

圖5顯示的趨勢(shì)與圖4基本一致，主要差異在于相鄰泄漏源實(shí)驗(yàn)的6號(hào)處重質(zhì)氣體濃度要高于相間泄漏源實(shí)驗(yàn)的該位置處氣體濃度。分析認(rèn)為對(duì)于邊緣相鄰泄漏，6號(hào)位于兩泄漏源之間，當(dāng)兩泄漏源相距很近時(shí)，兩源泄漏之間的區(qū)域的空氣卷吸受到限制，卷吸不充分而形成相互吸附，最后由兩泄漏源匯聚成單一泄漏擴(kuò)散[3]。因此兩泄漏源中間區(qū)域氣體濃度會(huì)增大。而兩泄漏源距離較大時(shí)，形成兩源各自擴(kuò)散，對(duì)中間6號(hào)影響較小。所以泄漏源間距越小，對(duì)中間區(qū)域氣體濃度影響越大。

2.1.2罐區(qū)中心相間罐組與相鄰罐組同時(shí)泄漏

圖6F103，F(xiàn)105罐泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)變化

圖7F104，F(xiàn)105罐泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)變化

罐區(qū)中心相間罐組實(shí)驗(yàn)是以F103罐和F105罐作為泄漏源，傳感器布置不變，相對(duì)于泄漏源是對(duì)稱分布的。如圖6所示，4號(hào)，6號(hào)測(cè)得的重質(zhì)氣體濃度時(shí)程曲線幾乎重合，這是因?yàn)閮蓚鞲衅髋c泄漏源距離相同，周圍環(huán)境相同，所以測(cè)得的氣體濃度也相同；5號(hào)，7號(hào)也是對(duì)稱放置的，但是7號(hào)距地面的位置比5號(hào)高，所以7號(hào)更容易測(cè)得浮力上升后的二氧化碳?xì)怏w；其他曲線都是和前面的分析一致，由于與泄漏源距離的不同或周圍環(huán)境(周邊有障礙物等)不同造成重質(zhì)氣體濃度分布的差異。

圖7為罐區(qū)中心相鄰罐組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其他檢測(cè)位置的濃度時(shí)程曲線都比4,6號(hào)低很多，即重質(zhì)氣體濃度低很多。因此可以得出，泄漏源間距小，從而兩股泄漏匯成一股，對(duì)周邊檢測(cè)點(diǎn)影響變小?；蛘哒f(shuō)，兩源間距越大，影響范圍越大。

2.2多源泄漏擴(kuò)散的疊加效應(yīng)

多源泄漏疊加實(shí)驗(yàn)主要研究在總泄漏壓力、流量相同時(shí)，把多個(gè)泄漏源單獨(dú)泄漏后測(cè)得的數(shù)據(jù)加和，然后與多個(gè)泄漏源同時(shí)泄漏測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析多源單獨(dú)泄漏與同時(shí)泄漏時(shí)的關(guān)系[12]。

2.2.1兩源泄漏擴(kuò)散的疊加效應(yīng)

為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具代表性和普遍性，開(kāi)展了兩源不同間距、不同泄漏位置的多條件下的實(shí)驗(yàn)，即邊緣相間、邊緣相鄰、中心相間、中心相鄰4種情況下的泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)。對(duì)應(yīng)泄漏源罐組分別為：F102罐和F104罐、F102罐和F103罐、F103罐和F105罐、F103罐和F104罐。為證明實(shí)驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確性，分別選取罐區(qū)前、后和邊緣位置對(duì)應(yīng)的2號(hào)、4號(hào)和8號(hào)檢測(cè)點(diǎn)，處理數(shù)據(jù)后分別見(jiàn)圖8～11。

圖8　邊緣相間罐泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)變化

圖9　邊緣相鄰罐泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)變化

圖11　中心相鄰罐泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)變化

由圖8～11可看出，兩個(gè)泄漏源在不同間距、不同泄漏位置的實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行疊加處理后，距離泄漏源越近的傳感器濃度與同時(shí)泄漏時(shí)的濃度有一定差異，這是因?yàn)橥瑫r(shí)泄漏時(shí)，泄漏量增大更易形成重質(zhì)氣體云團(tuán)，加快重氣效應(yīng)進(jìn)程使得此區(qū)域氣體濃度減??；而其他大部分位置處的重質(zhì)氣體濃度時(shí)程曲線都是基本重合的。因此，在一定的距離范圍內(nèi)、總泄漏壓力、流量相同時(shí)，兩源同時(shí)泄漏與兩泄漏源單獨(dú)泄漏加和的氣體濃度分布基本一致。

2.2.2三源泄漏擴(kuò)散的疊加效應(yīng)

為驗(yàn)證多源泄漏是否符合上述規(guī)律，選取三源相間(F102罐，F(xiàn)104罐和F106罐同時(shí)泄漏)和三源相鄰(F103罐，F(xiàn)104罐和F105罐同時(shí)泄漏)兩種工況開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。所選取的泄漏源在罐區(qū)中是對(duì)稱分布的，以檢測(cè)點(diǎn)2號(hào)、4號(hào)、7號(hào)、8號(hào)為例。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12　三源相間罐泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)變化

圖13　三源相鄰罐泄漏氣體體積分?jǐn)?shù)變化

由圖12、圖13可以看出各傳感器測(cè)得的三個(gè)泄漏源分別泄漏與同時(shí)泄漏的重質(zhì)氣體濃度比較接近，即多源分別泄漏加和與多源同時(shí)泄漏工況下各個(gè)位置的重質(zhì)氣體濃度時(shí)程曲線基本重合。因此，三源泄漏擴(kuò)散也滿足泄漏疊加效應(yīng)。

3　結(jié)論

(1)在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，重質(zhì)氣體泄漏之后，以分子熱運(yùn)動(dòng)方式沿地表向四周擴(kuò)散，當(dāng)罐區(qū)多泄漏源間的間距較小即兩罐相鄰時(shí)，多源泄漏的重氣易相互吸附匯聚成單源再擴(kuò)散，將出現(xiàn)濃度加和現(xiàn)象，處于罐區(qū)中部的泄漏通常濃度較高，擴(kuò)散區(qū)域較小，危險(xiǎn)性較大。

(2)當(dāng)泄漏源之間的距離增大時(shí)，泄漏源之間的區(qū)域重氣濃度會(huì)減小，但多源周圍的氣體濃度增加較快，擴(kuò)散區(qū)域較大。

(3)兩源和三源泄漏擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明：無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，泄漏壓力、體積速率總和相同時(shí)，各泄漏源單獨(dú)泄漏后測(cè)得的重氣濃度加和結(jié)果與多泄漏源同時(shí)泄漏時(shí)的濃度分布基本一致。因此，對(duì)于重氣罐區(qū)，適當(dāng)設(shè)置地表實(shí)體圍欄，有助于防止泄漏氣體的擴(kuò)散；當(dāng)發(fā)生多點(diǎn)泄漏時(shí)，可按多源泄漏擴(kuò)散的疊加效應(yīng)分析計(jì)算泄漏影響范圍，以便科學(xué)確定疏散和警戒范圍。

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滕欣，常州大學(xué)碩士研究生。

Experiment Research on Multi-source Leakage and Diffusion of Heavy Gas for Chemical Storage Tank Farm

ZHOU NingTENG XinFENG LeiLI NanaWEI Yuren

(JiangsuProvincekeylaboratoryofoilandgasstorageandtransportationtechnology，ChangzhouUniversityChangzhou,Jiangsu213016)

This is an experiment research about multi-source leakage and diffusion of heavy gas at tank farm on the simulation experiment platform. It is investigated the influence of the position of leakage source in tank farm and the distance between leakage sources on heavy gas leakage and diffusion process when in the multi-source leakage process. The results show that leakage points in tank farm are more closer to the edge, the range of heavy gas diffusion is larger. More closer leakage points to the center region of the tank farm, the greater hindering effect of the tank around and the concentration of heavy gas in central region is higher; the smaller distance between leakage sources, the greater the harm to the central region; the larger distance between leakage sources , the larger range of gas diffusion; when the total leakage pressure and volume rates are equal, in a certain range, the heavy gas concentration at the space point of multi-source leakage and diffusion is basically the same with the sum of heavy gas concentration in corresponding positions of each single source leakage and diffusion. Key Wordsheavy gasmulti-source leakageleakage source locationleakage source distanceleakage superposition effect

2015-06-18)

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(51204026)，江蘇省高校“‘青藍(lán)工程’資助” (SCZ1409700002)。

周寧，男，1977年生，博士，副教授，目前主要從事爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)、油氣爆炸安全、油氣儲(chǔ)運(yùn)工程等方面的研究。