結(jié)合Fluent的液氨泄漏擴散模擬及中毒定量評估

江 南,陳玉明

(昆明理工大學 國土資源工程學院,云南 昆明 650093)

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結(jié)合Fluent的液氨泄漏擴散模擬及中毒定量評估

江 南,陳玉明

(昆明理工大學 國土資源工程學院,云南 昆明 650093)

運用Fluent數(shù)值模擬軟件計算分析液氨泄漏擴散濃度場及擴散規(guī)律,并與基于高斯煙羽模型的理論計算結(jié)果相對比,驗證其結(jié)果的可靠性。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和暴露時間,對人員在靜止狀態(tài)及疏散狀態(tài)下的死亡百分率進行定量評估。結(jié)果表明結(jié)合Fluent數(shù)值模擬的急性中毒定性評估方法能夠直觀、動態(tài)、可靠的反應(yīng)泄漏擴散的范圍及影響,具有良好的應(yīng)用前景。

液氨泄漏;Fluent;高斯煙羽模型;中毒;定量評估

氨是化工行業(yè)重要的原材料之一,企業(yè)通常用物理方法使其處于液化狀態(tài)并置于壓力容器中以便于儲存及運輸[1]。近年來液氨泄漏事故多次發(fā)生,除了人員傷亡和財產(chǎn)損失外,對周圍生態(tài)環(huán)境也造成了不可逆的損害。目前對泄漏中毒危害的研究主要有三種方法:理論計算、現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬[2]。數(shù)值模擬可以準確得到泄漏場的濃度分布,彌補了理論計算與現(xiàn)場試驗的不足,將其模擬結(jié)果結(jié)合中毒劑量反應(yīng)模型,可對液氨泄漏中毒危害進行定量評估。

1 液氨泄漏擴散數(shù)值模擬

1.1 液氨泄漏CFD控制方程

對液氨泄漏事故進行數(shù)值模擬,可以借助以流體運動為研究對象的計算流體動力學(CFD,computational fluid dynamics)模型,常用的CFD軟件有Fluent、CEX、FLOW3D等。選用目前國際上最為通用的Fluent進行模擬,建立無化學反應(yīng)的組分運輸模型[3],通過離散化守恒方程并對其迭代求解,可以得到泄漏氣體的實時濃度場,該方程為

(1)

其中:ρ為氣體密度(kg/m3);Yi為組分i質(zhì)量分數(shù)(kg/s);Ji為組分i質(zhì)量擴散(m2/s);Si為離散源項導(dǎo)致的額外參數(shù)速率(m/s)。

1.2 模擬場景簡介

事故場景選定公稱直徑15 m的液氨儲罐為泄漏源,最大貯存量為1 700 t,儲存溫度保持15 ℃,內(nèi)部壓力控制在1.6 MPa;假設(shè)儲罐發(fā)生泄漏速度為9.6 m2/s的連續(xù)泄漏,泄漏口為圓形,面積1×10-4m2,得出泄漏源強為3 kg/s。泄漏時周圍環(huán)境溫度20℃ ,風速自左向右0.8 m/s,泄漏模擬時間為1 000 s。

1.3 模擬結(jié)果及分析

為獲得目標結(jié)果,通過后處理截取水平面來顯示模擬情況。持續(xù)泄漏時間分別為50 s、100 s、200 s、400 s、700 s、1 000 s時數(shù)值模擬的濃度時空分布見圖1。

從圖1可以看出液氨泄漏后受風力影響,在順風方向擴散速度快、濃度高,而垂直風向方向擴散速度慢、濃度小,表明在風力作用下的擴散速度遠大于氨氣自身的擴散速度,因此一旦發(fā)生液氨泄漏事故,應(yīng)及時沿垂直風向的方向撤離。

圖1 液氨泄漏擴散模擬Fig.1 Liquid ammonia leakage diffusion simulated diagram

根據(jù)氨氣致死區(qū)、重傷區(qū)和致傷區(qū)的劑量標準,結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果,可以得出液氨泄漏后下風向致死區(qū)、重傷區(qū)和致傷區(qū)距離分別為335 m、650 m、1 402 m。處于致死區(qū)的人員會重度中毒,危及生命;重傷區(qū)中人員有中度中毒危險,人體不適反應(yīng)強烈;人員若長時間在致傷區(qū)停留會導(dǎo)致輕度中毒。企業(yè)可以根據(jù)該結(jié)果合理制定疏散方案,減少人員傷亡。

2 液氨泄漏擴散理論計算

連續(xù)泄漏和瞬時泄漏是液氨儲罐泄漏的兩種形式,液氨連續(xù)泄漏是由于儲罐連接附件或罐體裂縫損壞而導(dǎo)致,而瞬時泄漏則是由于罐體內(nèi)部超壓而引起的爆炸事故[4]。在研究氣體泄漏擴散濃度時通常采用高斯擴散模型,其中計算連續(xù)泄漏采用高斯煙羽模型,計算瞬時泄漏采用高斯煙團模型[5]。液氨泄漏是連續(xù)擴散的過程,因此采用高斯煙羽模型公式來估算擴散濃度,取泄漏點為坐標原點,X軸與主導(dǎo)風向順風方向一致。高斯煙羽模型公式為

其中:C(x,y,z)為下風向某一位置的污染物質(zhì)量濃度(kg/m3);Q為泄漏物質(zhì)量流量(kg/s);u為平均風速(m/s);σy、σz分別為 y、z方向上的擴散參數(shù);H為有效源高(m)。

根據(jù)公式(2),代入風速與距離可以得到下風向 1.5 m高度(相當于人員口鼻高度)不同距離處擴散理論質(zhì)量濃度值,見表1。

表1 風向 1.5 m高度不同距離處的濃度值

將數(shù)值模擬結(jié)果與理論計算值對比,比較結(jié)果見圖2。

根據(jù)圖2可得,數(shù)值模擬獲得的值較理論值更為保守,其數(shù)據(jù)差異均在5%以內(nèi),極為接近,說明Fluent數(shù)值模擬對液氨泄漏擴散的模擬可為企業(yè)獲得可信度較高的參考。相比理論計算,數(shù)值模擬的高效性、可視性使得其更受研究者和企業(yè)的青睞,淺顯易見的濃度分布圖使得不管是桌面演練還是全面演練都有可靠的科學理論支撐。

3 液氨泄漏急性中毒定量評估

3.1 中毒劑量反應(yīng)模型

目前主要利用概率函數(shù)法來描述毒物對人體的危害程度,該方法由人體接觸毒物的濃度、性質(zhì)常數(shù)以及接觸時間確定[6]。毒物對評估對象所造成危害的概率為

圖2 理論值與數(shù)值模擬值的比較Fig.2 Comparison between theoretical values and numerical simulation values

(3)

其中:Y為死亡概率;a,b為毒物性質(zhì)常數(shù);V為毒物劑量,其計算方法為

(4)

其中:C為毒物體積濃度(×10-6);n為濃度指數(shù);t為接觸時間(min);t0、tend分別為接觸開始和結(jié)束時間;Ci為間隔時間內(nèi)毒物濃度;Δti為間隔時間;K為間隔時間總數(shù)。

概率Y與中毒死亡百分率P之間的關(guān)系為

(5)

將氨氣的毒物性質(zhì)代入式(5),可得到氨氣中毒劑量反應(yīng)模型為

(6)

根據(jù)式(6)可對液氨儲罐泄漏時不同位置、不同時間的人員中毒危害進行定量評估。

3.2 靜止狀態(tài)急性中毒評估

液氨泄漏后氨氣在空氣中擴散,人員在靜止狀態(tài)下隨距離與暴露時間不同,死亡百分率也有所不同。靜止狀態(tài)下人員暴露死亡百分率曲線見圖3。

從圖3中可以看出,與泄漏源的距離越近或暴露時間越長,死亡百分率越高。距離泄漏口100 m可在5 min達到94%死亡率,在泄漏源下風向200 m處25 min時死亡概率仍達到55%(暴露5 min的死亡百分率為0),可見及時撤離危險濃度區(qū)域的重要性。

圖3 靜止狀態(tài)下人員暴露死亡百分率曲線Fig.3 Exposure mortality percentage curve graph of personnel in the stationary state

通過人員靜止狀態(tài)急性中毒評估與泄漏時間發(fā)生點相結(jié)合,可獲得周邊受影響區(qū)域每一點的死亡百分率。企業(yè)組織應(yīng)急救援演練時,可以將靜止狀態(tài)急性中毒評估中周邊區(qū)域內(nèi)死亡概率較大的居民加入應(yīng)急演練,同時對這一區(qū)域的居民進行必要的預(yù)防教育,以便收到警報或自身發(fā)現(xiàn)后能立即撤離現(xiàn)場或采取防護措施。

3.3 疏散狀態(tài)急性中毒評估

在實際工作過程中出現(xiàn)液氨泄露時,現(xiàn)場工作人員發(fā)現(xiàn)后會立即按應(yīng)急預(yù)案規(guī)定路線疏散,因此對近距離工作人員在疏散過程中的急性中毒風險進行定量評估十分重要[7]。設(shè)置監(jiān)測點與泄漏源距離分別為100 m、200 m、300 m、400 m、500 m,高度為1.5 m,記為P1～P5。人員經(jīng)過監(jiān)測點時的質(zhì)量濃度見表2。

表2 人員經(jīng)過檢測點時的質(zhì)量濃度值

根據(jù)公式(6)可得:疏散的過程中死亡百分率為3.15%,對于近距離工作人員,若疏散不及時,在5 min時死亡概率就高達95%,據(jù)此可見日常應(yīng)急疏散演練的重要性。

通過人員疏散狀態(tài)下的急性中毒定量分析,企業(yè)可以制定更加合理的應(yīng)急疏散路線。平時注意保持該路線的暢通,避免發(fā)生泄漏事故時道路阻礙的情況,特別是儲罐區(qū)域內(nèi)的工作人員,必須熟知發(fā)生泄漏時的最佳撤離路線。

4 結(jié)論

(1) Fluent數(shù)值模擬結(jié)果能直觀反映液氨儲罐泄漏后氨氣在空氣中的擴散情況,風力作用下的氨氣的擴散速度遠大于其自身的擴散速度,氨氣濃度在水平方向隨距離逐漸減弱。因此一旦發(fā)生液氨泄漏事故,應(yīng)逆風或垂直于風向方向疏散至安全區(qū)域,最大限度減少人員傷亡。

(2) 對比同一位置數(shù)值模擬測量結(jié)果與理論計算結(jié)果,得到其誤差在5%以內(nèi),說明Fluent模擬液氨泄漏擴散結(jié)果直觀、動態(tài)、可靠,可為企業(yè)提供良好參照。

(3) 采用中毒劑量反應(yīng)模型對人員在靜止及疏散過程中的中毒概率進行定性評估,結(jié)合靜止狀態(tài)急性中毒評估可制定周圍居民應(yīng)急方案,根據(jù)疏散狀態(tài)急性中毒評估可規(guī)劃近距離操作人員應(yīng)急撤離路線,為液氨泄漏事故應(yīng)急救援與疏散提供指導(dǎo)。

(4) 結(jié)合Fluent數(shù)值模擬的液氨泄漏中毒定量評估方法,可以定量的對任意位置及任意時間人員的死亡百分率進行評估,彌補了定性評價及經(jīng)驗公式得出概率不準確的不足,同時也可以為相似毒物泄漏中毒評估提供方法。

[1] 柳紅衛(wèi),黃沿波.液氨泄漏風險評估和風險分級方法[J].安全與環(huán)境工程,2010,17(1):70-74.

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[3] 李景貴.煤層氣地面集輸泄漏擴散模擬及風險評價研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學,2014.

[4] 孫東亮,蔣軍成,張明廣.液氨儲罐泄漏擴散模型的改進研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2011,37(1):27-29,40.

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Liquid Ammonia Leakage Diffusion Simulation and Poisoning Quantitative Evaluation Combined with Fluent

Jiang Nan,Chen Yuming

(Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China)

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 evaluation 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.

Liquid ammonia leakage;Fluent;Gaussian plume model;Poison;Qualitative evaluation

Jiang Nan,Chen Yuming.Liquid Ammonia Leakage Diffusion Simulation and Poisoning Quantitative Evaluation Combined with Fluent[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(6):69-72.[江南,陳玉明.結(jié)合Fluent的液氨泄漏擴散模擬及中毒定量評估[J].甘肅科學學報,2016,28(6):69-72.]

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.06.014.

2015-12-30;

2016-04-02.

江南(1992-),女,云南紅河人,碩士研究生,研究方向為安全技術(shù).E-mail:hijiangnan@qq.com.

X928

A

1004-0366(2016)06-0069-04