液氨泄漏事故擴散模擬

武偉男++楊平

摘 要：系統(tǒng)對比了高斯多煙團模式與SLAB模型模擬液氨儲罐泄漏后的氨氣擴散特征。結(jié)果表明，兩種模型的模擬結(jié)果存在較為明顯差異。在模擬設(shè)定條件下，事故發(fā)生點下風(fēng)向60～2000 m范圍內(nèi)，SLAB模型得到的最高濃度高于多煙團模式，前者是后者的1.01～35.2倍，且差別隨距離增大而增大。事故發(fā)生點下風(fēng)向600 m以內(nèi)，SLAB模型模擬得到的橫向影響距離大于多煙團模式；而在下風(fēng)向600 m以外，多煙團模式模擬得到的橫向距離大于SLAB模型，差距隨下風(fēng)向距離增加而增大。下風(fēng)向同一地點，SLAB模型得到的氨氣最高濃度出現(xiàn)時間較多煙團模式較早，SLAB模型計算得到的氨氣煙團出現(xiàn)到消散時間也較多煙團模式更短。上述結(jié)果可為化學(xué)品泄漏導(dǎo)致突發(fā)環(huán)境事件的預(yù)防和應(yīng)急中模型選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：液氨 泄漏 擴散模擬 多煙團模型 SLAB模型

中圖分類號：X937 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（b）-0024-05

Diffusion Simulation of Liquid Ammonia Leakage

Comparison of the Multi-puff Model and SLAB Model

Wu Weinan1 Yang Ping2

（1.Solid waste Management Center in Liaoning Provine， Shenyang Liaoning， 110161， China； 2.Panjin Liaoning Fried Dough Sticks as for as sludge Treatment and Utillzation co.， LTD，Panjing Liaoing，124218，China）

Abstract：Simulation results of diffusion after liquid ammonia leakage calculated by the Gaussian multi-puff model and SLAB model were systematically compared. Results showed that there were obvious differences between the two models. Under the setting conditions， the round maximum ammonia concentrations simulated by the SLAB model were higher than those by the multi-puff model within 60 to 2000 m downstream the resource. And the former was 1.01 to 35.2 times that of the latter， and the difference increased with increasing distance. Higher cross-affected distances were found by SLAB model within 600 m downstream the resource， while cross-affected distances simulated by the multi-puff model were higher outside 600 m downstream， and the differences between the two models increases with the distances. In the same location downwind， the highest concentration of ammonia came earlier in SLAB model， while the time period from appearance and dissipation was shorter in multi-puff model. These results may provide a reference on diffusion model selection for prevention and response of environmental emergencies caused by chemical releases.

Key Words：Liquid ammonia；Leakage；Diffusion simulation；Multi-plume model；SLAB model

近年來，突發(fā)性環(huán)境事件頻發(fā)。以液氨等有毒氣體泄漏為代表的突發(fā)性環(huán)境事件往往導(dǎo)致嚴重后果，易形成大面積的危險區(qū)域，對周圍的環(huán)境和人員造成嚴重的危害。液氨是一種易燃易爆、有毒有害的化工原料，有腐蝕性并極易揮發(fā)。低濃度氨對粘膜有刺激作用，高濃度可造成組織溶解壞死[1]。氨氣泄漏和爆炸事故往往會導(dǎo)致眾多人員中毒或死亡，給公眾的生命健康和環(huán)境安全造成非常嚴重的影響。2013年6月3日，吉林省德惠市寶源豐禽業(yè)有限公司因氨氣泄漏爆炸，導(dǎo)致121人死亡，76人受傷，直接經(jīng)濟損失1.82億元；2013年8月31日，上海市寶山區(qū)上海翁牌冷藏實業(yè)有限公司發(fā)生液氨泄漏，造成15人死亡，25人不同程度受傷[2]。因此，對有毒氣體發(fā)生泄漏后的擴散范圍、泄漏物質(zhì)空氣中含量的時空分布、對人體造成危害的區(qū)域進行模擬預(yù)測和環(huán)境風(fēng)險分析，對于突發(fā)環(huán)境事故預(yù)防和應(yīng)急均具有重要意義。

目前，廣泛應(yīng)用的氣體擴散模型包括高斯模型[3]、SLAB模型[4]、SUTTON模型[5]、ALOHA模型[6]等。國內(nèi)外學(xué)者針對上述模型開展了應(yīng)用性研究。莫秀忠等[7]基于MATLAB計算平臺高斯煙團模型建立了液氨泄漏后的濃度分布模型。鄒旭東等利用SLAB模型模擬了氯氣泄漏后氯氣擴散的時間、范圍和對周圍環(huán)境的危害[8]。王爽和王志榮以某化工廠的氯化氫泄漏事故為背景，利用ALOHA重氣擴散模型對該事故進行模擬，分析了敏感點濃度和人體接觸劑量隨時間的變化[6]。

已有研究主要集中于不同模型的應(yīng)用、濃度模擬、影響條件分析、風(fēng)險區(qū)域劃分等方面，缺少不同模型的結(jié)果的橫向?qū)Ρ?。該研究以液氨泄漏事故為例，對比分析高斯多煙團模式和SLAB模型模擬結(jié)果的差異，以期為環(huán)境應(yīng)急管理過程中擴散模型選擇提供參考。

1 模型及模擬條件

1.1 多煙團模式

多煙團模式基于高斯模型，是我國《環(huán)境風(fēng)險評價技術(shù)導(dǎo)則》（HJ/T-2004）的推薦模型[3]，適用于瞬時泄漏擴散。該模式把風(fēng)險源煙團輸送時間分割為若干時段，假定每個時段發(fā)射一個煙團，計算每個煙團在各時刻對關(guān)心點的貢獻[9]。

第i個煙團在時刻、在點（x，y，0）產(chǎn)生的濃度為：

（1）

式中，為煙團排放量，mg，；為釋放率，mg/s；為時段長度，s；，，為煙團在w時段沿x、y、z方向的等效擴散參數(shù)，m，可按照式（2）、（3）估算；、分別為第w時段結(jié)束時第i煙團質(zhì)心的x、y坐標，按照式（4）、（5）計算。

（j = x， y， z） （2）

（3）

（4）

（5）

各煙團對某關(guān)心點t時刻的貢獻濃度，按照式（6）計算。

（6）

式中，n為需要跟蹤的煙團數(shù)，由式（7）確定。

（7）

式中，f為小于1的系數(shù)，根據(jù)計算要求確定。

1.2 SLAB模型

SLAB模型由美國能源部的Lawrence Livermore國家實驗室開發(fā)，用于比空氣稠密氣體泄放的大氣擴散模擬[4]，是美國EPA推薦危險化學(xué)品意外泄放事故模擬的應(yīng)急模型。SLAB模型的模擬源可以是持續(xù)的，有限持續(xù)時間的，或者瞬間泄放。持續(xù)和有限持續(xù)時間泄放應(yīng)用于蒸發(fā)池、水平射流和垂直射流泄放源。瞬間泄放則假設(shè)為瞬間體源進行模擬。模型可以處理的泄放類型包括：地平面蒸發(fā)池、有高度的水平射流或垂直射流、瞬間泄放以及液體溢漏。SLAB模型可用于稠密氣體釋放或者液體溢漏而蒸發(fā)出的稠密氣體擴散。盡管氨氣密度低于空氣，但由于氨氣經(jīng)常以液氨形式儲存，液氨泄漏后因氣化時大量吸熱而具有重氣體的特點，屬于SLAB適用類型的后者。

SLAB模型假設(shè)事件發(fā)生在沒有障礙物的平坦區(qū)域，模型沒有考慮有坡度的地形條件。泄放物質(zhì)的大氣擴散由守恒方程來計算，包括質(zhì)量、動量、能量和組分守恒。持續(xù)泄放作為穩(wěn)態(tài)煙羽處理。有限持續(xù)時間泄放的起始煙云擴散用穩(wěn)態(tài)煙羽模式來解釋，一直持續(xù)到泄放源停止泄放。當泄放源被切斷時，煙云作為煙團處理，其隨后的擴散使用瞬變煙團模式進行計算。在預(yù)測濃度隨時間變化方面，SLAB模型在穩(wěn)定、中度穩(wěn)定及不穩(wěn)定的大氣環(huán)境下均能得到較好的預(yù)測結(jié)果[8， 10]。

1.3 模擬條件

研究模擬一存有6 000 kg液氨儲罐泄漏事故后的液氨擴散情景。儲罐內(nèi)壓力為250 kPa，裂口面積為0.0004 m2，裂口之上液位高度為2 m，持續(xù)時間為10 min，環(huán)境溫度為25℃。經(jīng)計算得到泄漏持續(xù)時間內(nèi)，泄漏量為4.43 kg/s。假設(shè)事故發(fā)生時大氣穩(wěn)定度為D，風(fēng)速為2.0 m/s。對于多煙團模式，假定10 s一個煙團；對于SLAB模型，選用水平射流模式。模擬時間為20 min，模擬范圍為事故源下風(fēng)向縱向2 000 m，橫向1000 m。

2 結(jié)果與討論

設(shè)定條件下，多煙團模式和SLAB模型得到的模擬結(jié)果分別如圖1、圖2所示。2中模型都能得到氨氣地面濃度隨時間、位置的變化?？梢钥闯?，多煙團模式模擬煙團移動較SLAB模型更快。本設(shè)定液氨的泄漏時間為10 min，多煙團模式認為泄漏停止后，氨氣煙團將立即離開事故發(fā)生點，向下風(fēng)向遷移；而SLAB模型假設(shè)液氨泄漏至地面，形成液池，盡管在液氨儲罐停止泄漏后，液池中的液氨將繼續(xù)揮發(fā)并持續(xù)一段時間。因此，SLAB模型模擬事故發(fā)生13 min后，仍有氨氣從事故發(fā)生點揮發(fā)。這種假設(shè)上的差異也導(dǎo)致了SLAB模型模擬的煙團跨度較多煙團模式更大。

2種模型得到的氨氣軸線（沿x軸方向）地面最大濃度與不同下風(fēng)向距離關(guān)系如圖3所示。SLAB模型結(jié)果表明距儲罐1～2 m范圍內(nèi)的最高氨氣體積百分比達到100%，而多煙團模式結(jié)果表明距儲罐13～14 m最高氨氣體積百分比均到100%。60～2 000 m范圍，SLAB模型得到的最高濃度是多煙團模式得到的最高濃度的1.01～35.2倍；且隨著下風(fēng)向距離增加，SLAB與多煙團模式最高濃度差距加大。若以最高氨氣濃度達到1 390 mg/m3（半致死濃度）的地點為疏散區(qū)域，多煙團模式模擬得到的疏散半徑約為360 m，而SLAB模型模擬得到的疏散半徑約為550 m。

在與下風(fēng)向垂直的橫向（y軸方向）方面，分析下風(fēng)向縱向2 000 m、橫向1 000 m范圍內(nèi)（即x=0～2 000 m，y=-1 000～1 000 m），0～20 min時刻內(nèi)，氨氣在各點的最高濃度，下風(fēng)向各點橫向位置濃度與軸線濃度之比超過10%的范圍定義為橫向影響距離。橫向影響距離與下風(fēng)向距離關(guān)系如圖4所示。在設(shè)定的模擬條件下，下風(fēng)向600 m以內(nèi)，SLAB模型模擬得到的橫向影響距離大于多煙團模式；而在下風(fēng)向600 m以外，多煙團模式模擬得到的橫向距離大于SLAB模型，并隨下風(fēng)向距離增加，差距增大。從前述分析可知，2種模型得到的疏散半徑均在600 m以內(nèi)，因而考慮到橫向的影響范圍，SLAB模型模擬得到的疏散面積也大于多煙團模式，分別約為6.63萬m2和1.72萬m2。

分析下風(fēng)向某處在事故發(fā)生后氨氣濃度隨時間變化，多煙團模式和SLAB模型模擬結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，越靠近事故源的地點2種模型得到的模擬結(jié)果相似度越高。下風(fēng)向100 m以后，2種模型結(jié)果差異逐漸明顯。第一，如前所述，SLAB模型給出的最高濃度高于多煙團模式；第二，SLAB模型給出的氨氣最高濃度出現(xiàn)時間較高斯模式較早，且差異隨下風(fēng)向距離增加而增大；第三，同一地點SLAB模型計算得到的氨氣煙團出現(xiàn)到消散時間也較多煙團模式更短。

孫召賓[11]使用Burro現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，對國內(nèi)多煙團模式、SLAB模型和ALOHA模型計算的液化氣泄漏模擬結(jié)果可靠性進行了驗證，結(jié)果表明，高斯模型較不適用于稠重氣云擴散的數(shù)值模擬，SLAB模型、ALOHA模型和高斯模型模擬結(jié)果的可靠性排序為SLAB模型>ALOHA模型>高斯模型。高凌[12]將SLAB模型與液氯模擬泄漏試驗結(jié)果進行了對比，發(fā)現(xiàn)事故下風(fēng)向300～1 000 m范圍內(nèi)，SLAB模型模擬結(jié)果是實測結(jié)果的約4～6倍。國內(nèi)尚缺少針對液氨泄漏的模型模擬與實測結(jié)果的對比研究，因而無法判斷“導(dǎo)則”推薦的多煙團模式和SLAB模型更為準確。該研究結(jié)果表明液氨泄漏后，SLAB模型模擬的地面氨氣濃度高于多煙團模式，得到的致死區(qū)域也高于多煙團模式。

3 結(jié)語

該研究系統(tǒng)對比了多煙團模式與SLAB模型模擬液氨儲罐泄漏后的氨氣擴散。結(jié)果表明，兩種模型均能模擬液氨泄漏后地面氨氣濃度的時空分布，但兩種模型的模擬結(jié)果存在明顯差異。在模擬設(shè)定條件下，事故發(fā)生點下風(fēng)向60～2 000 m范圍內(nèi)，SLAB模型得到的最高濃度是多煙團模式得到的最高濃度的1.01～35.2倍。事故發(fā)生點下風(fēng)向600 m以內(nèi)，SLAB模型模擬得到的橫向影響距離大于多煙團模式；而在下風(fēng)向600 m以外，多煙團模式模擬得到的橫向距離大于SLAB模型，并隨下風(fēng)向距離增加，差距增大。以最高氨氣濃度達到半致死濃度為疏散區(qū)域，SLAB模型模擬得到的疏散半徑和疏散范圍分別是多煙團模式的1.5和3.9倍。下風(fēng)向同一地點，SLAB模型得到的氨氣最高濃度出現(xiàn)時間較多煙團模式較早，SLAB模型計算得到的氨氣煙團出現(xiàn)到消散時間也較多煙團模式更短。

化學(xué)品泄漏等環(huán)境突發(fā)事件的風(fēng)險防控越來越受到關(guān)注，我國多地構(gòu)建了基于擴散模型的環(huán)境風(fēng)險應(yīng)急支持系統(tǒng)。該研究結(jié)果表明，不同模型得到的模擬結(jié)果存在顯著差異，可為液氨泄漏突發(fā)環(huán)境事件預(yù)防和應(yīng)急中模型選擇提供參考。模型給出的濃度過高，將增大救援、疏散的范圍，可能會影響到安全區(qū)域內(nèi)人們的正常生產(chǎn)生活，造成一些不必要的浪費；而模型給出的濃度過低，則將使受影響人群不能及時疏散，造成人員傷亡。因此，在未來，針對環(huán)境突發(fā)事件發(fā)生頻率較高的化學(xué)品的擴散開展試驗研究，對模型進行篩選和優(yōu)化，才能更有效地指導(dǎo)環(huán)境風(fēng)險防控和應(yīng)急響應(yīng)工作。

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