基于MATLAB的液氯泄漏后果仿真分析

王 嚴

(青海省西寧市消防救援支隊，青海 西寧 810000)

近年來，光伏產業進入了發展快車道。位于光伏產業鏈上游的多晶硅，作為發展光伏不可或缺的功能性材料，其需求量也在快速增長。依托青海清潔能源的供應優勢，青海省某多晶硅生產企業的多晶硅總產能達到9萬t/a，可實現減少二氧化碳排放量 270萬t/a，有效降低了光伏產業自身的“碳足跡”。然而，在多晶硅生產過程中，涉及到的主要物料如液氯、氫氣等危險化學品，非常容易引發火災、爆炸、中毒等事故，存在極大的安全隱患[1]。

液氯儲存是多晶硅生產工序中關鍵的一環。由于液氯具有劇毒和腐蝕性，在常壓下會汽化成氣體，有劇烈刺激作用，吸入人體即將造成嚴重的中毒事故，后果十分嚴重[2]。2017年5月13日，河北省滄州市利興特種橡膠股份有限公司發生液氯泄漏事故，導致該公司現場員工及附近人員中毒，周邊群眾1000余人被緊急疏散，造成2人死亡、25人入院治療。2020年8月29日，安徽省蕪湖市鳩江區蕪湖融匯化工有限公司在充裝液氯槽罐車的過程中發生液氯泄漏，造成附近群中19人因中毒而住院治療。可見，在液氯泄露事故中，氯氣中毒是最主要的危險因素，發生頻率極高。因此，如何快速準確地預測液氯泄露事故后果，科學分析其嚴重程度和影響范圍，對多晶硅企業編制事故應急預案、進行應急救援和減少事故損失等均有著重大的意義[3]。但直接使用氯氣泄露事故后果模型進行危害后果分析，不僅需要進行十分復雜的計算，而且所得結果不能夠直觀鮮明地反映出危害后果，致使安全工作人員難以快速開展針對性的防護工作[4]。故借助MATLAB軟件可根據實際狀況建立仿真模型，同時還能對其中數據進行調整，不僅定量分析高效，而且輸出圖形直觀，能夠準確具體地分析評定安全事故對企業及其他相關主體所帶來的不利影響，便于其制定和實施更加科學合理的應對舉措[5]。

1 不同濃度的液氯泄漏對人員造成的影響

液氯屬劇毒危險化學品，且密度較空氣大，一旦發生泄漏，不易吹散，并隨風向貼地面朝下風向區域擴散，危害后果嚴重，波及范圍廣。當液氯鋼瓶或汽化器發生大量泄漏時，其危及的范圍可迅速達到數百米，甚至數公里，在此范圍內的人員需緊急疏散，或采取其它防護措施，才能使事故導致的人員傷亡降到最低。

由表1可知，泄露的液氯質量濃度在 3000 mg/m3以上時被認定為致死區，300～3000 mg/m3為重傷區，90～300 mg/m3為致傷區，3～ 90 mg/m3為呼吸反應區，安全區的質量濃度在 3 mg/m3以下[6]。

表1 泄露液氯的質量濃度對人員造成的影響

2 氯氣泄漏后果模型

常用的大氣擴散模型為高斯(Gaussian)模型，適用于中性氣體。盡管此模型信息量較大，但其內容并不復雜，計算和分析起來也相對更加容易，所以這種方法得到了十分普遍的運用[7]。

如果出現了液氯泄露，液氯在最開始的時候處于液體狀態，但隨著溫度的不斷上升，液氯會迅速地發生揮發，而且在空氣流動的帶動作用之下，將迅速發生擴散。在實際中，對其進行分析和測定時，主要借助于高斯煙羽模型。

以風速方向為x軸方向，坐標點為泄漏源中心，則濃度分布的數學模型如(1)式[8]：

(1)

式中，C(x，y，0)為(x，y)位置點所具有的質量濃度水平，mg/m3；u是空氣流動速度，m/s；Q是泄露的速度，mg/s；δy為側風向擴散系數，m；δz為垂直風向擴散系數，m。

氣體音速流動：

(2)

氣體泄漏速率為Q(kg/s)：

(3)

式中，Cd為氣體泄漏系數，圓形是1，三角形是0.95，長方形是0.9；A為裂口面積，m2，仿真用 10 mm 小型孔徑；M為氣體相對分子質量，Cl2為71；R為普適氣體常數 8.314 J/(mol·K)；T為氯氣的儲存溫度K，常溫 298 K；k為氯氣的絕熱指數1.355。

粗糙度和地面類型之間的關系如表2所示[9]。則有效粗糙度Z0≥0.1 m 的粗糙地形擴散系數可表示為：

表2 粗糙度和地面類型的關系

σy=σy0fy

(4)

σz=σz0fz

(5)

fy(Z0)=1+a0Z0

(6)

(7)

上述式子中，σy0、σz0按照表3中的數值取值，其它系數按表4取值[10]。

表3 大氣穩定度與σy0、σz0的關系

表4 不同大氣穩定度對應的各參數的值

3 氯氣泄漏后果MATLAB仿真分析

以青海省某多晶硅生產企業為例，該企業液氯庫房共計存有液氯鋼瓶50個，每個存儲 1 t 液氯，共計 50 t。依據中國危險源辨識最新標準GB 18218-2018《危險化學品重大危險源辨識》，液氯儲罐區屬于重大危險源[11]。氯氣一旦泄露，可能會引發人員中毒，甚至死亡，這無疑是擺在應急救援工作者面前的一道難題。主要原因就是人們對氯氣泄漏擴散規律掌握不清，尤其是氯氣泄漏擴散后安全距離的實時變化，從而延誤了救人的最佳時機。因此，了解液氯泄漏的質量濃度分布、影響區域及人員中毒概率等，對保證人員疏散安全、降低災害損失、指導救援工作都有重大意義。本文采用MATLAB軟件來模擬研究液氯泄漏后的質量濃度分布、影響區域及人員中毒情況。如圖1～圖6所示。

圖1 大氣穩定度為A的氣體擴散質量濃度分布圖

圖2 大氣穩定度為B的氣體擴散質量濃度分布圖

圖3 大氣穩定度為C的氣體擴散質量濃度分布圖

圖4 大氣穩定度為D的氣體擴散質量濃度分布圖

圖5 大氣穩定度為E的氣體擴散質量濃度分布圖

圖6 大氣穩定度為F的氣體擴散質量濃度分布圖

分析圖1～圖6可知，當大氣穩定度越穩定時，下風向地面中心線擴散濃度最大值與點源的距離不斷擴大。原因是由于泄漏氣云密度大，只能在地表進行擴散，隨著空氣流動性的增加，泄漏的氣云將實現快速地消散。即大氣越穩定，泄漏氣云越不易向高空消散而貼近地表擴散；大氣越不穩定，空氣垂直對流運動越強，泄漏氣云消散得越快。因此在對液氯泄漏擴散進行應急管理時，應選取擴散影響范圍最大的情況進行分析，即大氣穩定度為F時的液氯泄漏擴散的危害區域。

4 結語

針對青海省某多晶硅企業的液氯泄漏事故風險分析，采用高斯煙羽模型測定液氯擴散后的濃度分布，然后利用MATLAB軟件對液氯泄漏的擴散濃度和擴散距離進行了數值模擬。仿真結果不僅可以快速精確地完成原本復雜的計算，而且依靠其繪圖功能可直觀顯示事故后果，使企業和相關安全工作者能夠直觀準確地判定事故后果的傷害區域及不利影響，根據分析評定結果制定和實施更加科學合理的舉措，對企業的安全規劃和應急管理具有重要的指導意義。