苯槽车泄漏扩散及事故状态的数值模拟

苯槽车泄漏扩散及事故状态的数值模拟

(中国石油化工股份有限公司洛阳分公司，河南洛阳 471012)

刘敬钊马洪斌刘爱彬

苯是具有易燃、易爆、毒害物性的危险化学品，在生产、运输、装卸和储存等过程中均易造成人身中毒、易燃易爆等危害，而需要特别加以防护的物品。在生产和运输等环节中存在高度危险性；苯车泄漏后，在外部风和内部浓度梯度的作用下会沿地表面扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，变化或扩大的危险区增加了现场抢险救援工作的难度；判断泄漏气体扩散的危险区范围关系到现场戒严、人员疏散、火源控制区域的确定。本文对泄漏气体的扩散行为进行讨论，并对泄漏苯蒸汽气的扩散事故状态进行模拟。

1 泄漏扩散类型

由于苯发生泄漏后，在空气中形成蒸气云团并运移扩散，而有毒有害物质的泄漏扩散会对人、畜造成中毒伤害，会对环境造成污染。泄漏有两种方式，即连续性泄漏和瞬时性泄漏。所谓连续性泄漏是指泄漏源是连续源或泄放时间大于或等于扩散时间；而瞬时性泄漏是指泄放时间相对于扩散时间比较短的泄漏。而泄漏物质扩散有重气扩散和中性气体扩散两种模式，由于苯蒸汽的相对于空气的密度为2.77，属于重气扩散类型。重气扩散过程经历四个阶段（见图1）：

1)初始阶段：物质从容器泄漏出，形成气云后在本身的惯性力和外界风速的作用下，上升变形。

2)重力沉降阶段和空气卷吸阶段：当气云初始动量消失后，重力占主导地位。由于云团与周围空气间的密度差，导致重气塌陷，沿地表面拓展，引起云团厚度的降低和

径向尺寸的增大，而在大气湍流

的作用下外界空气进入云团，即

空气卷吸，云团被稀释，同时由

于初始泄漏云团与周围环境的

温度差异而进行热量交换。

3)非重气扩散转变：随着

云团的稀释冲淡，重气效应逐渐

消失，重气扩散转变为非重气扩散。图1 重气扩散过程

4)大气湍流扩散阶段（被动扩散），即大气湍流对云团的扩散起支配作用。

目前，关于物质泄漏扩散模型有许多（表1），其中包括高斯箱模型、BM模型、Sutton 模型等。BM模型即唯象模型，是由一系列重气体连续泄放和瞬时泄放的实验数据绘制成的计算图表组成，能够很好地用于重气瞬时或连续释放的地面面源或体源，属于经验模型，外延性较差。Sutton 模型是用湍流扩散统计理论来处理湍流扩散问题，但在模拟可

燃气体泄放扩散时误差较大。高斯模型可模拟连续性泄漏和瞬时泄漏两种泄漏方式，由于提出的时间比较早，因而较为成熟。模型简单，具有概念清晰、易于理解，运算量小，计算结果能较好吻合等特点，特别适合于危险评价，致使该模型得到了广泛的应用。

表1 各模型特性比较表

模型名称

适用对象

适用范围

难易程度 计算量 计算精度

高斯烟羽模型 中性气体 大规模、长时间 较易 少 较差 高斯烟团模型 中性气体

大规模、短时间

较易 少 较差 BM 模型 中性或重气体 大规模、长时间 较易 少 一般 Sutton 模型

中性气体

大规模、长时间

较易

少

较差

2 高斯扩散模型

2.1 高斯模型

对于突发性泄漏事故的蒸发，泄漏源往往是短时间的突然释放或一个较长时间的分段释放大量有毒有害气体，此时地面浓度的计算应采用烟团模式。烟团模式假定泄漏物排放连续独立的烟团，这些烟团的体积沿水平和垂直方向增长，并模拟这些烟团随风速和风向在位置和时间上的变化。

高斯重气扩散箱模型分为重力沉降、空气卷吸、云团受热、转变为中性气体四个部分，每个部分通过一些公式计算重气云团的半径R （t ）、高度H （t ）、卷吸空气量（Ma ），根据云团半径和高度可计算扩散系数，进而计算云团浓度。对于泄漏物重气云团在不同距离浓度的求取，大多采用在高斯模型的基础上，通过对扩散系数的修正来模拟计算。若以风速方向为x 轴，坐标原点取在泄漏点处，风速恒定为u ，则源强为Q 的浓度分布（只考虑泄漏物质在下风向的浓度分布）方程为：

(

)()()()

()22232222,,,exp 222x y z x y z x ut Q

y z C x y z t t t t σσσσσσ⎡⎤-=---⎢⎥⎢⎥⎣⎦ （1）

令z=0,得到地面浓度

(

)()()()()2232

22,,0,exp 22x y x y z x ut Q

y C x y t t t t σσσσσ⎡⎤-=--⎢⎥⎢

⎥⎣⎦ （2） 令y=0,得到地面轴线浓度

(

)()()()

()232

2,0,0,exp 2x x y z x ut Q

C x t t t t σσσ⎡⎤

-=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦ （3） 式中，()x t σ，()y t σ，()z t σ---扩散系数，m ；

R(t) ---云团半径，m；

h(t) ---云团高度，m；

x---泄漏源的下风向距离，m；

u---10m高的风速，m/s；

Q---泄漏物质的体积，m3。

2.2 泄漏扩散的影响因素

泄漏气体在大气中扩散的主要受气象条件、地表情况、泄漏源位置、泄漏气体的密度等因素的影响。风向、风速、大气稳定度、气温、湿度等因素对泄漏气体的扩散具有不同的重要影响。

风向决定泄漏气云扩散的主要方向，大部分泄漏气体总是分布在下风向。风速影响泄漏气云的扩散速度和被空气稀释的速度，因为风速越大，大气的湍流越强，空气的稀释作用就越强，风的输送作用也越强。一般情况下当风速为1 -5m/s时，有利于泄漏气云的扩散，危险区域较大；若风速再大，则泄漏气体在地面的浓度变稀。若无风天，则泄漏气体以泄漏源为中心向四周扩散。大气稳定度是评价空气层垂直对流程度的指标（见表2）。大气越稳定，泄漏气云越不易向高空消散，而贴近地表扩散，大气越不稳定，空气垂直对流运动越强，泄漏气云消散得越快。气温或太阳辐射强弱主要是通过影响大气垂直对流运动而对泄漏气体的扩散发生影响。大气湿度的影响，一般地说，湿度大不利于泄漏气云的扩散。在后面的模拟过程中空气相对湿度采用一个大气压常温20度条件。

表2 大气稳定度级别划分表

＜2 A A-B B D - -

2-3 A-B B C D E F

3-5 B B-C C D D E

5-6 C C-D D D D D

＞6 C D D D D D

3 伤害模型

3.1 P-G伤害模型

P-G伤害模型仍是建立在高斯模型基础上，只不过该模型更加关注了有毒物质扩散后的伤害影响。Pasquill和Gifford在高斯模型基础上，根据常规气象观测资料确定稳定度级别，在大量扩散试验的数据和理论分析的基础上，总结出每一种稳定度级别的扩散参数随距离变化的经验曲线，解决了扩散参数的取值问题。这一经验曲线一般称为Pasquill-Gifford扩散曲线，简称P-G扩散曲线。该曲线是Pasquill根据美国大草原计划