氯氣泄漏擴散過程及后果評價的研究現狀分析

王森林，王駿逸，孫寶江，王文和，3

（1. 中國石化集團 四川維尼綸廠，重慶 401254；2. 重慶科技學院 安全工程學院，重慶 401331；3. 重慶市安全生產科學研究院，重慶 401331）

環境評價

氯氣泄漏擴散過程及后果評價的研究現狀分析

王森林1，王駿逸2，孫寶江2，王文和2，3

（1. 中國石化集團 四川維尼綸廠，重慶 401254；2. 重慶科技學院 安全工程學院，重慶 401331；3. 重慶市安全生產科學研究院，重慶 401331）

綜述了氯氣泄漏擴散過程及后果評價的研究成果。從現場試驗、實驗室模擬和數學模擬三方面分析了氯氣泄漏擴散各研究方法的優勢和局限性。強調了氯氣泄漏擴散后果評價的必要性。指出：必須針對中國特有的一些重氣擴散建立專屬知識產權的數學模型；不同層次數學模型的精度皆有待于進一步提高；需加強基于特定數學模型的全過程統一界面模擬程序的開發。

氯氣泄漏；實驗模型；擴散規律；后果評價

氯氣常溫常壓下是黃綠色、具有強烈刺激性的有毒氣體，屬劇毒化學品，其化學性質活潑，能與多種物質發生反應。氯氣可溶于水，易溶于堿液，易壓縮（由氣態壓至液態體積縮小至1/400），相對分子質量70.91，相對密度2.49，熔點-101℃，沸點-34.6 ℃。氯氣在空氣中不能燃燒，但能助燃，和體積分數5%的氫氣混合時會發生爆炸。空氣中氯氣含量達到300 mg/m3就會對人體造成致命損傷。

氯氣通常以液態存于鋼制儲罐內［1］。由于儲罐受到腐蝕或外力等諸多因素的破壞，一旦氯氣發生泄漏擴散，不僅會導致周圍人員的中毒和企業的重大損失，而且會對社會的安定性造成影響。因此，對氯氣泄漏擴散空間模型的建立以及氯氣中毒后果的評價成為研究熱點［2-5］。重氣是指泄漏到大氣中以氣態或氣溶膠狀態存在的比空氣重的準氣態物質，如氯氣、氨氣、液化天然氣（LNG）等。因氯氣屬于重氣的一種，故對重氣泄漏擴散的研究也適用于氯氣。當前，對氣體泄漏擴散過程的研究主要有理論研究和試驗研究兩方面：理論方面，主要是針對重氣泄漏擴散的物理過程，建立氣體擴散體系和相對應的數學模型、后果分析和評價模型等；試驗方面，得到氣體泄漏擴散的初始數據，為建立數學模型、驗證數據資料提供幫助。

本文綜述了氯氣泄漏擴散過程及后果評價的研究成果，以期為氯氣泄漏防治提供一定的參考。

1 氯氣泄漏擴散的試驗研究

1.1 現場試驗

現場試驗分全尺寸試驗和縮比試驗兩類，其中，全尺寸試驗為物質泄漏擴散規律的研究提供了寶貴的資料，至今國內外研究人員仍沿用現場試驗的數據來驗證數值模擬試驗和實驗室數據的準確性。

1.1.1 全尺寸試驗

全尺寸試驗是在真實的地形、氣象條件場景下，利用試驗物質再現事故場景的方法來研究物質泄放后的擴散規律，可獲取準確可靠的原始數據，為理論研究提供數據保證。全尺寸試驗與其他試驗方法相比需要大量的科研經費和巨大的工作量，需要多個研究機構和團隊來共同實現。在1970～1980年間，美英兩國的研究機構將LNG設為泄漏物進行了多次全尺寸試驗，得出了LNG的擴散規律。在20世紀80年代初，由歐洲委員會資助進行了Thorney Island［6-8］等一系列重氣泄漏擴散大規模現場試驗，獲取了大量重氣云在粗糙地形下發生瞬時泄漏擴散的原始數據。后來，在Thorney Island試驗的基礎上又進行了進一步的擴散試驗，得到了寶貴的試驗資料。這些資料為開展重氣泄漏擴散規律的研究奠定了基礎。美國Lawrence Livermore國家實驗室設計的Burro試驗，重點研究了LNG的蒸發擴散規律。Thorney Island試驗和Burro試驗的結果得到了專家學者的認可，成為研究氣體泄漏擴散情況時進行驗證、誤差估計的依據［9-10］。

全尺寸試驗在完全真實的環境條件下進行，不用任何的假設條件，對于物質擴散機理的基礎理論研究和模擬試驗具有十分重要的意義。但全尺寸試驗也存在一些缺陷，如前期需進行大量準備工作，試驗期間需投入大量的人力和物力，對于危險物質進行試驗時，一旦氣象條件出現意外情況，很可能導致不可控的后果，且天氣情況和地形條件受到多種因素的影響，很難使試驗重復進行。

1.1.2 縮比試驗

縮比試驗是在全尺寸試驗的基礎上，按照一定的比例，規定試驗場景的尺寸和參數，以達到縮小全尺寸試驗的目的。兩者的基本原理是相似的，即運動相似、動力相似。對于重氣流體均需考慮重力作用，即滿足原型和模型的Froude數相同的條件，泄漏數據可通過縮比試驗所得數據結合一定比例換算得出。縮比試驗能良好地模擬出重氣擴散的真實場景。Dandrieux［11］等以氯氣為介質，采用縮比試驗研究了水幕對可溶性有害氣體擴散效率的影響，較為真實地模擬出了氯氣在現實環境下的擴散規律。Hall等［12］用氟化氫進行了縮比試驗，并創新性地提出了新的研究方向。與全尺寸試驗相比，縮比試驗具有尺寸小、試驗物質用量少、對于一些危險物質的泄漏潛在風險小、試驗周期短、效率高等優點。由于相似準則存在一定的影響因素，加之縮比試驗器材制造上有誤差，故縮比試驗的精度比全尺寸試驗要低。另一方面，縮比試驗與現場試驗一樣，具有無法重復的缺點。

1.2 實驗室模擬

現場試驗耗時耗力，并且試驗條件具有不確定因素。隨著實驗室的發展和完善，以及現場試驗數據的積累，國內外許多實驗室已經開始進行模擬危險氣體擴散的研究［13］。

實驗室模擬與縮比試驗的方法近似，都是在一定范圍內對真實氣體泄漏擴散場景的模擬。由于現場試驗受到諸多條件的限制，目前研究重氣擴散的主要試驗方法是實驗室模擬，其中應用最多的是風洞和水槽模擬試驗。相對于全尺寸試驗和縮比試驗而言，實驗室模擬操作簡單、可重復性高、試驗條件可控性好，它不僅能直觀地了解重氣的物理擴散過程，更可清楚地掌握擴散規律和擴散趨勢，為以后的模型設計提供有力支持。

1.2.1 風洞模擬試驗

風洞模擬試驗與縮比試驗不同，需要嚴格遵照相似準則，在等比例縮小物理模型的基礎上，還要滿足實際物理過程的科學合理性，對于大氣邊界層的模擬，模型與原型的Reynolds數、Rossby數、Prandtl數、Richardson數和Eckert數需分別保持一致。該試驗方法具有現場觀測的真實性和數學計算的可預測性等優點［14］。

國外研究風洞模擬試驗最早，并有很多研究成果，Krogstad等［15］通過風洞試驗模擬發現建筑物會相應阻擋重氣擴散。Meroney［16］以LNG為泄漏物，模擬出了重氣高架釋放和地面釋放的擴散過程，有助于LNG泄漏擴散的研究。

周洪昌等［17］設計了風洞模擬試驗，利用1/250的模型研究了在城市街道中汽車尾氣排放物的擴散過程，考慮了建筑物、風速、風向、人群等因素之間的關系。試驗證明了城市中大氣邊界層的數據與風洞模擬邊界層非常接近，由于平行風與正交風的共同作用導致污染物濃度不滿足疊加原理，誤差很大。張林霞等［18-19］以川渝地區含硫氣田為研究對象，進行了假設發生井噴事故時H2S擴散的風洞試驗，將H2S擴散情況進行了比較分析，對含硫井田作業安全提出了寶貴建議。姜傳勝等［20］對比了氣體泄漏擴散的風洞試驗模擬結果與SLAB模型的計算結果，發現兩種結果相一致，即風速大小對重氣連續泄漏擴散產生一定的影響。為了研究障礙物（建筑物）與植物對重氣擴散的影響，劉國梁等［21］進行了風洞模擬試驗，在變形源假設的基礎上，闡述了重氣的擴散規律。

1.2.2 水槽模擬試驗

水槽模擬是利用液體在水槽中的流動來模擬氣體擴散的方法。水槽模擬的可視化效果好，可以清晰地觀察到氣體擴散的整個過程。宣捷［22］利用水槽模擬法方法來模擬大氣環境下中性氣體污染物的擴散過程，取得了較好的效果。秦頌等［23］利用水槽模擬法模擬重氣擴散，證明了水槽模擬的可行性。國外也有利用水槽模擬方法來模擬重氣擴散的研究。在模擬中性氣體方面，水槽模擬具有操作簡單、可重復性好、可信度高等優勢，但水和重氣在運動黏度和比熱容方面差異較大，模擬重氣擴散的可靠度還有待檢驗。

1.3 小結

總體而言，無論是現場試驗研究和實驗室模擬研究，在試驗中均存在條件不可控、重復性不佳、人力和財力耗費高等缺點，因此均難以普遍開展，即使利用其他混合氣體來替代所研究氣體，也難以獲得預期的效果。隨著數值分析方法的逐漸成熟和計算機技術的迅速發展，未來的研究重心將逐漸轉移到氣體擴散模型的開發和應用上。

2 氯氣泄漏擴散的數學模擬

在有關泄漏擴散數據的基礎上，國外研究人員發明了唯象模型（Empirical Model，EM）、箱模型（Box Model，BM）、淺層模型（Shallow Layer Model，SLM）和計算流體力學模型（Computaional Fluid Dynamic Model，CFDM）4種擴散模型，并以此為基礎，衍生出上百種數學擴散模型來研究重氣云泄漏擴散的規律。

2.1 國外研究

2.1.1 EM

EM是指通過一系列圖表或者簡單關系式來描述擴散行為的模型。Briter和McQuaid通過對重氣泄漏擴散的研究，在處理和積累大量重氣擴散試驗數據的基礎上，按無因次形式將數據繪制成曲線或列線表，提出了B&M模型［24］。德國開發的VDI模型與B&M模型的處理方法很相似［25］。EM比較簡單，使用范圍窄，只能當作普通的篩選模型，在預測粗糙度大的地表重氣擴散時效果欠佳。

2.1.2 BM

van Ulden［26］觀察到重氣氣云下沉的現象，針對瞬間泄漏重氣云團，對高斯擴散模型進行改進，考慮了氣云的重力下沉，提出了BM的概念。BM將重氣比作一個圓柱形箱，假定濃度、溫度和其他場在某些空間范圍內的場分布是均勻的，而其他分布的參數均為零。該模型能預測重氣云團的總體特征如平均半徑、平均高度和平均氣云溫度，而不考慮空間上的其他細節特征。該模型具有簡單、計算量小、易于操作等優點，在平坦地形條件下的擴散預測結果和試驗結果相一致。但必須假設速度、濃度為簡單分布，而通常情況下均為不連續條件，故不適用于存在障礙物或者復雜地形情況下的模擬。

2.1.3 SLM

SLM是對重氣擴散的控制方程加以簡化來描述其物理過程。由于垂直方向上重氣的抑制作用以及近似均一的速度，它是基于淺層理論（淺水近似）推廣得到的［27］，主要包括質量、組分、動量和能量守恒偏微分方程。如果其他量增加到動量方程，還可用于山地等復雜地形上的重氣擴散。SLM具有計算量小、運算速度快的優勢，在復雜計算的工業項目中得到廣泛應用。同時，它能真實地模擬重氣煙云擴散的過程，且預測結果比BM更加準確可靠，因而得到一些國家環保機構的推薦［28］。

2.1.4 CFDM

CFDM是以數值計算為基礎，通過建立一定條件下的基本守恒方程，再結合時間流動問題給出初始條件和計算邊界條件，通過模型計算網格的劃分和計算域的離散化使得控制方程組封閉，可有效克服BM在模擬計算重氣泄漏擴散受重力和大氣環境影響時存在的缺陷。與此同時，CFDM相比其他模型具有更為優越的計算方法和精度。CFDM模擬了氣體的非定常湍流過程，最初由England等［29］提出，主要用于模擬重質氣體在三維空間內的流動擴散。在此基礎上，Hanna等［30］應用FLACS軟件建立3D模型，模擬計算儲罐內氯氣泄漏擴散的事故場景，發現氯氣在平坦地形擴散速度較快，導致事故的嚴重程度加重。CFDM不僅能模擬平坦地形下氯氣的泄漏擴散情況，也能得出復雜地形下氯氣的擴散規律。這種基于Navier-Stokes方程的三維CFDM的模擬計算方法，可以較好地模擬出重氣云泄漏擴散的過程，得到各氣體擴散參數的數據。

2.2 國內研究

我國對于化學物質泄漏機理及其擴散規律的研究相對于其他各國較晚，但也取得了很多成果。丁信偉等［31］在總結大量前人研究的基礎上，對比分析了不同氣體計算模型的優勢和局限性，并詳細闡述了不同模型的適用范圍，同時指出了危險氣體擴散的研究趨勢。

潘旭海等［32-37］基于泄漏的發生機理及擴散動力學過程，歸納出7種影響危險化學品泄漏擴散的主要因素，如泄漏源所在位置、地形等；此后，根據7種影響泄漏擴散的主要影響因素，獲得了16種事故性泄漏擴散模式，并根據各泄漏擴散情形下的初始條件，建立了危化品泄漏源強量化模型。

考慮到高斯模型和重氣模型等擴散模型在模擬管道天然氣泄漏擴散時的局限性，李又綠等［38］加入了重力和水平風速來修正邊界條件，建立起更適用的天然氣泄漏的擴散模型，獲得了與實際泄漏更貼近的管道天然氣泄漏擴散規律。

此外，魏利軍等［39-41］采用CFDM探討和分析了重氣擴散的紊流模型。馮志華等［42］對縮比試驗和風洞實驗的大氣穩定度、速度、氣流紊流程度對氣體流動的影響進行了重點研究，詳述了各試驗參數的求解方法和計算原理。張元興［43］對盒子模型與高斯模型進行了探討和分析，較真實地反應出重氣云團的擴散過程，提高了定量計算的精確度。

2.3 小結

當前，對氯氣泄漏擴散模型的研究還缺乏系統性，大部分以理論推導為主，且對影響泄漏擴散因素的研究主要是獨立的單因素研究。前人所建立的氯氣擴散模型也大多以高斯模型為基礎，由于高斯模型非常敏感于擴散環境的瞬變，且具有較差的適應性，所以在地形比較復雜的條件下誤差將明顯增大。雖然已有學者對氯氣泄漏擴散模型的研究取得了卓有成效的成果，但是模擬結果與實際情況下的數據仍有不小的誤差，所建立模型的適用條件較差，可信度也較小。

3 氯氣泄漏擴散的后果評價

泄漏擴散事故的后果評價可提前分析事故發生的可能性和嚴重程度，給出較為科學合理的評價結果，指導事故應急預案的編制，已經成為安全評價中普遍使用的方法［44］。

秦言杰等［45］指出，氯氣發生瞬時泄漏時在空間范圍內的擴散是一個動態過程，隨著時間的推演不斷發生改變，在不同的時間點，相同地理位置的氯氣濃度是不同的。隨著時間的變化，氯氣泄漏后依次出現致死區、重傷區、輕傷區、吸入反應區，并且液相泄漏致死區和重傷區下風向達到的距離是氣相泄漏的3～5倍。運用DNV公司SAFETI軟件模擬了氯氣發生泄漏擴散后引起中毒事故的后果，指出一旦發生液氯容器泄漏，應改變泄漏孔位置，使其位于氣相空間，以減少泄漏危害區域。

席學軍等［46］將動力學理論引入到氣體的擴散研究中，對城市地區發生的毒氣擴散事故進行了數值模擬，研究了毒氣發生擴散后周邊居民的中毒反應，并對事故后果進行了定量評價，從毒氣擴散的本質上分析了事故的發生原因。

此外，一些研究人員將高斯煙雨模型和事故風險概率這兩種研究方法相結合，分析了儲存在壓力容器內液氯泄漏事故的后果，按照一定標準得出了評價結果。

通過對氯氣泄漏擴散機理和規律的研究可以得出：一旦發生氯氣泄漏擴散的嚴重事件，應在最短的時間內以最大的效率有序地實施救援，保障生命和財產安全，保護環境，把突發事件造成的損失降低到最低程度。

4 結語

a）目前，我國對模型的理論研究較少，主要是針對己有模型的二次開發和數值論證。北美和西歐擁有比較成熟的重氣擴散數學模型。由于重氣擴散的復雜性，國外現有模型并不能全面解決我國在化工領域中遇到的諸多問題，如井噴重氣擴散的預測。因此，必須針對中國特有的一些重氣擴散建立專屬知識產權的數學模型。

b）國內外不同層次數學模型的精度皆有待于進一步提高，特別是CFDM精度的提高；而CFDM高精度的可用性在一定程度上受制于高性能計算機硬件的可用性。

c）目前，能夠做到重氣擴散全過程模擬的模型很少，且不實用，使得很多數學模型僅成為少數研究機構才可以操作的對象，故有必要加強基于特定數學模型的全過程統一界面模擬程序的開發。

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（編輯 魏京華）

Analysis on research status of diffusion process and consequence assessment of chlorine leakage

Wang Senlin1，Wang Junyi2，Sun Baojiang2，Wang Wenhe2，3

（1. SINOPEC Sichuan Vinylon Works，Chongqing 401254，China；2. College of Safety Engineering，Chongqing University of Science & Technology，Chongqing 401331，China；3. Chongqing Academy of Safety Science and Technology，Chongqing 401331，China）

The research results of diffusion process and consequence assessment of chlorine leakage are summarized. The strengths and limitations of research methods to chlorine leakage and diffusion are analyzed from three aspects of fi eld test，laboratory simulation and numerical simulation. The necessity of consequence assessment of chlorine leakage and diffusion is emphasized. It is pointed out that：The mathematical models with proprietary intellectual property right for unique heavy gas diffusion in China must be established；The accuracy of different-level mathematical models need to be further improved；The development of unifi ed interface simulation program on the basis of whole process of specifi c mathematical model need to be strengthened.

chlorine leakage；experimental model；diffusion rule；consequence assessment

X82

A

1006-1878（2016）03-0332-06

10.3969/j.issn.1006-1878.2016.03.019

2016 - 03 - 21；

2016 - 04 - 05。

王森林（1969—），男，四川省宣漢縣人，碩士，高級工程師，電話023 - 68974217，電郵 slwang666@126.com。

國家自然科學基金項目（91024031）；重慶市教委科學技術研究項目（KJ1501313）。