危險化學品瞬時泄漏擴散動態(tài)模擬及危險區(qū)域的確定

楊玉勝

(中國人民警察大學, 河北 廊坊 065000)

0 引言

瞬時泄漏是指泄漏時間遠小于泄漏后氣體在大氣中擴散時間的泄漏。一般情況下，若容器發(fā)生災難性破裂，所承裝危險化學品在瞬間釋放出來，則可以認為是瞬時泄漏[1]。和連續(xù)泄漏一樣，瞬時泄漏也是一種很重要的危險化學品事故情景，在危險化學品事故應急救援中具有重要的作用[2]。應用擴散模型對危險化學品在大氣中的擴散進行數(shù)值模擬，可以估算出危險化學品的危害范圍，能夠為現(xiàn)場警戒、人員緊急疏散以及應急救援提供科學的依據(jù)[3]。

目前有許多學者用數(shù)值模擬的方法來研究瞬時泄漏，開發(fā)了許多模擬程序，如ALOHA、SLAB、DEGADIS等[4-5]。有的使用簡單的工具來完成，計算過程也相對復雜[6]；有的使用較復雜的工具，需要的模擬計算時間較長[7]。在確定危險區(qū)域時，大多使用的閾值參量是濃度[8]。這種方法對于瞬時泄漏及其處置決策是不利的。本文應用MATLAB工具，編制了危險化學品瞬時泄漏大氣擴散動態(tài)模擬程序，運用該程序可以動態(tài)顯示危險化學品的瞬時擴散過程，并依據(jù)劑量閾值，給出危險范圍。

1 理論模型

1.1 瞬時泄漏擴散模型

危險化學品發(fā)生瞬時泄漏后，若是氣態(tài)的，將在大氣中直接擴散。若是液態(tài)的，則由于吸收地面和環(huán)境的熱量，有些危險化學品經(jīng)過蒸發(fā)而變成氣態(tài)。因此危險化學品泄漏后，有的將以氣體的形態(tài)在大氣中擴散。氣態(tài)物質(zhì)在大氣中的擴散過程極其復雜，受溫度、濕度、大氣穩(wěn)定度、風速、風向以及地形、地貌等因素的影響。

瞬時泄漏在大氣中擴散時形成蒸氣云團，云團的中心隨著風向漂移。在擴散過程中，云團的范圍也逐漸擴大。因此，瞬時泄漏擴散和連續(xù)泄漏擴散有本質(zhì)的區(qū)別。在瞬時泄漏擴散模型中，常用的有高斯模型和盒子模型[9-11]。高斯模型用來模擬非重氣擴散，而盒子模型是用來模擬重氣擴散的，且計算過程比高斯模型復雜。在危險化學品事故處置決策中，需要快速確定危險范圍，不需要使用太復雜和精確的擴散模型，因此可以用高斯模型來模擬危險化學品在大氣中的擴散。

當泄漏氣體在平整的地面上方擴散時，若不考慮化學反應，危險化學品也不發(fā)生沉降等現(xiàn)象時，則瞬時泄漏可以用高斯云團模型來描述。在風速、風向不變的情況下，以風向為x軸建立坐標系，則氣體的濃度分布滿足方程[9-10]：

其中，C(x，y，z,t)為空間坐標系中一點(x，y，z)在t時刻濃度，kg·m-3，Q0為泄漏量，kg；u為環(huán)境風速，m·s-1，σx、σy、σz為大氣擴散參數(shù)，且σx=σy。 若氣體在地面擴散時，可以取z=0平面，此時危險化學品的濃度分布為

因此在瞬時泄漏時，知道危險化學品的泄漏量以及環(huán)境參數(shù)以后，可以利用高斯云團模型來計算地面上任意一點(x,y)在任意時刻t的濃度C。

1.2 大氣擴散系數(shù)

對于煙團擴散，大氣擴散參數(shù)σx，σy，σz按表1選取[9-10]。

表1 煙團擴散模型的擴散系數(shù)

其中A、B、C、D、E和F為Pasquill大氣穩(wěn)定度，是按照文獻[2]介紹的方法確定的。

1.3 評價中毒事故的后果標準

對于瞬時泄漏，由于濃度是隨著時間而發(fā)生變化的，因此常用劑量來評價危險化學品的毒害性。劑量的定義為：

其中n為物質(zhì)的毒性參數(shù)，可以查表得到[9-10]。如果環(huán)境中毒氣濃度不隨時間變化，則毒物劑量、濃度與時間之間的關系可以簡化為：

D=Cnt

在得到空間的劑量分布以后，根據(jù)劑量的危險準則就可以確定危險范圍。

2 模擬程序的開發(fā)

擴散模擬程序的功能是根據(jù)危險化學品泄漏的事故情景，在輸入必要的氣象參數(shù)(風速、天空云層情況等)、泄漏的時間、泄漏量等有關參數(shù)后，能準確、快速地模擬出泄漏物質(zhì)的擴散過程，并顯示出泄漏物質(zhì)擴散趨勢圖和物質(zhì)濃度、劑量分布圖及危險區(qū)域范圍圖，為事故的應急處置決策服務。

2.1 開發(fā)工具的選擇

選用MATLAB作為大氣擴散程序的開發(fā)工具。MATLAB是一種面向數(shù)值模擬、科學計算的高級計算環(huán)境語言，易于操作與學習，是工程技術人員常用的開發(fā)工具[12]。

2.2 程序的總體框架

程序的總體框架如圖1所示。根據(jù)事故發(fā)生的時間、天氣和風速等參數(shù)，可以得到大氣穩(wěn)定度，進而確定大氣擴散系數(shù)。根據(jù)大氣擴散系數(shù)和泄漏量，通過高斯擴散公式，計算任意時刻空間內(nèi)任一點的物質(zhì)濃度；對于同一位置在不同時刻的濃度進行疊加，就得到劑量分布；與劑量閾值比較，可以確定危險區(qū)域的范圍。

圖1 大氣擴散程序框架圖

2.3 區(qū)域離散化和坐標變換

在確定危險區(qū)域時，首先需要計算在不同時刻、不同空間點的危險化學品的濃度。為了便于計算機編程計算，將時間、空間進行離散化。這里假設求解區(qū)域為500 m×500 m，則可以以1 m為間隔，將求解空間化為500×500網(wǎng)格。在模擬過程中，可以調(diào)整模擬的空間范圍，如可以讓1個網(wǎng)格分別表示2 m，則顯示的范圍將調(diào)整為1 000 m×1 000 m。

在計算危險化學品泄漏擴散濃度時，首先要在空間建立一定的坐標系。為了畫圖方便和便于計算，建立地理坐標系，以泄漏點為坐標原點，向東為x軸正方向，向北為y軸正方向。

但是在計算機繪圖中，常用的屏幕坐標系和空間坐標系是不同的。在MATLAB的等值線圖中，以向右為Y軸正方向，向上為X軸正方向。為了顯示方便，需要在二者之間進行變換。如果選擇泄漏點在y軸的中心位置，則坐標變換為：

x=Y

y=X-251

通過這種變換就把屏幕坐標系轉換為空間坐標系。

時間區(qū)間的選取要考慮模擬的空間區(qū)域和風速。應該要滿足在模擬的時間范圍內(nèi)，云團還在模擬的空間內(nèi)，即滿足x=ut。時間間隔可以取0.5 s或1 s。當然時間間隔越小，模擬的結果越精確，但是對計算機的內(nèi)存要求較高，計算的時間也較長。因此時間間隔的選擇也考慮精度和計算時間。這里可以取為1 s。

2.4 濃度分布模擬

濃度計算模塊用來計算在任意時刻t、空間任意坐標處(x,y)的危險化學品的濃度，基本方法是根據(jù)大氣環(huán)境參數(shù)，確定大氣穩(wěn)定度；然后根據(jù)位置信息，計算擴散系數(shù)；最后由泄漏量，結合高斯云團模型計算出該時刻的濃度C(x,y)。對整個模擬的空間進行循環(huán)，可以得到整個模擬空間的每一點在時刻t的濃度分布。濃度分布的模擬計算框圖如圖2所示。

圖2 濃度分布的模擬計算框圖

2.5 動態(tài)顯示擴散過程

對時間t進行循環(huán)，依據(jù)濃度的計算方法，可以得到在不同的時刻t，危險化學品在空間的分布情況。把每一計算時刻的濃度在計算機屏幕上顯示出來，就可以動態(tài)模擬顯示擴散過程，其框圖如3所示。

圖3 動態(tài)模擬顯示框圖

2.6 危險范圍的確定方法

危險化學品的劑量是根據(jù)對不同時刻的各個網(wǎng)格的濃度和暴露時間來計算的。為了使得程序簡單，可以認為在每一個時間間隔內(nèi)，氣體的濃度是不變的，因此每個網(wǎng)格點的氣體劑量可以用如下的公式來計算：

D(x,y)=∑C(x,y)n△t

求和是對所有的時間區(qū)間進行的。具體過程就是算出所有網(wǎng)格在模擬時間段內(nèi)的每個時刻t下的濃度值，然后對同一網(wǎng)格計算在模擬時間段內(nèi)的每個時刻t下物質(zhì)濃度進行運算，就可以得到劑量的分布。危險范圍的確定是根據(jù)網(wǎng)格點劑量的數(shù)值與危險劑量準則進行比較而得到的，其框圖如4所示。

圖4 劑量準則下危險區(qū)范圍模擬框圖

3 案例研究

3.1 事故情景簡介

3.1.1 事故情景

2017年5月8日15時，某市一化工廠內(nèi)一液氨儲罐發(fā)生爆炸，罐內(nèi)5 000 kg液氨大量向外泄漏。當時氣象情況是晴轉多云，東到東南風，風速4 m·s-1，氣溫22 ℃。

3.1.2 輸入?yún)?shù)的確定

模擬中需要的數(shù)據(jù)見表2。

表2 案例參數(shù)統(tǒng)計

查表可知氨氣的毒性劑量標準為：重度傷害閾值為11.52 kg·s-3·m-3，中度傷害閾值為5.76 kg·s-3·m-3，輕度傷害閾值為0.864 kg·s-3·m-3。

3.2 擴散模擬過程

3.2.1 擴散過程的模擬

圖5是程序模擬的某時刻現(xiàn)場濃度分布范圍。圖6是濃度的三維分布圖。擴散過程可以通過動畫(二維的等值線和三維濃度分布圖)的形式顯示出來，從中可以明顯看出云團的漂移過程。

圖5 擴散范圍模擬圖

圖6 濃度的三維分布

3.2.2 危險區(qū)域的顯示

圖7表示的是使用劑量準則確定的危險區(qū)域范圍。其中重度危險區(qū)為下風向192.6 m，中度危險區(qū)為227.5 m，輕度危險區(qū)為358.9 m。

圖7 劑量準則下三種危險區(qū)域范圍圖

4 結論

在輸入事故情景參數(shù)的情況下，本程序可以動態(tài)顯示危險化學品的擴散過程。由于在危險化學品瞬時泄漏擴散過程中，濃度是變化的，因此不能使用濃度準則來確定危險區(qū)域，而需要用劑量準則來確定危險區(qū)域。本程序可以用于危險化學品事故現(xiàn)場的救援決策。救援人員到達現(xiàn)場后，可以根據(jù)危險化學品擴散的動態(tài)過程，及時了解現(xiàn)場不同區(qū)域的危險情況；可以根據(jù)現(xiàn)場的危險區(qū)域劃分，合理部署力量，進行疏散和救援，并采取合理的防護措施。本程序的缺點是沒有提供可視化的參數(shù)輸入界面，給程序的使用帶來了一些不便。下一步將在本文模塊的基礎上，開發(fā)出GUI界面的應用程序。