危险气体泄漏扩散的实验方法研究

危险气体泄漏扩散的实验方法研究Ξ
冯志华1,2　讲师　聂百胜1　副教授
(1中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京100083　2太原理工大学矿业工程学院,太原030024)
学科分类与代码:620.20 中图分类号:X932 文献标识码:A
【摘　要】　综述了研究危险气体事故泄漏扩散的3种实验方法,即全规模大型现场实验、实验室模拟和小型现场实验,详细讨论该3种试验方法在实施和应用中的优缺点。

对小型现场实验的无量纲长度、速度、时间、大气稳定度、大气湍流、液滴的尺寸分布和沉降、源动量通量比例等重要参数的确定方法重点进行分析和阐述。

小型试验法特别适用于模拟化学性质活泼的危险气体的泄漏扩散研究,可为安全评价、应急救援提供有价值的参考数据。

【关键词】　安全技术;　危险气体;　泄漏;　扩散;　实验;　模型
Experimental Methodology for Study Diffusion of Leaked Hazardous G as
FENG Zhi2hua1,2,Lecturer　NIE B ai2sheng1,Assoc.Prof.
(1C ollege of Res ource&S afety Engineering,China University of M ining&T echn ology(Beijing),100083,China 2C ollege of Mining Engineering,T aiyuan University of T echnology,T aiyuan030024,China)
Abstract:　Three experimental methods for study diffusion of leaked hazardous gas are reviewed,i.e.full2 scale field experiment,lab2scale simulation and small2scale field experiment.Advantages and disadvantages of these three methods in their application are discussed in detail.The determination of im portant parameters in small2scale field experiment is em phatically analyzed and described,such as length2scales,velocity2scales, time2scales,stability of atm osphere,atm ospheric turbulence,size distribution of discharged droplets and their deposition,s ource m omentum fluxes etc.The small2scale field experiment is especially appropriate in simulation study of the diffusion of leaked chemically active hazardous gas to provide valuable reference data for emergency rescue and risk assessment.
K ey w ords:　safety technology;　hazardous gas;　leakage;　diffusion;　experiment;　m odel
1　引　言
危险化学品中有相当一部分物质属于危险气体,该类物质大都易燃易爆或有毒害作用。

在生产和储运过程中,一旦发生泄漏,气体将在很短时间内迅速扩散,对周围人群和环境造成严重危害。

例如: 1984年12月3日,位于印度博帕尔的美国联合碳化物公司农药厂的55吨甲基异氰酸酯泄漏,造成至少1万人死亡,55万人受到不同程度的伤害。

博帕尔毒气泄漏事件是迄今为止世界上最严重的工业灾难[1—3]。

2003年12月23日,我国重庆开县的罗家湾16H井,在起钻过程中发生天然气井喷失控,大量含有高浓度硫化氢的天然气喷出,导致243人中毒死亡,2142人住院治疗,65000人被紧急疏散安置,直接经济损失达6432.31万元[4]。

危险气体泄漏引发的灾难性后果,早在20世纪60年代,就引起国外学者的高度重视,他们试图对
第16卷第7期2006年7月
中国安全科学学报
China Safety Science Journal
V ol.16N o.7
Jul.2006
Ξ文章编号:1003-3033(2006)07-0018-06;　收稿日期:2006-01-08;　修稿日期:2006-06-04
危险气体储运过程中潜藏的风险进行评价,却在现有的数据库中找不到决定评价后果严重程度的危险气体现场扩散数据。

因此,开始了对危险气体泄漏扩散的试验和理论研究。

我国对危险气体事故泄漏的研究始于20世纪90年代,由于研究时间较短,基础薄弱,至今尚未在气体的低速流动、扩散方面形成一套完整的理论以指导实验。

笔者对危险气体的试验方法作一个初步探讨,总结出危险重气体泄漏扩散的模拟方法,希望能对我国今后开展的危险气体模拟试验提供一些有益的建议。

2　国内外危险气体试验方法概述不同密度的危险气体泄漏之后,经历不同的扩散阶段,其中最危险的一类是重气体(Heavy gas)或称浓密气体(dense gas)[1]。

重气体泄漏后,由于密度大于周围空气,受负浮力作用,重气塌陷下沉,沿地表拓展,形成强烈的分层现象,导致地面浓度最大,重气体沿地表移动很长距离浓度不会降低,极易形成严重的人员中毒甚至引发火灾爆炸事故。

对危险重气体的研究通常可分为两大部分:一是理论方面,根据重气体扩散的物理过程,建立重气扩散理论及相应的数学模型;二是实验方面,直接获得气体扩散的原始数据,为理论研究、数学模型的建立、验证提供基础资料。

危险气体早期的试验方法分为两种:
①大规模现场试验法;
②试验室模拟法。

两种方法适于模拟一般危险气体的事故泄漏。

此外,还有一类特殊的危险气体,例如:HF、液氨等。

该类气体的化学性质非常活泼,具有较强的腐蚀性和毒性,当发生泄漏时,与空气中的水分结合或自身聚合,放出大量的热,并形成气溶胶。

其扩散特性受环境温度、压力、风速、大气湿度和释放源的状态影响很大,对该类气体作评价时,需要依据危险气体扩散的现场数据。

该类危险气体因危险性很大,性质活泼,难于找到合适的替代品,不适合用上述两种方法作模拟试验。

现场小型实验法[5]正好可以弥补上述不足,一方面可以模拟出该类气体在大气中的吸湿、溶胶转变等过程;另一方面现场小型实验法危险小,易于控制,提供的数据比较真实、可信。

目前,该方法正处于研究阶段,许多问题还有待于进一步深入探讨。

在我国公开发表的文献中,尚未见到该类方法的应用,笔者将重点探讨小型现场实验法中比例参数的确定方法。

211　大规模现场实验法
大规模现场实验法是选取与事故泄漏现场规模一致的场景进行模拟,泄漏物质、数量、泄漏速度以及外部的气象、地形等条件均与事故泄漏现场相同。

现场试验主要目的是研究典型气象条件下危险气体的扩散规律,为安全评价和应急救援提供基础实验数据。

大规模现场实验法的特点有以下3点:
①实验条件与真实场景一致,数据真实可靠;
②从现场实验中可以观察到某些独特的实验现象。

如1980年在加利福尼亚的China Lake进行的液化天然气系列实验中,研究者在Burro8号实验中观察到扩散气体前端形成了分岔现象[6],这在其他实验方法中几乎很少看到;
③耗资巨大,试验花费时间较长,重复性差。

国外进行的重气体现场实验早期主要是小规模的液化天然气在海面和陆地的扩散实验;
1980年前后,大规模的现场实验达到高峰,释放物质除液化天然气、液化石油气之外,还包括危险重气的替代混合气[7],C O2[8],NH3,N2O4[9];气体扩散环境除平坦地形外,还包括各种障碍物和不同的坡度[10];气体释放方式有无动量和自由射流[10];
此外对若干减轻气体泄漏扩散后果的技术手段也进行了不同程度的验证[8]。

大型试验不仅提供了珍贵的现场数据,而且为深入考察重气体扩散现象的本质、建立及验证危险重气体的数学模型,并为安全评价奠定了坚实的基础,同时也为我国开展相关的试验提供了一种可借鉴的思路。

212　实验室模拟法
实验室模拟法是研究重气扩散的重要手段之一,是指利用风洞或水槽模拟各种气象和地形条件下危险气体在近地面层的扩散,实验室模拟法具有重复性高,可视化效果好的特点,从中不仅可以观察气体的物理扩散过程,还能提供全面的数据资料以开发和建立模型。

21211　风洞模拟
风洞模拟是在人工制作的风洞中,模拟危险气体扩散的自然环境,以研究气体扩散过程的一种方法。

危险气体扩散模拟使用的风洞具有以下特点:
①环境风洞的实验段很长,以产生足够的平衡
・
9
1
・
第7期 冯志华等:危险气体泄漏扩散的实验方法研究
边界层;
②危险气体的扩散主要在地面以上高度不超过30m 的范围内进行,此处湍流强度大,地表的特性,如障碍物、粗糙度、坡度对气体的扩散影响较大[11]。

危险气体的扩散规律与液体流体或高速流动的气体之间存在较大的差别,因此,选择恰当的模型比例参数对于风洞模拟试验能否重现事故现场危险气体的流动特性,科学估算危险气体可能造成的危险区域意义重大。

在风洞中模拟气体流动时,根据相似原理,应使风洞模拟实验中的下列5个无量纲常数[12—13]分别等于其大气现场的相应数值:
①雷诺数(Reynolds ),R e =U L
μ;②整体里查森(Richards on )数,R i =
ΔT Lg
T 0U
2
;
③罗斯贝(R ossby )数,R o =U
L Ω;
④普朗特(Prandtl )数,P r =ρ0c p
μk
;
⑤诶科特(Eckert )数,E c =U 2
c p T 0。

此外,还应保证风洞实验中边界条件的相似性。

实际上,上述条件不可能同时满足,此时应重点保证几何相似和大气边界层流动相似,即紊流平均风速型线、湍流速度型线以及绕流障碍物流动特征的相似。

对于重气扩散,还应保证泄漏条件相似,简单归纳为两条:
一是密度比ρs
ρa
相等;
二是密度的佛罗德数F r 相等,F r =
u 2
a
lg (ρ-ρa )/ρa。

当上述二条件不能同时满足时,可以适当放宽
密度比相等的限制条件[14]。

21212　水槽模拟
水槽模拟是利用液体在水槽中的流动来模拟气体扩散的方法,模拟危险气体扩散时常用拖曳水槽,以显示重力对物质扩散的影响。

向水槽中注入不含气体的清水或分层(不同密度层)盐水,分别代表稳定层结的大气边界层和泄漏的危险气体。

水槽法模拟具有以下特点:
①可视化效果好,有很强的直观显示能力,例如:向模拟重气的盐水中加入等密度、等速度的彩液,当二者性质匹配时,彩液具有良好的跟随性,能直接观察到重质流体的扩散行为;
②浓度测量方便,当采用浓度测量电极时,采样时间间隔不到0.005s ;
③实验无毒性或腐蚀性,比较安全;
④释放物质的相对密度最大值不超过1.4。

水槽法模拟重气扩散时,要求体积通量比Q/(U L 2)、佛罗德数U/(g L )1/2、密度比(ρ-ρ0)/ρ0分别与原模型相等。

其中,Q 指源项体积流率,U 指参考速度,L 指特征长度,g 指重力加速度,ρ与ρ0分别代表重质流体和环境流体的密度。

此外,也可以将上述3项指标组合为一项,以L B 表示:L B =g ′
Q/U 3。

其中,g ′=(ρ-ρ0)g/ρ0。

当L B 值较大时,
可以观察到实验中流体强烈的分层现象,尤其在扩散源附近[15—16]。

上述两种危险气体实验方法各有特点,大规模现场实验法受实验地点、气象条件和投资等约束使其应用受到一定限制;实验室模拟法虽然具有很大的优点,但仍然不能做到对真实泄漏环境(尤其是大气环境)完全再现,因其无量纲相似参数相等的要求往往无法实现。

当模拟某一决定因素的作用时,意味着其他一个或几个因素不能得到模拟。

3　现场小型实验法
应用现场小型实验法[5]的关键问题是相似准则,这与风洞模拟是一致的,但风洞的模拟比例大约是1/100～1/1000,在现场小型实验中该比值可大大提高。

下面介绍比例参数的确定方法。

311　长度比例
以大气环境下释放的气体体积代替(以小写字母代表小型实验,大写字母代表全规模实验)危险气体的长度尺度:L =V 1/3;l =v 1/3。

假设大气边界层的湍流强度仅受z 0控制,根据几何相似准则,有
l L =z 0Z 0=h H
=S c (1)
式中,S c ———小型实验与全规模实验的比例;
h 与H ———风速的参考高度;z 0———紊流的空气动力学粗糙度。

由于实验中使用同一种危险气体,因此:
v V =m M =(l
L
)3=S 3c (2)
312　速度比例
小型实验法中,要求危险气体与大气密度比ρg
ρa
、
・
02・中国安全科学学报China Safety Science Journal 第16卷
2006年
佛罗德数F r =U 2g L
、里查森(Richards on )数R i =g
ρg -ρa ρa ×L
U 2分别相等。

只要前两个量满足,第3个量自动相等。

即当:
u h U H =(l L
)0.5=S 0.5
c (3)
时,里查森(Richards on )数相等。

式(3)表明小型实
验风速应小于全规模实验,该条件对于小型实验是不利的,因为全规模实验主要关注低风速下的气体扩散。

313　大气稳定度比例
以上讨论都是气象条件为中性稳定时进行的,然而,安全评价最关注危险气体在稳定分层气象条件下的扩散。

保持分层效应的方法是使里查森(Richards on )数相等,此时要求小型实验的大气密度梯度比全规模实验的密度梯度大。

在应用中,利用M onin 2Obukhov 长度与帕斯奎尔稳定度分类互算法。

即帕斯奎尔稳定度每变化一个类别,M onin 2Obukhov 长度也相应变化,设小型实验与全模型试验的M onin 2Obukhov 长度符合简单的线性关系,即
l m
L m
=S c ,小型实验的l m 值较小,大气稳定度比全规模实验高一级。

例如:当S c =0.1,全规模实验的大
气稳定度为E 时,小型实验为F 。

314　大气湍流比例
前面3.1部分假设大气边界层仅由z 0控制,当扩散速率确定后,湍流强度和涡尺度分布是非常重要的。

只要模型的z 0值合适,无量纲湍流强度u ′/u 、U ′/U 值在边界层的对应高度上相等。

中性稳定大气中湍流强度的表达式如下:
U ′U 3=
κA
ln (H
Z 0
)
(4)式中,U ′———湍流强度;
U 3———摩擦速度;
κ———冯・卡曼常数;
A ———常数。

湍流强度之比可以表达为
U ′U 3
=
u ′u 3
(5)
频率应满足下式:
f h u =FH U
(6)
式中,F ,f ———频率,1/时间。

将式(6)变形后,得:
F f ×u U ×H h =S 0.5c S 0.5c 1S c
=1(7)
因此,涡尺度随高度的下降自动调整大小,此结论仅对垂向适用。

315　液滴的尺寸分布和沉降
气云中的液滴通常用两个参数来表征:静止空
气中沉降速度(v f ,V f )和惯性。

惯性大小用终止距离d ,D 表示。

处于Stokes 粘性流体范围内的小液滴(粒径最大为50μm ),终止距离为D =V f U
g。

小型实验与大规模实验的液滴沉降速度和终止距离应满
足下式:
v f u h =V f U h 和d l =D
L
(8)
v f /u h ,V f /U f 指平均风流中的沉降角度,二者应相
等,同时满足:
v f V f =u h U h =S 0.5
c 和
d D =l L
=S c (9)
式(9)表明:沉降速度与参考风速一样,均随S c
的方根成比例变化。

d/l ,D/L 指流体的Stokes 数,要求二者相等。

当流体的Stokes 数小于0.1时,上述要求可以放宽。

316　源动量通量比例
气体闪蒸时必然伴有一定的初始动量,应保持小型实验与全规模实验的无量纲动量通量相等。

即
M f U 2
H L
2
=
m f u 2h l
2
(10)
变形得:
m f M f =(u U ×l
L
)2=S 3c (11)
4　3种试验方法的特点比较及实施
步骤
上述3种试验方法从实施的难易程度和对事故结果的准确再现方面各有特点。

现场大规模试验法可释放的气体种类最多,数
据全面,但是前期准备工作量巨大,不仅需要考察试验地点若干年内的气象资料,以保证希望的气象条件最大可能出现,而且需要调集各方面的专业人才
和大量的技术人员在现场安装、调试各种精密测试
・
12・第7期 冯志华等:危险气体泄漏扩散的实验方法研究
仪器和气体释放装置;
现场试验法不必考虑复杂的无量纲参数设置和调整,试验结果真实可靠,数据后处理简单。

试验室模拟法能够方便地调控某些试验参数,试验可重复性大。

该方法在实施中的难点在于:
1)确定危险重气体原型与模拟实验的无量纲相似常数。

2)只能做到对大气流动状况的部分模拟。

3)数据的后处理复杂。

小型现场试验法需要慎重考虑试验地点气象条件尤其是风速和大气稳定度,同时需要确定危险重气体实验的无量纲相似常数,后期数据处理复杂,但是试验危险性较小,结果较为真实,基本可以重现特殊危险气体泄漏的扩散规律。

各种方法的实施步骤框架如下图所示。

各种方法的实施步骤框架
5　结论与建议
综上所述,笔者对危险气体的试验方法经过分析和探讨,有以下结论和建议:
1)小型现场实验适用于化学性质活泼的危险气体,能较好模拟出危险重气体在大气中的沉降、聚合、蒸发、抬升等扩散过程。

该方法在现场实施过程中释放量小,安全性高,可基本模拟出危险气体事故泄漏的真实场景。

该方法需要在风速、大气稳定度、湍流特性、液滴的尺度和沉降、化学平衡,热力学平衡、气溶胶生成、气体抬升等方面进一步作深入研究。

2)试验室模拟法可系统考察某变量对气体扩
散的影响,尤其适于扩散空间有障碍物的复杂地形。

由于风洞或水槽只能做到对大气边界层的部分模拟,加之无量纲相似参数的选择等方面存在尚未解决的问题,模拟结果存在一定程度的失真,且数据处理过程相当复杂。

随着试验技术的逐步成熟,试验室模拟法今后的研发方向是对在非中性气象条件下对大气边界层完全模拟。

3)大规模实验方法得到的数据真实,事故再现性强,但耗资巨大,受环境气象条件制约,需要很多学科的专家和工程技术人员协同完成,适于国家或国际间大型研发项目。

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22・中国安全科学学报China Safety Science Journal 第16卷
2006年
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・
32・第7期 冯志华等:危险气体泄漏扩散的实验方法研究
于　英　江苏大学汽车与交通工程学院交通运输系副主任,副教授。

黑龙江省呼兰县人,1957年
9月生。

1982年1月毕业于东北重型机械学院,获学士学位。

1982年1月—1999年4月在原机械部天津工程机械研究所,
主要从
事工程机械传系方面的研究与产品开发工作。

参加国家和省部级科研项目3项,主持并完成天津市“中等功率电子换档液力机械变速箱的研究”科技项目。

1999年4月至今,在江苏大学从事交通运输及车辆工程专业的教学与研究工作。

廖可兵　
湖南工学院
(筹)安全与环境工程系主任,副教授,硕士。

中国职业安全健康协会理事(第四届)、湖南省职业安全健康协会理事(第三、第四届),高等学校安全工程学科教学指导委员会教材建设专业委员会委员,教育部高职高
专院校人才培养工作水平评估专家(安全类)。

湖南常德人,1964年8月生。

多年从事安全与环境工程教学与科研工作,主要研究方向为安全管理、人因工程与可靠性。

近年来主持省级科研项目2项,主持完成校级重点科研项目2项,获省级教学成果二等奖1项、校级教学成果一等奖1项。

发表科研和教学论文20篇;主编参编教材5部,其中公开出版2部。

冯志华　国家注册安全工程师,
太原理工大学矿业工程学院安全工程系讲师,主要从事化工安全方面的教学和科研工作。

中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院
博士研究生,研究方向为危险气体事故泄漏条件下扩散规律。

山西
灵石人,1973年9月生。

1995年毕业于太原工业大学(现为太原理工大学)化学工程系,获学士学位。

1995—
1998年于太原化工厂离子膜分厂任技术员。

2001年于太原理工大学获工学硕士学位,师从著名
煤化学专家谢克昌院士,参加了中澳洁净煤转化技
术的合作项目。

在国内外核心期刊和国际会议上发表论文近10篇。

参与编写危险化学品培训教材和矿山安全培训教材。

王洪德　
教授,博士,大连交通大学环境与化学工程学院副院长,硕士生导师。

1963年11月生,辽宁
阜新人。

1985年毕业于阜新矿业学院,获工学学士学位;1996年于辽宁工程技术大学获工学硕士学位,2004年于该校获工学博士学
位。

目前主要从事可靠性工程、安全评价、灾害预防处理等领域的科研及教学工作。

主持和参与完成各类科研课题10余项,获省部级成果二等奖2项、三等奖2项。

市级科技成果一等奖2项。

主持撰写学术专著1部、编著2部。

在《中国安全科学学报》、《系统工程理论与实践》等国家核心刊物上发表学术论文30余篇,其中被EI 全文检索7篇。

鲍缇夕　副教授,现任青海卫生
职业技术学院公共卫生系主任。

1964年9月生,1988—1991年作为主要参与者主持“青海省人体寄生虫分布调查”课题,并获青海省科
技进步二等奖,同时主持“青海省犬种布病调查”课题及“职业人群
布病感染状况”课题,均获青海省科技成果奖。

近年主要开展青海省尘肺病调查研究工作,探讨高海拔地区尘肺病死亡状况及其特点。

1993年从事预防医学教学及研究工作以来,主讲《劳动卫生与职业病》课程。

参编教育部高职高专规划教材,撰写并发表论文数篇。

韩　艳　北方工业大学建筑工程
学院讲师,工学博士。

江苏滨海
人,1994年哈尔滨建筑大学(现哈尔滨工业大学)交通土建专业本科
毕业后留校任教,2000年获工学硕士学位,在此期间独立指导了多名本科生的毕业设计,并参与多座桥
梁的实际设计。

2004年获北京交通大学桥梁与隧道专业工学博士学位。

曾参与国家自然科学基金、北京市自然科学基金、铁道部科技开发项目等多项科研课题,主要从事桥梁抗震、车桥振动与控制等领域的研究工作。

在《工程力学》、《铁道学报》、《中国铁道科学》和国际学术会议上发表论文多篇,参编研究生教材1部。