氯气泄漏扩散计算模拟

氯气泄漏扩散计算模拟
（1）氯气泄漏扩散过程
氯气管道、阀门、压力表或液氯钢瓶的材质、焊缝以及腐蚀造成的强度下降等设备缺陷原因都可能引起容器破裂从而引发氯气泄漏，使氯气迅速扩展。

氯气属于重气，它泄漏时的扩散机理与一般烟囱热污染性烟羽的扩散完全不同，它在地表的释放可分为三个过程。

初始阶段：气云刚形成的阶段，主导其运动的作用力为释放的惯性及外界的平均风速。

重力扩展阶段：初始的动量消失后，主导作用为重力及外界的湍流扰动，由于重力使气团下降到地表拓展范围，而且稀释作用主要靠大气湍流以及气云下降引起的湍流卷增作用引入外界空气。

被动扩散阶段：当气云经一段时间混合稀释后，其密度和温度或浓度逐渐接近外界空气，主要靠大气的湍流。

（2）氯气危害浓度
根据有关资料，氯气的半数致死浓度，即引起实验染毒动物半数死亡的毒物浓度为850mg/m3。

氯的最高允许浓度为1mg/m3，即在一个工作日内任何时间都不应超过的浓度。

选取浓度850mg/m3（283ppm）、300mg/m3（100ppm）、90mg/m3（30ppm）、30－90mg/m3（10－30ppm）、15mg/m3（5ppm）、5mg/m3（1.7ppm）和1mg/m3（0.3ppm）7种浓度分别计算氯气泄漏的影响范围。

浓度
伤害分区危害程度Mg/m3ppm
850283深吸入少量可能危及生命
300100致死区（A区）可能造成致命性损害
9030重伤区（B区）引起剧咳
（3）液氯泄漏量计算
流体泄漏速度可用流体力学的柏努利方程计算。

其泄漏速度为：
()
gh p p A Cd Q 220+-••=ρ
ρ
（7-1）
式中Q 0——液体泄漏速度，kg/s ； Cd ——液体泄漏系数； A ——裂口面积，m 2; ρ——泄漏液体密度，kg/m 3; P ——容器内介质压力，Pa ； P 0——环境压力，Pa; g ——重力加速度，9.8m/s 2; h ——裂口之上液位高度，m 。

对于非常压下的液体泄漏速度，主要取决于内介质压力与环境压力之差和液位高低。

（4）液氯容器破裂形成毒害区半径估算
液化介质液氯在容器破裂时会发生蒸气扩散，从而造成大面积的毒害区域，其毒害区按如下方法估算。

设液氯质量为W （单位：kg ）,容器破裂前器内温度为t （单位：℃），液体介质比热为C[单位：KJ/（kg •℃）]当容器破裂时，器内压力降至大气压，处于过热状态的液化气温度迅速降至标准沸点t 0（单位：℃），此时全部液体所吸收的热量为：
()0t t C W Q -••= （7-2）
设这些热量全部用于器内液体的蒸发，如它的汽化热为q （单位：kJ/kg ），则其蒸发量：
()q
t t C W q Q W 0'-•==
（7-3）
如介质的分子量为M ，则在沸点下蒸发蒸气的体积Vg （单位：m 3）为：
()273
2734.222732734.220
00t q M t t C W t M W Vg +••-••=+•=
（7-4）
假设这些带有氯气的空气以半球形向地面扩散,则可求出该氯气扩散半径为:
30
3
00994.2/3
421/C Vg C Vg R =
⨯=
π （7-5） 式中R ——有毒气体的半径，m ； Vg ——有毒介质的蒸气体积，m 3； C O ——有毒介质在空气中的危险浓度，%; （5）气体连续扩散高斯分布
采用世界银行提供的中等密度云连续扩散模型（高斯扩散模型），分析时，根据分析源周边的实际情况，考虑地面有效粗糙度并进行修正。

连续排放：
()⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧+-=222221exp ,,z y z y Z y u Q
z y x c σσσπσ （7-6）
式中c （ x,y,z ）——连续排放时，给定地点的污染物浓度，mg/m 3；
Q ——连续排放的物料流量，mg/s ； u ——平均风速，m/s;
x ——下风向距离，m; y ——横风向距离，m ； z ——离地面的距离，m;
σx ,σy ,σz ——x,y,z 方向扩散参数，按下表选择：
表2 不同大气稳定度下的扩散参数
有效粗糙度Z 0＞0.1m 的粗糙地形扩散参数按如下计算（地面有效粗糙度长度按下表选取）：
y yo y f σσ=
z z z f 0σσ=
(
)0001Z Z f y α+=
()()()x g f z Z x e d x c b Z x f ln 01
0000000ln ln ,--+-=
上式中，大气稳定度为D ，各参数按下表选择：
表4 不同大气稳定度下的系数值
（6）气体瞬时扩散高斯分布
采用世界银行提供的中等密度云瞬时扩散模型（高斯扩散模型）。

()()()⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧++--=22222
22/321exp 22,,,z y x z y x Z y ut x Q
t z y x c σσσμσσσπ （6-7） 式中c （ x,y,z,t ）——瞬时排放时，给定地点（ x,y,z ）和时间t 的污染物浓度，mg/m 3；
Q ——瞬时排放的物料流量，mg/s ； t ——瞬时排放时，污染物运行的时间，s ； u ——平均风速，m/s ； x ——下风向距离，m ； y ——横风向距离，m ； z ——离地面的距离，m ；
σx ,σy ,σz ——x,y,z 方向扩散参数，地面有效粗糙度修正等因素的修正方法同上。

瞬时源时，给定取样时间t （ s ），则按下式修正：
()()2.0min 10600/t y y σσ=
氯气管道连续泄漏模拟计算
（1)事故模式设定
选取氯气从液氯钢瓶连接管到真空加氯机之间的管道、阀门和压力表泄漏事故进行分析，按管道内径DN8计算:
压力：0.1MPa
泄漏裂口设定：设裂口直径为DN=8mm，
则裂口面积为5.027X10-5m2
（2)泄漏模拟计算结果
选取裂口面积为A ＝5.027X10-5m2，压力：0.1Mpa，
Cd＝0.65；ρ=1.468kg/m3;
P=202660Pa；P0=101330Pa; H=0m。

输入相关参数代入“有毒有害物质泄漏扩散模拟评价与风险分析系统”软件计算，泄漏模型选择：气体泄漏；扩散模型选择：连续排放；得计算结果如下：
泄漏速度=0.0376 kg/s；
气体流动情况分析：音速流动。

按泄漏时间15分钟计，得泄漏量为33.84 kg。

（3)风速为1.6m/s时，中毒危害距离
取xx市年平均风速：U＝1.6m/s; 代入软件计算，得扩散模拟计算结果详见下表。

（4)风速为1.0m/s时，中毒危害距离
取风速：U＝1.0m/s; 代入软件计算，得扩散模拟计算结果详见下表。

表5 在1.6m/s风速下，管道泄漏氯气扩散的中毒危害距离
液氯钢瓶阀门或易熔塞破损时连续泄漏模拟分析
1）事故模式设定
选取液氯瓶在起吊、装卸、使用过程中，更换瓶头接管、易熔塞针阀损坏等无法及时抢修，导致液氯连续泄漏事故模式进行分析，根据xx水厂液氯仓库的实际操作情况，选取单个液氯实瓶作为事故模式进行分析。

型号规格：800L 储存温度：计算时取293K
储存压力：0.6MPa 液氯密度：1470kg/m3
单瓶液氯重量：1吨
2）分析模型简介
按连续扩散浓度分布模型进行分析。

详见7.1所述。

3）单个氯实瓶连续泄漏
单个氯实瓶液氯最大存量为1000kg，以准静风和平均风速分别为1.0和1.6m/s，大气稳定度为D级进行计算分析，模拟出氯气在空间中的浓度分布。

将有关数据代入“有毒有害物质泄漏扩散模拟评价与风险分析系统”软件进行计算，7种空间浓度计算结果如下表所示。

①单个氯实瓶发生单个阀连续泄漏时的计算结果见下表。

②单个氯实瓶2个针阀和1个易熔塞同时发生连续泄漏时的计算结果见下表。

4）6个氯实瓶连续泄漏
以准静风和平均风速分别为1.0和1.6m/s，大气稳定度为D级进行计算分析，模拟出氯气在空间中的浓度分布。

将有关数据代入“有毒有害物质泄漏扩散模拟评价与风险分析系统”软件进行计算，7种空间浓度计算结果如下表所示。

①6个氯实瓶的6个针阀同时发生连续泄漏时的计算结果见下
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表。

②6个氯实瓶的12个针阀和6个易熔塞同时发生连续泄漏时的计算结果见下表。

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