化工園區液氨臥式儲罐泄漏擴散特性研究*

毛盛，張曉民，王遠振，施曉旺

(浙江泰達安全技術有限公司，浙江杭州 310000)

液氨作為一種常用化學品，在工業中應用較廣，其中，化工園區液氨儲存量較大。液氨在空氣中易揮發，且具有一定毒性，遇到明火會發生火災甚至爆炸事故[1-3]。當液氨儲罐發生泄漏時，氨氣會擴散至周圍環境中，危害園區內工作人員的身體健康，同時存在一定的安全風險[4-7]。王丹等[8]以高斯羽流模型為基礎對液氨儲罐泄漏擴散進行了仿真分析，發現大氣穩定度越差，氨氣擴散危險區域面積越大，并得到了不同風速下人員受傷程度所對應的范圍區域。周玉希等[9]采用CASST軟件模擬了液氨泄漏事故后果，計算了不同泄漏模式和氣象條件下氨氣造成的死亡半徑、重傷半徑和輕傷半徑。杜喜臣等[10]基于事故樹方法研究了液氨泄漏的主要原因。陳杰等[11]采用分類方法分析了液氨泄漏事故后果。顧建偉等[12]研究了電廠內液氨儲罐泄漏對環境產生的風險。

筆者主要針對化工園區的液氨臥式儲罐進行了研究，分析儲罐壓力、泄漏孔徑、風速、環境溫度等因素變化對液氨泄漏擴散特性的影響。

1 建立模型

1.1 基礎參數

以某化工園區的液氨臥式儲罐為研究對象，液氨臥式儲罐容積為100 m3，溫度為16 ℃，液體密度為665 kg/m3，由于液氨儲罐泄漏受到儲罐壓力、泄漏孔徑、風速、環境溫度的影響，將這些因素作為控制變量進行研究，儲罐壓力設置為0.8，1.0，1.2，1.4，1.6 MPa，泄漏孔徑設置為0.05，0.07，0.09，0.11，0.13，0.15 m，泄漏孔高度設置為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m，風速設置為2，4，6，8，10 m/s，環境溫度設置為18，22，26，30，34，38 ℃。

1.2 建立模型

采用PHAST軟件建立液氨臥式儲罐模型，將泄漏孔設置在儲罐側面，泄漏孔設置為圓形，液氨臥式儲罐容積為100 m3，儲罐長度為14 m，直徑為3 m，泄漏孔的大小和高度為控制變量。

2 液氨臥式儲罐泄漏特性

2.1 風速對泄漏擴散的影響

改變環境風速，以泄漏點為起點，下風向為擴散方向，得到不同風速下液氨泄漏擴散的側視圖和俯視圖，如圖1和圖2所示。

圖1 不同風速下液氨泄漏擴散側視圖

圖2 不同風速下液氨泄漏擴散俯視圖

由圖1可見：隨著下風向距離的加大，氨氣云團在縱向上驟然擴散至較高高度，隨后維持在一定高度不變，最后擴散高度驟然降低為0，整體呈現類似“帽子”的形狀。風速為2 m/s時，下風距離為200 m時，氨氣擴散高度達到峰值，而風速為4 m/s至10 m/s時，下風距離為800 m時，氨氣擴散高度達到峰值。風速由4 m/s升高至6 m/s時，氨氣擴散的高度顯著升高，云團最大高度由12.9 m升高至15.8 m，而風速在6 m/s至10 m/s之間時，氨氣擴散高度變化并不明顯。因此，當外部風速高于6 m/s時，風速不再是影響氨氣云團縱向擴散范圍的主要因素。

由圖2可見：隨著風速的增加，氨氣云團俯視形狀逐漸在下風向拉長，在橫風向收縮，云團擴散面積變小，影響范圍相應變小。主要原因是風速加大，氨氣的自由擴散程度降低，受到風速的影響沿下風向擴散。當環境風速為2 m/s時，若人員距離泄漏點0 m至400 m時，應向云團兩側逃離避難，若人員距離泄漏點400 m以上時，由于云團橫風向寬度較大，人員應向下風向逃離避難。當環境風速為4 m/s至10 m/s時，人員應向云團兩側逃離避難。當外部風速高于6 m/s時，氨氣云團俯視擴散范圍變化較小，風速不再是主要影響因素。

2.2 孔徑對泄漏擴散的影響

改變孔徑尺寸，以泄漏點為起點，下風向為擴散方向，得到不同泄漏孔徑下液氨泄漏擴散的側視圖和俯視圖，如圖3和圖4所示。

圖3 不同泄漏孔徑下液氨泄漏擴散側視圖

圖4 不同泄漏孔徑下液氨泄漏擴散俯視圖

由圖3可見：隨著泄漏孔徑的增大，氨氣泄漏側視形狀由平緩的“山坡”形狀逐漸轉變為“山峰”形狀，即氨氣泄漏量增大，影響更高的區域。泄漏孔徑由0.05 m增加值0.09 m時，泄漏側視形狀變化較明顯，而泄漏孔徑大于0.09 m時，泄漏側視形狀變化較小，說明此時泄漏孔徑不再是影響縱向擴散的主要因素。

由圖4可見：隨著泄漏孔徑的增加，氨氣泄漏俯視形狀不發生改變，但是擴散范圍逐漸向泄漏位置收縮。主要原因是泄漏孔徑變大，液氨泄漏量增加，氨氣濃度變大，分子之間相互作用加強，更易發生聚集。泄漏孔徑由0.05 m增加至0.09 m時，泄漏俯視擴散面積縮小較明顯，而泄漏孔徑大于0.09 m時，泄漏俯視擴散面積變化很小，泄漏孔徑不再是影響橫向擴散的主要因素，即泄漏孔徑在0.05 m至0.09 m變化時對氨氣擴散范圍的影響較大。

2.3 泄漏孔高度對泄漏擴散的影響

改變泄漏孔高度，以泄漏點為起點，下風向為擴散方向，得到不同泄漏孔高度下液氨泄漏擴散的側視圖和俯視圖，如圖5和圖6所示。

圖5 不同泄漏孔高度下液氨泄漏擴散側視圖

由圖5和圖6可見：泄漏孔高度變化對氨氣擴散范圍的影響很小，隨著泄漏孔位置變高，氨氣擴散范圍略微增大，這主要是由于泄漏孔越高，對地面沖擊力越大，液氨與空氣接觸面積變大易揮發，泄漏流淌面積也會增大，氨氣擴散面積相應增大。

圖6 不同泄漏孔高度下液氨泄漏擴散俯視圖

2.4 儲罐壓力對泄漏擴散的影響

改變儲罐壓力，以泄漏點為起點，下風向為擴散方向，得到不同儲罐壓力下液氨泄漏擴散的側視圖和俯視圖，如圖7和圖8所示。

圖7 不同儲罐壓力下液氨泄漏擴散側視圖

圖8 不同儲罐壓力下液氨泄漏擴散俯視圖

由圖7和圖8可見：隨著儲罐壓力的增大，氨氣側視擴散范圍逐漸升高，俯視擴散范圍逐漸縮小。主要原因是儲罐壓力增加導致泄漏速率變大，液氨泄漏量增加，液氨在蒸發過程中濃度變大，相互之間作用力加強，不易被風吹散至更遠的范圍，但濃度更高導致氨氣更易向上蒸發。儲罐壓力對氨氣擴散范圍的影響較小，壓力由1.0 MPa升高至1.2 MPa時，氨氣擴散范圍變化更為明顯。

2.5 環境溫度對泄漏擴散的影響

改變環境溫度，以泄漏點為起點，下風向為擴散方向，得到不同環境溫度下液氨泄漏擴散的側視圖和俯視圖，如圖9和圖10所示。

圖9 不同環境溫度下液氨泄漏擴散側視圖

圖10 不同環境溫度下液氨泄漏擴散俯視圖

由圖9和圖10可見：溫度越高，氨氣的擴散范圍越大，主要原因是高溫促使液氨分子動能增加，能量增加的液氨分子更易脫離液氨進入空氣，氨氣蒸發量增加，同時，高溫導致氨氣的無規則運動更加劇烈，更易擴散至更遠的范圍。溫度由18 ℃升高至38 ℃時，氨氣擴散最遠距離由1 080 m增加至1 160 m，溫度升高對氨氣擴散范圍的影響并不明顯。

3 結論

以某化工園區液氨臥式儲罐為對象，采用PHAST軟件研究了儲罐壓力、泄漏孔徑、風速、環境溫度等因素變化對液氨泄漏擴散特性的影響。主要得到如下結論。

1)氨氣云團側視呈現類似“帽子”的形狀。風速由4 m/s升高至6 m/s時，氨氣擴散的高度顯著升高，而風速在6 ～10 m/s時，氨氣擴散高度變化并不明顯。

2)隨著風速的增加，氨氣云團俯視形狀逐漸在下風向拉長，在橫風向收縮，云團擴散面積變小，影響范圍相應變小。

3)當環境風速為2 m/s時，若人員距離泄漏點0～400 m時，應向云團兩側逃離避難；若人員距離泄漏點400 m以上時，由于云團橫風向寬度較大，人員應向下風向逃離避難。當環境風速為4～10 m/s時，人員應向云團兩側逃離避難。

4)隨著泄漏孔徑的增大，氨氣泄漏影響更高的區域，俯視形狀不發生改變，擴散范圍向泄漏位置收縮。泄漏孔徑大于0.09 m時，泄漏孔徑不再是影響擴散的主要因素。

5)隨著儲罐壓力的增大，氨氣側視擴散范圍逐漸升高，俯視擴散范圍逐漸縮小。溫度越高，氨氣的擴散范圍越大。