基于MATLAB的液氨泄漏應(yīng)急救援處置

劉欽平

（宜春市應(yīng)急管理局，江西 宜春 336000）

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，氨作為一種重要的化工原料在各領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。同時，因其單位制冷量大、價格低廉、放熱系數(shù)大、壓力適中等諸多優(yōu)點，液氨作為制冷劑被廣泛使用。但因液氨易燃易爆及毒害特性，一旦泄漏極易導(dǎo)致重大安全生產(chǎn)事故。因液氨泄漏而引發(fā)的上傷亡事故層出不窮，尤其在食品行業(yè)。2013年吉林某食品加工單位121人因液氨泄漏死亡，上海某冷藏企業(yè)15人因液氨泄漏死亡，造成極其惡劣的社會影響和重大經(jīng)濟(jì)損失。面臨嚴(yán)峻的安全生產(chǎn)應(yīng)急管理形勢，事故后如何科學(xué)、有效、快速地實施救援成為當(dāng)前應(yīng)急管理的重要環(huán)節(jié)。

MATLAB因其強(qiáng)大的計算模擬能力在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，艾唐偉[1]等通過MATLAB以高斯模型對危險氣體擴(kuò)散模擬分析確定危險氣體泄漏后的危險區(qū)，為事故應(yīng)急救援方案的確定和及時調(diào)整提供了指導(dǎo)[2]。本文擬以高斯云團(tuán)擴(kuò)散模型為基礎(chǔ)，通過MATLAB分析確定液氨泄漏后的危險區(qū)及液氨濃度云圖，為液氨泄漏事故應(yīng)急救援提供實際指導(dǎo)[3]。

1 氣體擴(kuò)散模型

Gaussian模型、Gaussian軌跡煙云模型、BM模型、重氣云擴(kuò)散、非重氣云擴(kuò)散、三維有限元計算等是目前常見且應(yīng)用較為廣泛的氣體泄漏于擴(kuò)散分析模型。高斯煙羽模型、高斯煙團(tuán)模型被廣泛應(yīng)用于點源氣體擴(kuò)散分析，而Gaussian煙羽模型常被用于連續(xù)源擴(kuò)散分析，Gaussian煙團(tuán)模型常被用于瞬時泄漏擴(kuò)散分析[4]。

式中：C為任一點的污染物濃度，mg/m3；Q為泄漏源污染物強(qiáng)度，單位時間內(nèi)污染物排放量，mg/s，為側(cè)向擴(kuò)散系數(shù)，污染物在Y方向上的分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離x的函數(shù)；為 豎向擴(kuò)散系數(shù)，污染物在Z方向上的分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離x的函數(shù)；為排放口處的平均風(fēng)速，m/s；H為有效源高度，m；x為污染源排放點至下風(fēng)向上任一點的距離，m；y為煙氣的中心軸在直角水平方向上到任一點的距離，m；Z為地表到任一點的高度，m。當(dāng)泄漏源為地面源時，取高度H=0。

2 大氣擴(kuò)散參數(shù)的確定

大氣擴(kuò)散參數(shù)受穩(wěn)定度、地形、地面粗糙度等影響，在高斯擴(kuò)散中當(dāng)風(fēng)速不太?。?-2m/s），x方向的湍流擴(kuò)散可忽略不計，可僅考慮y、z方向。擴(kuò)散參數(shù)的確定有薩頓模式、BNL模式等多種方式，本文擬采用擴(kuò)散曲線法，結(jié)合《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境(HJ2.2-2018)》的相關(guān)規(guī)定，確定大氣擴(kuò)散參數(shù)為：，。

3 金屬儲罐火災(zāi)爆炸事故后評估

火災(zāi)災(zāi)害模式分別假設(shè)單個金屬儲罐突發(fā)瞬時大量泄漏和因爆炸引起的金屬儲罐破損，并引發(fā)儲罐內(nèi)液氨，產(chǎn)生二次火災(zāi)，前者在金屬儲罐區(qū)圍堤內(nèi)形成液氨池，遇到引火源會引起池內(nèi)液氨點燃，并形成池火，后者則會在金屬儲罐內(nèi)形成火災(zāi)。

泄露爆炸災(zāi)害模式以單個金屬儲罐持續(xù)泄露50%的液氨且揮發(fā)后氣體全部參與爆炸作為假設(shè)，分別運用蒸汽云爆炸事故計算模型，沸騰液體擴(kuò)展蒸汽爆炸事故計算模型進(jìn)行計算和分析。

根據(jù)池火事故模式構(gòu)建計算模型。

（1）確定池火半徑

對于儲罐內(nèi)的池火火災(zāi)，其火災(zāi)半徑等于金屬儲罐半徑。

（2）確定燃燒速度

由于液氨的沸點在-33.5℃，液氨儲存溫度為-33℃，對應(yīng)的密度為0.681382kg/L，低于周圍環(huán)境溫度，公式為：

公式中：m'單位表面積燃燒速度，Hc液氨燃燒熱，取18603.1kJ/kg；CP液氨的比定壓熱容，T0環(huán)境溫度，Tb液體沸點。

這種災(zāi)害形式在金屬儲罐受熱或系統(tǒng)突然失效，液體瞬間時泄漏汽化并遇引火源而發(fā)生，具有突發(fā)性的嚴(yán)重后果，因此，要高度重視金屬儲罐的定期檢查與校驗，密切關(guān)注系統(tǒng)運行狀態(tài)。

4 工程實例分析

某工業(yè)園區(qū)內(nèi)某一企業(yè)內(nèi)30m3液氨金屬儲罐閥門損壞導(dǎo)致液氨泄漏，經(jīng)搶修后于1小時后修復(fù)，搶修期間大量液氨逸散至空氣當(dāng)中。當(dāng)天氣象資料顯示風(fēng)速為1.5m/秒，大氣穩(wěn)定度為C，地面粗糙度為0.4。經(jīng)分析得到事故后形成的泄漏源強(qiáng)為1kg/s，應(yīng)用MATLAB根據(jù)式1，進(jìn)行模擬分析。根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，氨的危害特性見表1。

表1 氨的危害特性

MATLAB分析計算主要代碼如下：

圖1 泄漏源下風(fēng)向氨氣濃度等值線（風(fēng)速1.5m/秒）

圖2 泄漏源下風(fēng)向氨氣濃度等值線（風(fēng)速2.1m/秒）

根據(jù)圖1 泄漏源下風(fēng)向氨氣濃度等值線及氨危害特性，可以看出泄漏源下風(fēng)向1200m以內(nèi)、泄漏源兩側(cè)各80m范圍內(nèi)屬危險區(qū)。根據(jù)應(yīng)急處置，泄漏源下風(fēng)向80m以內(nèi)、兩側(cè)側(cè)向60m以內(nèi)應(yīng)避免人員滯留，以免人員短時間因接觸高濃度氨氣產(chǎn)生強(qiáng)刺激反應(yīng)。而根據(jù)圖2顯示，當(dāng)風(fēng)速為2.1m/秒時，泄漏源下風(fēng)向1000m外、兩側(cè)側(cè)向70m以外即可視為安全區(qū)域。

5 結(jié)語

MATLAB強(qiáng)大的計算及模擬分析能力可以為工業(yè)安全生產(chǎn)及事故應(yīng)急處置提供良好的指導(dǎo)作用。應(yīng)用MATLAB通過合理的條件假定并通過科學(xué)的分析可以精確地進(jìn)行分析計算并輸出直觀的圖形和數(shù)據(jù)，安全生產(chǎn)和應(yīng)急管理人員可以據(jù)此快速決策并指定更加科學(xué)合理的事故應(yīng)急處置方案。