基于MATLAB的鉬化工企業(yè)中液氨儲罐泄漏擴散及爆炸危險區(qū)域研究

潘 東，趙江平

(1.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西 西安 710055)(2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司化學(xué)分公司，陜西 渭南 714000)

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基于MATLAB的鉬化工企業(yè)中液氨儲罐泄漏擴散及爆炸危險區(qū)域研究

潘 東1，2，趙江平1

(1.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西 西安 710055)(2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司化學(xué)分公司，陜西 渭南 714000)

液氨儲罐是鉬化工企業(yè)安全管理的重點。本文運用MATLAB模擬仿真軟件，采用高斯羽流模型和蒸氣云爆炸模型，研究液氨儲罐的泄漏擴散影響因素和爆炸過程，確定液氨的擴散中毒危險區(qū)域和爆炸傷害危險區(qū)域。

液氨 ；高斯模型 ；蒸氣云爆炸；危險區(qū)域

0 前 言

鉬化工企業(yè)生產(chǎn)多鉬酸銨，主要輔料就包括液氨等危險化學(xué)品。近年來，隨著鉬化工企業(yè)的技術(shù)改造升級，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，液氨用量也逐年增加。由于液氨屬于有毒、易燃、易爆物質(zhì)，若發(fā)生泄漏，揮發(fā)擴散后會造成一定區(qū)域內(nèi)人員的急性中毒。當(dāng)短時間大量液氨在空氣中擴散，與空氣混合形成爆炸性混合氣體，遇火源，就有可能發(fā)生蒸氣云爆炸。

近幾年來就發(fā)生了多起液氨泄漏中毒、火災(zāi)爆炸事故，造成了嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟財產(chǎn)損失。如2013年6月3日，吉林寶源豐禽業(yè)有限公司發(fā)生特別重大火災(zāi)爆炸事故，同時引發(fā)液氨管道爆炸，共造成121人死亡；2013年8月31日，上海翁牌冷藏實業(yè)有限公司發(fā)生液氨泄漏事故，導(dǎo)致15人死亡。所以，液氨的安全使用和儲存不容輕視。本文運用MATLAB模擬仿真軟件，采用高斯羽流模型研究液氨泄漏擴散的影響，確定擴散中毒危險區(qū)域，同時利用蒸氣云爆炸模型研究液氨爆炸過程，確定爆炸沖擊波傷害的危險區(qū)域。

1 液氨的性質(zhì)

1.1 理化性質(zhì)

液氨，又稱無水氨，是一種有特殊強烈刺激氣味的無色液體，極易溶于水。分子量為17，通常是將氣態(tài)的氨氣通過加壓或冷卻的方式得到液態(tài)氨，沸點為-33.42 ℃。液氨具有強揮發(fā)性，氣化揮發(fā)會吸收大量的熱量，使周圍環(huán)境溫度急劇降低。爆炸極限為15.7%～27.4%，與空氣混合能形成爆炸性氣體，最易引燃濃度為17%，產(chǎn)生最大爆炸壓力時的濃度為22.5%。

1.2 毒害特性

氨在常溫下呈氣態(tài)，比空氣輕，對人體上呼吸道有刺激和腐蝕作用?！段ｋU化學(xué)品目錄(2015版)》中將氨定為：易燃氣體、急性毒性、皮膚腐蝕/刺激、嚴重眼損傷/眼刺激等。不同濃度氨氣對人體健康的危害情況見表1[1]。

表1 不同濃度氨氣對人體的危害

2 研究對象與事故模擬

2.1 研究對象

本文以某企業(yè)的常溫液氨儲罐作為研究對象進行模擬。該企業(yè)所處地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)，最大風(fēng)速15.3 m/s，平均風(fēng)速1.93 m/s，該地區(qū)一般白天大氣穩(wěn)定度為A，夜間大氣穩(wěn)定度為D[2]。

該企業(yè)危險化學(xué)品庫區(qū)設(shè)置有2臺60 m3液氨臥式常溫儲罐，幾何尺寸均為φ2 800 mm×1 0952 mm，設(shè)計壓力2.16 MPa，設(shè)計溫度50 ℃，液氨的密度為0.603 kg/L(25 ℃)，罐體日常最大充裝系數(shù)為0.8。儲罐上方頂棚采用輕質(zhì)彩鋼瓦頂棚，四周開放式存放。由于兩臺儲罐交替使用，本文模擬一臺儲罐在事故狀態(tài)下，研究其泄漏擴散和爆炸危險區(qū)域。

2.2 儲罐泄漏擴散模擬

液化氣體泄漏分為兩種方式:瞬時泄漏擴散和連續(xù)泄漏擴散。高斯模型分為煙團模型和煙羽模型，煙團模型適用于瞬時泄漏擴散，如容器突然爆炸導(dǎo)致其內(nèi)部介質(zhì)瞬間釋放出來的情況；而煙羽模型適用于連續(xù)泄漏擴散。本文主要采用高斯煙羽模型對液氨儲罐泄漏擴散進行研究。

2.2.1 確定泄漏速率

小孔泄露公式如下：

式中:Q為泄漏速率，kg/s；Cdg為泄漏系數(shù)，取1.00；A為泄漏面積，m2；P為儲罐內(nèi)的壓力，Pa；M為氣體分子量,kg/mL；R是氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；k是絕熱指數(shù)；T為氣體絕對溫度，K； 常見的罐裝氣體具體的絕熱指數(shù)和臨界壓力見表2[3]。

表2 常見的罐裝氣體具體的絕熱指數(shù)和臨界壓力

本文模擬儲罐頂部泄漏，泄漏口為半徑為25 mm的圓形，面積為0.001 96 m2。儲罐內(nèi)壓力為1.2 MPa，泄漏時的溫度為年平均氣溫，13.7 ℃。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入，計算泄漏速率為：Q=4.28 kg/s。

2.2.2 液氨擴散煙羽模型

在泄漏過程中，儲罐的壓力和液氨密度將隨著泄漏量的增加而改變，為了簡化計算，假設(shè)儲罐的密度和液氨的壓力不變。模擬不同大氣穩(wěn)定度和不同風(fēng)速下連續(xù)泄漏擴散的情況,選擇高斯煙羽模型[4]，公式如下：

式中：C為氣云中危險物質(zhì)濃度，mg/m3；Q為連續(xù)泄漏速率，mg/s；μ為風(fēng)速，m/s；σx為x方向的擴散系數(shù)，m；σy為y方向的擴散系數(shù)，m；z為濃度測量點高度，m；x、y為觀察對象距離液氨儲罐的下風(fēng)向和橫風(fēng)向距離，m； H為有效源高，m。對于連續(xù)泄漏的情況，所采用的城市擴散系數(shù)見表3[5]。

表3 城市不同大氣穩(wěn)定度下的擴散系數(shù)

2.2.3 危險區(qū)域劃分

根據(jù)氨氣閾值和國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，參照表1可得出：360～1 390 mg/m3為輕度傷害區(qū)；1 390～3 500 mg/m3為重度傷害區(qū)；>3 500 mg/m3為立即致死區(qū)。故本文取360 mg/m3、1 390 mg/m3和3 500 mg/m3作為觀測對象。

2.2.4 模擬過程

在以上模擬條件的基礎(chǔ)上，采用高斯煙羽模型，使用MATLAB軟件進行編程，先進行泄漏速率、擴散范圍的數(shù)值計算，然后模擬液氨泄漏導(dǎo)致人員輕傷、重傷、死亡的區(qū)域范圍。主要分析了距地面1.5 m(正常人口鼻距離地面的平均高度)，白天(大氣穩(wěn)定度為A)、夜間(大氣穩(wěn)定度為D)及靜風(fēng)(0.1 m/s)、平均風(fēng)速(1.93 m/s)、最大風(fēng)速(15.3 m/s)的等濃度曲線，MATLAB分析結(jié)果見圖1。

圖1 不同條件下液氨泄漏危險區(qū)域等濃度圖

2.3 蒸氣云爆炸模擬

2.3.1 爆炸介質(zhì)TNT當(dāng)量計算

計算公式如下：

WTNT=(1.8αWHC)/QTNT

式中：WTNT—爆炸介質(zhì)的TNT當(dāng)量，kg；

α—爆炸系數(shù)，取0.04；

W—爆炸介質(zhì)的質(zhì)量，kg；

HC—爆炸介質(zhì)的燃燒熱，kJ/kg；

QTNT—TNT的爆炸熱，kJ/kg，QTNT=4.52×103kJ/kg。

2.3.2 爆炸后危害程度分析

若儲罐內(nèi)的液氨全部泄漏并發(fā)生蒸氣云爆炸[6]，其危險性可以通過計沖擊波造成的死亡半徑、重傷半徑和輕傷半徑來計算，公式如下：

(1)死亡區(qū)域：外徑為R0.5，死亡半徑與爆炸量間的關(guān)系如下：

(2)重傷區(qū)域：內(nèi)徑即死亡半徑R0.5，外徑為Rd0.5。在這種情況下，重傷半徑可以用以下公式進行計算：

ΔPs=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

(3)輕傷區(qū)域：內(nèi)徑則是重傷半徑Rd0.5，外徑為Rd0.01，輕傷半徑可用以下公式進行計算：

ΔPs=0.137Z-3+0.119Z-2+0.269Z-1-0.019

用MATLAB軟件計算得到：WTNT=10 445.4 kg；死亡半徑R0.5=32.4 m，重傷半徑Rd0.5=84.4 m，輕傷半徑Rd0.01=151.7 m。

3 結(jié) 論

本文以某鉬化工企業(yè)液氨儲罐作為模擬對象，使用MATLAB軟件進行泄漏擴散和蒸氣云爆炸模擬分析。一方面模擬了氣相連續(xù)擴散過程，劃分其泄漏擴散造成的危險區(qū)域，并對不同大氣穩(wěn)定度、不同風(fēng)速的擴散情況進行了對比。另一方面模擬了單個儲罐全部泄漏發(fā)生蒸氣云爆炸，計算了傷亡半徑。通過分析可以得到以下結(jié)論：

(1)白天和夜間的日照差異造成大氣穩(wěn)定度不同，在風(fēng)速和泄漏速率相同的情況下，夜間較白天，泄漏擴散所造成的致死區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)面積更大。

(2)空氣流動速度增加導(dǎo)致大氣趨向穩(wěn)定，有效減小泄漏源的擴散面積，因此當(dāng)風(fēng)速增大時，對于同一泄漏源強和相同大氣穩(wěn)定度，其泄漏擴散所造成的危險區(qū)域面積變小。

(3)單個液氨儲罐內(nèi)的液氨全部泄漏，發(fā)生蒸氣云爆炸：死亡半徑R0.5=32.4 m，重傷半徑：Rd0.5=84.4 m，輕傷半徑：Rd0.01=151.7 m。

(4)通過以上分析，形象、直觀模擬了儲罐事故狀態(tài)下的危險區(qū)域，MATLAB模擬結(jié)果可以為事故狀態(tài)下企業(yè)、政府的應(yīng)急救援和組織人員疏散提供參考數(shù)據(jù)，能夠更好地指導(dǎo)鉬化工企業(yè)做好重大危險源的安全管理工作。

[1] 中華人民共和國衛(wèi)生部.GBZ1 2002 工業(yè)企業(yè)設(shè)計衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S].2010.

[2] 王 丹,趙江平,劉冬華,等.基于高斯模型的液氨儲罐泄漏擴散仿真分析[J].環(huán)境工程,2016, 34(7):140-144.

[3] 劉新星,劉忠熳.液氨泄漏事故的污染擴散模擬研究[J].黑龍江水利科技,2014(12):34-36.

[4] 劉 茂.事故風(fēng)險分析理論與方法[M].北京大學(xué)出版社:2015:5.

[5] HJ/2. 2-2011 環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則—大氣環(huán)境[S].[6] 呂 奎.液化石油氣儲罐爆炸模擬與應(yīng)急決策研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，2012.

更正聲明

本刊2017年 第1期第56頁，徐愛華、高海亮撰寫的“2016年全球鉬市場回顧及后市展望”一文中的圖1和圖2內(nèi)容有誤，現(xiàn)更正如下，特向本文作者和廣大讀者致歉！

RESEARCH ON DANGEROUS AREA OF THE LEAKAGE AND EXPLOSION FROM LIQUID AMMONIA TANK OF MOLYBDENUM CHEMICAL ENTERPRISES BASED ON MATLAB

PAN Dong1，2，ZHAO Jiang-ping1

(1.College of Materials & Mineral Resources, Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, Shaanxi,China)(2. Chemistry Branch, Jinduicheng Molybdenum Co., Ltd., Weinan 714000, Shaanxi, China)

Liquid ammonia tank is the key point of safety management in molybdenum chemical enterprises. Using the MATLAB software， the Gaussian plume model and Vapor cloud explosion model, the liquid ammonia leakage and diffusion effect factors and explosion process were studied and diffusion of liquid ammonia poisoning dangerous area and explosion damage dangerous area were determined.

liquid ammonia; Gaussian plume model; vapor cloud explosion model; dangerous zone

圖1 2006～2016年國際鉬價

圖2 2013～2016年國內(nèi)鉬價

2017-01-20；

2017-02-23

潘 東(1987—)，男，注冊安全工程師，西安建筑科技大學(xué)安全工程在職碩士研究生，主要從事安全技術(shù)及管理工作。E-mail：179085246@qq.com

10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2017.02.006

X937

A

1006-2602(2017)02-0027-04