液氨泄漏扩散模拟及危害评估_夏登友
DOI:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2014.03.010
第24卷第3期2014年3月
中国China
安全Safety
科学Science
学报Journal
Vol ．24No ．3Mar ．2014
液氨泄漏扩散模拟及危害评估
夏登友
1，2
1
2
2
*
姜连瑞段在鹏副教授钱新明教授黄金印
（1北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京1000812中国人民武装警察部队学院消防指挥系，河北廊坊065000）
1
学科分类与代码：6202740（安全模拟与安全仿真学）中图分类号：X937文献标志码：A “十二五”资助项目：国家科技支撑计划课题（2012BAK13B01）；公安科技强警基础工作专项课题（2011GABJC023）。
【摘要】针对液氨泄漏事故建立基于高斯烟羽模式的泄漏扩散模型，模拟液氨储罐泄漏事故，分
探讨其危害范围和应急救援区域划分，并其引发人员中毒和爆炸的危险析液氨扩散后的浓度分布，
性。研究结果表明：用高斯烟羽模型可以模拟液氨泄漏，模拟评估结果可为现场救援人员采取安全防护措施、疏散现场群众及制定危害管理计划等提供理论依据和技术指导。【关键词】液氨；泄漏；扩散模拟；高斯烟羽模型；危害评估
Diffusion simulation and hazard evaluation for liquid ammonia leakage
2
XIA Deng-you 1，QIAN Xin-ming 1HUANG Jin-yin 2JIANG Lian-rui 2DUAN Zai-peng 1
（1State Key Laboratory of Explosion Science ＆Technology ，Beijing Institute of Technology ，Beijing 100081，China 2Department of Fire Commanding ，Chinese People's Armed Police
Force Academy ，Langfang Hebei 065000，China ）
Abstract ：A diffusion model of liquid ammonia leakage accident was built based on Gaussian plume mode．An accident of a certain tank containing liquid ammonia was taken as the example．Distribution of diffusion concentration ，hazard distance and emergent rescue zones were simulated numerically．On basis of simulation ，the hazards of intoxication and explosion were evaluated．Ｒesearchresults show that Gaussi-an plume model could simulate liquid ammonia leakage accident ，and that simulation and evaluation re-sults could provide theoretical basis and technical guidance for emergency rescuers to take safety protection measures ，evacuate crowds nearby and make hazard management plans．
Key words ：liquid ammonia ；leakage ；diffusion simulation ；Gaussian plume model ；
hazard evaluation
［1］
被损毁，直接经济损失1. 82亿元；2013年8月31日，上海市宝山区上海翁牌冷藏实业有限公司发
0引言
近年来，随着我国制冷企业的快速发展以及液
氨制冷剂的广泛应用，液氨泄漏事故不断发生。液氨泄漏后会迅速扩散，形成大面积的危险区域，不仅对周围的环境和人员造成严重的危害，而且易引发火灾和爆炸等事故，其复杂性、综合性、非常规性日益明显。2013年6月3日，吉林省德惠市宝源丰禽业有限公司因氨气泄漏爆炸，导致121人死亡，76人受伤，17234m 2主厂房及主厂房内生产设备
25人不同程度受生液氨泄漏，造成15人死亡，
［2］
伤。近年来，国内外学者在液氨泄漏的扩散模拟及危害评估方面做过大量研究工作。如华敏等采用Matlab 数值分析方法，针对氨气泄漏扩散事
［3］
故，分别基于美国工业卫生协会确定的应急响应计划指南（emergency response planning guidelines ，EＲPG）和国内评价标准对应急区域和事故后果影
［4］
响区域的划分进行了分析；杨涛等基于高斯烟羽
*文章编号：1003－3033（2014）03－0022－06；收稿日期：2013－12－20；修稿日期：2014－01－22
第3期夏登友等：液氨泄漏扩散模拟及危害评估
·23·
，模型，编制氨气扩散的“模拟软件”模拟不同破裂
面积、压力、温度以及天气情况下氨气泄漏的影响范围；王洪德等以大连某化工园区液氨储罐泄漏为背景，基于高斯烟羽模型对液氨泄漏的扩散规律进行了数值仿真研究。上述研究基于不同的方法确定了液氨泄漏扩散的规律和影响范围，为泄漏扩散事故危害评估提供了一些定量分析模型。然而，多数研究只给出氨气的扩散距离和浓度，没有充分考虑氨气的毒性等级对危害后果的影响，对液氨泄漏后的危害范围和应急救援区域划分不明显。鉴于此，笔者将通过对液氨泄漏扩散的数值模拟，计算液氨扩散地面中心线上的气体浓度分布，结合氨气浓度评估氨气扩散的危害区与毒性及危害程度的关系，域和范围，并提出区域人员安全防护、疏散警戒和预防爆炸等的安全管理措施的建议。
［5］
风速是均匀、稳定的；②泄漏源的源强Q 为连续、均
匀的；③泄漏气体的质量是守恒的，地面对其起全反射作用，不发生吸收和吸附作用；④不考虑重力作用；⑤在下风向的湍流扩散相对于移流相可忽略不计；⑥扩散气体的浓度在主导风向和垂直主导风向上的分布符合正态分布。1．2
模型的浓度分布模式
高斯烟羽模型的质量浓度分布模式如下：
Q y 2
C （x ，y ，z ，H ）=exp （－2σ22πμσy σz y （z －H ）2（z +H ）2
｛exp ［－］+exp ［－］｝（1）
2σ22σ2z z
y ，z ，H ）为任一点泄漏气体的质量浓度，式中：C （x ，
mg /m3；Q 为源强，指单位时间泄漏点源排放的气体mg /s；σy 为水平扩散参数，m ；σz 为垂直扩散参数，量，
m ；μ为平均风速，m/s；H 为泄漏点源的有效高度，m 。
z =0时，当y =0，由式（1）可得到扩散地面中心线上泄漏气体质量浓度的模式：
Q H 2
C （x ，0，0，H ）=exp （－）
2σ2πμσy σz z 1．3
扩散参数的确定大气稳定度
1．3．1
（2）
［6］
1高斯烟羽模型
目前，国内外关于化学危险性气体扩散研究中
［6］
的数值模型有高斯模型、BM （Britter and
［8］
McQuaid ）模型［7］，及三维有限元模型，每一种扩散数值模型都有其适用条件和应用范围。如高斯模
型适用于密度与空气相差不多的气体或经短时间的空气稀释后密度与空气接近的气体扩散，包括高斯烟团模型和高斯烟羽模型。其中，高斯烟羽模型适用于连续源或泄放时间大于或等于扩散时间的泄漏，其运算量小，试验数据多，计算结果与试验值吻合好，在气体泄漏扩散中得到广泛应用1．1
模型的假定条件
［9］
大气稳定度表示空气块在竖直方向的稳定程
度，其对泄漏气体扩散有很大影响。帕斯奎尔（Pas-B ，C ，D ，E 和F quill ）将大气的扩散稀释能力分为A ，等6个稳定度级别，分别对应极不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、弱稳定、稳定。根据观测到的风速、云量、云状和日照等气象资料，确定气体泄漏扩散时的大气稳定度
［10］
。文中选
用高斯烟羽模型对液氨气体扩散进行模拟。采用高斯烟羽模型对气体扩散进行数值模拟
［6］
时，假定如下条件：①在气体扩散的整个空间中，
表1白天
地面上10m 处风速/（m ·s
＜22 33 55 6＞6
－1
（表1）。
帕斯奎尔大气稳定度级别P-G Stability Categories
夜晚
阴云密布的白天或夜晚
弱
B C C D D
D D D D D
E D D D
F E D D
薄云遮天或低云≥4/8
云量≤3/8
Table 1
）
强A A －B B C C
日照中等A －B B B －C C －B D
1．3．2P －G 曲线
吉福德（Gifford ）在帕斯奎尔大气稳定度分级的
基础上建立了扩散参数σy 和σz 与下风向距离x 的函数关系，并将σy =f （x ）和σz =f （x ）函数关系绘制
·24·
成图1所示的P －G 曲线图
［10］
中国安全科学
China Safety Science 学报
Journal 第24卷2014年
。
图1P －G 扩散曲线图
P －G curve
Fig．1
1．3．3
扩散参数首先，根据地面上方10m 处的风速、日照等级、阴云分布及云量等气象资料，按照表1确定泄漏事故时当地的大气稳定度级别；然后，利用P －G 扩散曲线图查出对应于当时当地的大气稳定度及下风向距离为x 的σy 和σz 值。
2．1模拟参数源强Q
2．1．1
液氨为液化储存状态，其泄漏属于液相泄漏。
［11］
假定源强不随时间变化，泄漏源强度Q 可由下式得到：
0+2gh （3）ρ
kg /s；C d 为液体泄漏系式中：Q 为液体泄漏源强，
Q =C d A ρ
2泄漏扩散模拟
以某液氨储罐泄漏事故为例，采用高斯烟羽扩
散模式，模拟液氨连续泄漏扩散情况。液氨泄漏扩散可分为液氨泄漏、液氨闪蒸和气态氨扩散3个过程：①液氨泄漏是加压液态氨泄漏到常温常压的周边大气环境中。②液氨闪蒸是指液氨泄漏到大气中后，因压力瞬间变为常压，其中一部分迅速蒸发为气体；液体泄漏的闪蒸量Q s 可由下式计算Q s =5F v W T （F v 为闪蒸率，%；W T 为泄漏总量，kg ）［11］。已知液氨的F v 值为18. 3%，通过计算可知液氨泄漏时将有91. 5%的液氨被迅速蒸发，为了计算方便，假定液氨泄漏时全部被蒸发。③气态氨扩散是指氨气在大气中的扩散。
3
假设该液氨储罐容积为60m ，由于某种原因导致其罐体出现一个60mm ˑ 4mm 的裂缝，裂缝距
m 2；ρ为液体的密度，数；A 为泄漏孔口的面积，
kg /m3；p 为容器内介质压力，Pa ；p 0为环境压力，Pa ；
2g 为重力加速度，取9. 8m /s；h 为裂口之上的液位
m 。高度，
取液氨的温度为25ħ ，液氨的密度为ρL 为608kg /m3，泄漏孔处的液体泄漏系数C d 为0. 55，根据式（3）计算液氨的泄漏源强：
Q =C d A ρ2．1．2
0+2gh =4．79（kg /s）ρ
泄漏源有效高度H
储罐泄漏口距离地面的高度约为2. 6m ，因此，泄漏源有效高度H 取2. 6m 。2．1．3
扩散参数σy 和σz 泄漏事故当日为阴天，根据帕斯奎尔大气稳定
离地面约2. 6m ，距离罐内液面约1. 1m 。泄漏时车
6
体表压为1. 06ˑ 10Pa ，泄漏地点周围是空旷地带。当日气象：阴，西南风3—4级，气温17 29ħ 。
度级别，确定当日大气稳定度为中性D 。利用P －G
扩散曲线图可得到泄漏源下风向距离为x 的扩散参数σy 和σz 值（表2）。
第3期
表2
Table 2
x σy σz
1007. 94. 6
15011. 26. 0
20016. 39. 1
夏登友等：液氨泄漏扩散模拟及危害评估
大气稳定度为D 时泄漏源下风向不同距离x 和对应的扩散参数σy ，σz 值
·25·
Downwind distance （x ）and dispersion coefficients （σy ，σz ）when atmosphere stability is D
30022. 412. 9
40028. 816. 8
50035. 318. 1
60043. 620. 7
80057. 727. 2
100070. 030. 3
120078. 533. 8
150089. 639. 1
180011045. 0
240015454. 6
300018562. 7
m 400024076. 0
2．1．42．2
平均风速μ
根据当时的气象资料，平均风速为3. 5m /s。模拟计算
0，z ），x 轴与主导风向一取泄漏点源坐标为（0，
表3
Table 3
x /m
100
150
200
300
垂直于主导风向的水平方向为y 轴，铅直方向为致，
z 轴。假定液氨泄漏时全部蒸发，根据式（2）计算氨气扩散地面中心线上不同位置的气体质量浓度（表3）。
沿地面中心线扩散的氨气质量浓度400
500
600
800
[***********]0030004000
51. 8
37. 5
23. 9
Mass concentration of gaseous ammonia diffusing along ground central line
c /（mg ·m －3）10223. 05904. 62820. 9478. 0890. 1675. 2479. 1276. 4204. 7163. 8124. 187. 9
3
3．1
泄漏危害评估
毒性危害评估毒性等级
表4
Table 4
－3
扩散质量浓度/（mg ·m ）
3500 7000
气对人体的危害很大，空气中最高允许质量浓度为30mg /m3。表4给出了氨气质量浓度与毒性及危害程度的关系
［12］
3．1．1
。
液氨发生泄漏时，因压力降低而气化为氨气，氨
氨气质量浓度及其危害程度间的关系
毒性和危害程度
立即死亡可危及生命立即咳嗽
刺激强烈
鼻、眼刺激，呼吸及脉搏加速眼和上呼吸道不适、恶心、头痛呼吸变慢空气中最高允许浓度，无明显刺激作用
作用时间/min
30
[1**********]045
Ｒelationshipbetween mass concentration and hazard of gaseous ammonia
1750 3500
700553175 3501407030
140，对泄漏氨气进行毒性评估时，选取30，
553，1750和3500mg /m3为危害质量浓度阈值，分别代表氨气对人体无明显刺激、轻度危害、中度危害
、强烈刺激、危及生命和即时死亡的质量浓度。3．1．2
泄漏扩散质量浓度分布等浓度曲线
参照表3的模拟计算数据，估测泄漏源下风向
同理，在同一坐标系中可分别作出扩散值为140，
553，1750和3500mg /m3的等质量浓度曲线（图2）。
3200m 处氨气的扩散质量浓度值约为30mg /m3。为确定扩散值的等浓度曲线，可取下风向距离值的
［13］
一半作为曲线的中心点，即x =1600m 。查图1x 为1600m 时，得，σy 为105m ，σz 为43m 。根据式（1），计算z 为0时，等浓度曲线的纵坐标y 为160. 4m 。以主导风向为x 轴，垂直于主导风向的水平方向为y 轴，氨气泄漏点为坐标原点，可作出扩散
3
值为30mg /m的等质量浓度曲线。
图2Fig．2
氨气连续泄漏后的危险区域continuous leakage
Hazardous area after gaseous ammonia
3．1．3安全防护
1）根据图2绘制的等浓度曲线可知，a 区内氨
3
是液氨泄漏事故即气的质量浓度大于3500mg /m，
时死亡区，进入此区域的人员必须进行一级安全防
·26·
中国安全科学China Safety Science 学报
Journal 第24卷2014年
护，着内置式重型防化服，佩戴正压式空气呼吸器。
2）b 区内氨气的质量浓度在1750和3500mg /m3之间，是液氨泄漏事故可危及生命区，进入此区域内人员也必须进行一级安全防护，着内置式重型防化服，佩戴正压式空气呼吸器。c 区内氨气的质量浓度在553和1750mg /m3之间，是液氨泄漏事故的强烈刺激区，有严重症状，进入此区域内人员同样进行一级安全防护，着内置式重型防化服，佩戴正压式空气呼吸器。
4）d 区内氨气的质量浓度在140和553mg /m3
之间，是液氨泄漏事故的中度危险区，进入此区域内着封闭式防化服，佩戴人员必须进行二级安全防护，
正压式空气呼吸器或全防型滤毒罐。
5）e 区内氨气的质量浓度在30和140mg /m3
之间，是液氨泄漏事故的轻度危险区，进入此区域内着简易防化服，佩戴面人员必须进行三级安全防护，罩、口罩或简易滤毒罐。
6）f 区内氨气的质量浓度小于30mg /m3，属空气中允许浓度，无明显刺激作用，符合国家卫生标准。3．1．4
人员疏散与现场警戒
a 区、b 区、c 区、d 区内氨气浓泄漏事故发生后，3）
围时将可能引发爆炸事故。氨气在空气中的爆炸极
限为15. 7% 27. 4%（体积分数），已知氨气的密度
3为771mg /m，因此，氨气爆炸极限转化成质量浓度
3
为121. 0 211. 3mg /m。由表3模拟计算可知：泄
漏事故发生后，扩散地面中心线1000 1500m 范围内为泄漏氨气的爆炸极限区，在该区域内一定要采取禁止明火、禁止使用无线通讯设备、移除与氨气反应的油类或其他可燃性物质等安全管理措施，防止爆炸事故的发生。3．3
实际危害程度与模拟计算结果的讨论
在评估化学危险性物质泄漏扩散危害程度时，除考虑泄漏介质浓度的影响外，还应当考虑人员在泄漏扩散环境中的停留和接触时间。停留和接触时间越长，实际危害越严重。液氨泄漏事故发生后，救援人员会在短时间内采取有效措施，控制并制止泄漏。因此可以认为，一旦发生泄漏扩散事故，其实际的危害程度将会比模拟计算的结果要低。
4结论
1）基于高斯烟羽模式的泄漏扩散模型可对连续泄漏的液氨扩散进行数值模拟，模拟结果及危害评估可为安全防护、人员疏散和现场警戒等提供理论依据和技术指导。
2）对氨气泄漏进行毒性评估时，140，选取30，553，1750和3500mg /m3为危害质量浓度阈值，把现场分成无明显刺激区、轻度危害区、中度危害区、强烈刺激区、危及生命区和即时死亡区等6个区域，更能反映氨气泄漏现场实际情况。
3）高斯烟羽模型是基于某些假定条件，且计算中各种参数的取值也有一定误差，因而是一种非常理想化的泄漏状态数值。在实际事故中存在诸多不确定性因素，因此，应结合事故现场的实际情况，对模拟分析结果进行必要的修正，从而为事故应急救援提供更为可靠的参考。
度较高，对人员危害较大，无关人员必须快速疏散；
e 区为轻度危险区，有轻度刺激，人员脱离染毒环境后经一般治疗能自行恢复，因此，救援人员可对疏散群众作原则上指导。
泄漏现场和扩散区域必须实施双重警戒：a 区、b 区、c 区是重度危险区，实施第一重警戒，只允许侦e 区是现场查人员和抢险救援人员进入作业；d 区、处置人员集结地，实施第二重警戒，无关人员和车辆一律清除至第二重警戒线之外。3．2
爆炸危害评估
当液氨泄漏量较大、气体浓度达到爆炸极限范
参考文献
［1］
EB /OL］．［2013－07－国家安全生产监督管理总局．吉林省长春市宝源丰禽业有限公司火灾爆炸事故调查报告［
11］．http ：//www．chinasafety．gov．cn /newpage/Contents/Channel_20132–0711/212464/content_212464．htm．State Administration of Work Safety．Investigation report on fire explosion accident of Baoyuanfeng poultry industry limited company ［EB /OL］．［2013－07－11］．http ：//www．chinasafety．gov．cn /newpage/Contents/Channel_20132－0711/212464/content_212464．htm．
［2］
“8·31”N /OL］．（2013－09－03）．中国安全生产报．http ：//www．aqsc．cn /上海翁牌冷藏实业公司重大事故追踪［101810/101931/299748．html．
第3期夏登友等：液氨泄漏扩散模拟及危害评估
·27·
“8·31”Major accident tracking of Shanghai Weng brand refrigeration industrial company ［N /OL］．（2013－09－03）．Newspaper of China's Safety Production．http ：//www．aqsc．cn /101810/101931/299748．html．
［3］
．工业安全与环保，2012，华敏，尹新，潘旭海．氨气泄漏事故应急区域及中毒风险的MATLAB 分析［J ］38（11）：5－6，38．HUA Min ，YIN Xin ，PAN Xu-hai．MATLAB analysis of emergency area decision and poisoning risk for ammonia release ［J ］．Industrial Safety and Environmental Protection ，2012，38（11）：5－6，38．
［4］
J ］．计算机与应用化学，2011，28（10）：1285－1288．杨涛，王旭炎，李艳辉．氨气泄漏事故的统计及后果分析［YANG Tao ，WANG Xu-yan ，LI Yan-hui．Accident statistics and consequence analysis of ammonia leakage ［J ］．Comput-ers and Applied Chemistry ，2011，28（10）：1285－1288．
［5］
J ］．中国安全科学学报，2012，22（9）：31－36．王洪德，莫朝霞．基于高斯模型的液氨储罐泄漏扩散仿真分析［
WANG Hong-de ，MO Zhao-xia．Simulation of liquid ammonia storage tank leakage diffusion based on Gaussian model ［J ］．2012，22（9）：31－36．China Safety Science Journal ，
［6］
D ］．成都：西南交通大学，2011．王丹．道路运输有毒气体泄漏扩散模拟分析研究［
WANG Dan．Ｒesearchon simulation and analysis of toxic gas dispersion from road tank car ［D ］．Chengdu ：Southwest Jiaotong University ，2011．
［7］
．中国安全科学学报，2007，张建文，安宇，魏利军．化学危险品事故应急响应大气扩散模型评述［J ］17（6）：12－17．
ZHANG Jian-wen ，AN Yu ，WEI Li-jun．Ｒeviewon atmospheric dispersion models for emergency response to chemical J ］．China Safety Science Journal ，2007，17（6）：12－17．accidents ［
［8］
J ］．工业安全与环保，2005，31（10）：313－316．周波，张国枢．有害物质泄漏扩散的数值模拟［
shu．Numerical simulation for the leakage diffusion of harmful materials ［J ］．Industrial Safety ZHOU Bo ，ZHANG Guo-and Environmental Protection ，2005，31（10）：313－316．
［9］
［J ］．中国安全科学学报，2011，21（1）：37－42．孙莉，赵颖，曹飞，等．危险化学品泄漏扩散模型的研究现状分析与比较
SUN Li ，ZHAO Ying ，CAO Fei ，et al．Comparison and analysis on the research situation of release and dispersion models of hazardous chemicals at home and abroad ［J ］．China Safety Science Journal ，2011，21（1）：37－42．
［10］郭立新，M ］．北京：北京大学出版社，2012：65－66．巴琦，秦传玉．空气污染控制工程［
BA Qi ，QIN Chuan-yu．Air pollution control engineering ［M ］．Beijing ：Peking University Press ，2012：65－66．GUO Li-xin ，［11］吴宗之，M ］．北京：冶金工业出版社，2004：175－177．高进东，魏利军．危险评价方法及其应用［
WU Zong-zhi ，GAO Jin-dong ，WEI Li-jun．Ｒiskevaluation method and its application ［M ］．Beijing ：Metallurgical Indus-2004：175－177．try Press ，
［12］公安部消防局．危险化学品应急处置速查手册［M ］．北京：中国人事出版社，2002：279－280．
Fire Department of Ministry of Public Security．Emergency manual of disposing chemicals ［M ］．Beijing ：Chinese Person-nel Press ，2002：279－280．
［13］
PAN Xu-hai ，JIANG Jun-cheng．Numerical analysis of diffusion process of flammable and toxic gases discharging accident ［C ］．Progress in Safety Science and Technology．Beijing ：Chemical Industry Press ，2000：297－
301．
作者简介：夏登友（1973－），男，安徽庐江人，中国人民武装警察部队学院副教授，灭火
北京理工大学在读博士，主要研究方向为应急救援救援技术公安部重点实验室研究人员，
mail ：xiadengyou@126．com．指挥与技术。E-