（轮机工程专业论文）危险化学品事故性泄漏大气扩散研究.pdf

中文摘要 摘要 随着我国国民经济的快速发展，化学品的使用量也大幅度增加，相应的事故 发生率也不断上升，现已成为当今世界普遍关注的环境和安全问题。本文研究的 是化学品储罐发生突发性泄漏的风险性，对危险化学品的泄漏扩散进行模拟，在 危险化学品泄漏事故发生后，能及时、迅速、有效、直观地对泄漏事故的危险区 域做出准确的预测并以此为依据制定相应的应急措施。 通过对重大泄漏扩散事故进行统计分析，提出了事故的事故机理、相关条件、 事故特性和影响因素。由于化学品种类繁多，本文选取了液氯和甲烷为研究对象， 探讨了储罐内危险品的气态和液态的泄漏数学模型，及在陆域上液池的形成和蒸 发过程。研究了适用于各种主要情况下的扩散模式，并对各种不同泄漏源和环境 条件分析了其适用条件，利用“毒负荷 的概念对危险区域进行划分，提出事故 的应急响应程序和救援方案。 为方便实用，作者用v b 6 0 开发了危险化学品泄漏扩散模拟软件，从而为事 故应急决策提供了有力的辅助支持，以达到尽可能减少人员伤亡和财产损失，减 轻环境污染的目的。本文最后给出了实例，用计算机对其进行模拟分析，预测泄 漏事故发生后的浓度分布、影响区域，表明了计算机模拟分析的有效性。 关键词：危险化学品；泄漏；扩散模式；应急救援 英文摘要 a b s t r a c t a st h e d e v e l o p m e n t o fc h e m i s t r y i n d u s t r y c h e m i c a l s a r e b e i n ga p p l i e d i n c r e a s i n g l ya n dt h ef r e q u e n c yo fh a z a r d o u sc h e m i c a l sa c c i d e n t si si n c r e a s i n ga sw e l l ， s ot h es a f e t yp r o b l e mh a sb e c o m em o r eo u t s t a n d i n g i no r d e rt or a p i d l ya n d e f f e c t i v e l y p r e d i c t i n g t h ed i f f u s i o na r e ao ft h el e a k a g ec h e m i c a l ，a n d g i v i n gc o r r e s p o n d i n g e m e r g e n c yd e c i s i o n s ，w em a k ear e s e a r c ho nt h es y s t e mo fl e a k a g ea n dd i f f u s i o n s i m u l a t i o no fh a z a r d o u sc h e m i c a l s o nt h eb a s i so fa n y z i n ga n ds u m m a r i z i n gal a r g en u m b e ro ft y p i c a ll e a k a g e d i f f u s i o na c c i d e n t sc a s e si nc h e m i c a l p r o c e s s ，i th a sb e e np u tf o r w a r da c c i d e n t m e c h a n i s m sa n dr e l a t e dc o n d i t i o n s ，a c c i d e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n de f f e c tf a c t o r su s i n go f t h ea c c i d e n tc a u s e t h e o r y b e c a u s es o r t so fc h e m i c a l sa r ev a r i o u sa n dt h e i rc h a r a c t e ra r e d i f f e r e n t ，t h ed i s s e r t a t i o ns e l e c t sc h l o r i n ea n df i r e d a m pt or e s e a r c h a c c o r d i n gt ot h e f a c t so fs p i l lc o n d i t i o n ，s y s t e m a t i ca n a l y s i si sm a d eo nt h es u i t a b l ed i s p e r s i o nm o d e l s w h i c ha r ea p p l i e dt od i f f e r e n ts p i l la n de n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s ，l i q u i dp o o lf o r ma n d v a r i e t ym o d e l sa r ea n a l y z e d ，a n ds o u r c es t r e n g t hc a l c u l a t i o nm o d e l so fm u l t i p l es p i l l e d r e s o u r c ea n de n v i r o n m e n ta r ea n a l y z e da sw e l l ，u s et h e c o n c e p to f “t o x i cl o a d t o d e m a r c a t et h ed i s t r i c t ，p u t t i n gf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n ge m e r g e n c yd e c i s i o n s i no r d e rt oe x p e d i e n t l yu s e ，t h es o f t w a r ei s d e v e l o p e db yv i s u a lb a s i c6 0 ，w h i c h c a np r o v i d eg r e a ta s s i s t a n c et ot h ed e c i s i o n - m a k i n go fe m e r g e n c y r e s p o n s ea n dr e s e a r c h t h et a r g e to fr e d u c i n gt h ed a m a g eo ft h el i f e ，p r o p e r t ya n de n v i r o n m e n tt ot h es m a l l e s t d e g r e e a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o ng i v e st w oc a s e sa n dp r e d i c t st h ed e n s i t yd i s t r i b u t i o na n d t h ei n f l u e n t i a la r e a s ，t h er e s u ri n d i c a t e st h a tt h es y s t e mi sa v a i l a b l et oa i dc h e m i c a l s a f e t ym a n a g e m e n ta n dg u a r da g a i n s td i s a s t e r s k e yw o r d s ：h a z a r d o u sc h e m i c a l ll e a k a g e ld i s p e r s i o nm o d d le m e r g e n c yr e s c u e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文竺盘险化堂晶蔓敛性泄漏太氢芷数研究：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开 发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：设 伊g 年弓月以日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“ ) ：娌聊虢肜 日期：矽8 年3 月2 2 危险化学品事故性泄漏大气扩散研究 1 1 课题研究的目的和意义 第1 章绪论 1 1 1 化学品运输业的发展 随着世界经济的发展，各国的出口产品正在从初级产品，逐步向工业制成品 或高附加值产品转化。化学品船作为一种要求严格的危险液货船，由于技术要求 更加严格等因素，促进了化学品船需求量的增加。化学品海运的兴衰【l j ，主要取决 于石化工业的生产状况，而目前石化工业的发展程度已成为国家经济发展的重要 标志。资源分布、生产水平的差异以及地区性结构的变化为化学品的运输带来了 契机。 世界化学品航运市场自1 9 9 8 年起进入全面复苏阶段，据报道，进入9 0 年代 后，世界有机化学品贸易以年均7 增长率上升，适于海运的化学品从1 9 8 2 年 4 9 0 x 1 0 5 t 增至1 9 9 4 年8 9 0 x 1 0 5 t ，增长8 2 ，年均增长率为6 3 ；而原油和成品 油的同期年均增长率仅为2 4 。进入9 0 年代后，远东( 除日本外) 1 0 国和地区 经济持续高速发展，新的化工企业不断建成投产，大大促进了化学品航运市场的 发展。 随着中国经济的飞速发展及对化工产品的需求增大，一方面，世界著名石化 集团b a s f 、s h e u 、b p 等与中国同行在中国沿海地区建立化学品生产的合资公司； 另一方面，e x x o nm o b i l a r a m c o 集团并l l d o w c h e m i c a l 也准备于2 0 0 8 年在中国开展业 务。因此，中国的化学品运输需求将在今后的一段时间内快速上升。 据德鲁里统计，截至2 0 0 4 年1 季度，1 0 0 0 载重吨以上化学品船船队保有量为 1 7 8 7 艘，其中1 0 0 0 - - - 5 0 0 0 载重吨、5 0 0 0 、 1 万载重吨、1 万2 万载重吨、2 万3 万 载重吨及3 万载重吨级以上各有5 1 3 艘、4 9 7 艘、3 3 9 艘、1 2 7 艘年1 1 3 1 1 艘，所占比例 分别为2 9 、2 8 、1 9 、7 干n 1 7 。就吨位而言，截至至1 j 2 0 0 4 年1 季度，1 0 0 0 载 重吨级以上化学品船船队保有量总吨位达2 5 4 1 。7 万载重吨。其中，1 0 0 0 - 5 0 0 0 载重 吨、5 0 0 0 - - 一1 万载重吨、1 万2 万载重吨、2 万3 万载重吨及3 万载重吨级以上化 学品船的吨位分别为1 4 0 8 万、3 6 0 2 万、4 9 7 5 万、3 2 9 6 万和1 2 1 3 6 万载重吨。 第1 章绪论 ( 千载重吨) 嚣抟譬臻 ：箍 馨 薹爹 罄 q雠缸， 图1 1 历年化学品船新增量 f i g 1 1t h ei n c r e a s eo fc h e m i c a l st a n k e ri np a s ty e a r s 在我国，危险化学品的船舶运输、港口装卸及储存近年来有明显的发展。首 先是化学品船公司和船队的发展，目前中国国营公司主要有三十多条以上的有毒 液体化学品船舶，可从事国际国内航线的运输；沿海和长江下游港口近年来也新 建了大量的有毒液体化学品仓储公司及大量的散化仓储专业码头并投入运作。长 江下游南京港至南通港已建有散化专用码头2 1 座，仓储企业2 1 家以上【2 1 。 截至2 0 0 1 年6 月，大连港已有散化专用码头1 6 座，1 6 家以上仓储公司的散 装化学品作业量平均每年约以3 6 的速度递增。其吞吐量已达5 9 8 万吨，作业货 物品种已达4 6 种；经港监审核批准的液体危险品作业码头、浮筒己有3 0 多处； 作业船频度达近4 0 0 艘次。 2 馏 巷； 豫 弱 船 於 伸 。 危险化学品事故性泄漏大气扩散研究 表1 1 主要液体危险化学品进出口资料【3 1 ：( 2 0 0 2 1 1 2 0 0 3 1 2 ) ，( 单位：k g ) t a b 1 1s o m em a i nl i q u i dh a z a r d o u s c h e m i c a l si m p o r t sa n de x p o r t si n f o r m a t i o n 1 1 2 课题的目的和意义 ， 安全是人类赖以生存的根本，安全水平的提高是人类文明和社会进步的标志。 2 0 0 1 年4 月2 7 日，国际劳工组织( i l o ) 宣布，全球每年有1 3 0 万工人( 相当于 每天约3 3 0 0 名工人) 死于意外事故或与此相关的疾病。事故数量一直在增加，目 前己达每年约2 5 亿起。中国作为亚洲的发展中国家，安全水平虽有很大进步，但 形势仍然相当严峻，而其中危险化学品泄漏扩散突发性事故仍占有很大的比例【4 j 。 大多数的危险化学品具有可燃性、毒性、污染性和反应性等多种危险性，并 且数量大、品种多、性质各异。中国的许多散化码头和许多仓储公司都是处在城 市工业区、人口稠密区、水上交通繁忙区段或水源保护区。因此，不论是船舶或 储罐事故，还是装卸操作失误，稍有不慎，极易造成危险化学品泄漏，极可能引 起易燃化学品燃爆事故或散装有毒液体化学品对陆域( 包括大气) 、水域的污染 事故。一旦发生事故，对处于城市工业区、人口密集区、水源保护区的内河或港 湾码头区域危害极其严重，对人们生命和财产构成巨大威胁。 因此深入研究这类灾害性事故的发生机理、相关条件及伤害机理，建立这类 3 第1 章绪论 灾害性事故的事故模型是很有必要的。在当前的危险源泄漏扩散事故应急救援中， 决策部门基本靠经验来采取救援措施，对事故的扩散范围及伤害程度的判断缺乏 科学依据，这样可能会造成不小的损失甚至生命财产损失。 本文通过对化学品在大气中的扩散进行数值模拟，估测出泄漏气体扩散危害 范围，从而为现场戒严、人员紧急疏散以及提供必要的补救措施提供了科学的依 据，准确地确定危险区域和选择最佳疏散路径既可以避免和减少人员伤亡，又可 以防止盲目的采取应急措施而劳民伤财。因此开发危险化学品泄漏扩散灾害模拟 软件系统及应急救援系统，对于科学预防灾害的发生、指导紧急救援具有重要的 理论价值和实际意义。 1 2 国内外研究现状 国外在这方面的研究工作始于上个世纪七、八十年代，提出了大量的泄漏扩 散模型。美国、英国、德国等发达国家，早在八十年代初便完成了以b u r r o ，c o y o t e ， t h o m e y ，i s l a n d 为代表的一系列大规模现场泄漏扩散实验。在九十年代，又针对 毒性物质的泄漏扩散进行了现场实验研究。迄今为止，已经形成了数以百计的事 故后果模型，比较著名的模型有：美国e n s r 咨询工程公司的a l r o x 模型、美 国空军的a f f o x 模型、美国环保总局的i n p u f f 模型、英国剑桥环境研究咨询公 司和加拿大环境技术研究所联合开发的g a s t a r 模型等【5 】。 虽然各种模型和数值模拟等方面的专著和文献资料很多，但是国内目前尚未 有较通用和完善的危险化学品泄漏扩散模拟系统。目前政府安全部门、各企业、 消防单位都配备了突发性事故指挥小组和应急预案，但由于这些预案缺少灵活性， 使其在使用过程中取得的效果并不令人满意，甚至决策失误。当前我国正处于社 会经济高速发展时期，灾害事故及其造成的损失呈上升趋势，因而更应重视此领 域的研究工作。 1 3 论文的主要内容 综上所述，危险化学品泄漏事故的研究具有很强的现实意义。本人通过查阅 大量文献资料和i n t e r n e t 了解当前危险化学品储运业的动态和国内外在大气污 染物扩散和安全评价领域的最新研究成果；对我国主要危险化学品航运公司和码 头进行了调研，并走访了有关科研机构、院校，了解目前危险品的管理和事故应 4 危险化学品事故性泄漏大气扩散研究 急反应的现状。 本文在前人的理论和实践基础上，并基于对泄漏事故的深入分析，结合事故 应急反应的特点和要求，重点分析了对不同类型的泄漏物质、泄漏源和环境条件 所适宜的泄漏模式，模拟危险化学品的泄漏行为。在此基础上确定危险区域和不 同剂量浓度的人员中毒危险区，突破了国内外危险货物应急指南中的经验划分做 法，为应急人员准确预测事态发展，及时果断地采取正确有效的应急措施提供了 良好的技术支持和科学依据。 重点研究了各种泄漏源的源强计算模型，针对现有的储罐泄漏量计算方法中 存在的计算条件获取困难的问题，本文推导了适用于各型储罐、液舱的以时间为 变量的泄漏量计算公式。 化学品蒸气扩散危害的范围和程度是由物质性质、数量、地理位置、气象条 件等多种因素决定的，计算过程非常复杂。因此，要准确迅速地描述其扩散行为， 确定毒性危险区域，必须利用科学理论和计算机手段对事故的危害范围进行模拟。 本文运用v i s u a lb a s i c 语言开发了操作使用方便的危险化学品蒸气扩散模拟软 件，加强了研究成果的实用性。用户只需根据屏幕上有关界面和窗口的提示，输 入必要的事故情况、地点、时间和环境参数，即可得出以图形显示的人员中毒危 险区。 5 第2 章危险化学品泄漏的主要设备及影响泄漏因素分析 第2 章危险化学品泄漏的主要设备及影响泄漏因素分析 2 1 危险化学品分类的研究 目前所谈及的危险品分类主要依据是联合国危险货物运输专家委员会编写的 关于危险货物运输的建议书规章范本( r e c o m m e n d a t i o n so nt h et r a n s p o r to f d a n g e r o u sg o o d s m o d e lr e g u l a t i o n s ) ，简称桔皮书。1 9 5 6 年桔皮书首次出版，但 是为了反应技术的发展和满足使用者不断变化的需要，桔皮书每半年进行一次修 订，每两年出版新的版本，今年已经出版了第十四修订版。桔皮书是联合国经济 及社会理事会危险货物运输专家委员会根据技术发展情况、新物质和新材料的出 现、现代运输系统的要求，特别是确保人民、财产和环境安全的需要编写的，是 迄今为止国际上比较完整地将危险货物进行分类的国际规章，已广泛地被危险品 生产、销售、运输和管理部门所接受。 我国关于危险化学品的安全标准主要有：l 、危险货物分类和品名编号 ( g b 6 9 4 4 2 2 0 0 5 ) ；2 、危险货物命名原则( g b 7 6 9 4 2 8 7 ) ；3 、危险货物品名表 ( g b l 2 2 6 8 2 2 0 0 5 ) ；4 、常用危险化学品的分类及标志( g b l 3 6 9 0 2 9 2 ) ；5 、 危 险货物包装标志( g b l 9 0 2 9 0 ) ；6 、职业性接触毒物危害程度分级( g b 5 0 4 4 2 8 5 ) ； 7 、危险货物运输包装类别划分原则( g b t 1 5 0 9 8 2 9 4 ) ；8 、 化学品安全技术 说明书编写规定( g b l 6 4 8 3 2 2 0 0 0 ) ；9 、化学品安全标签编写规定 ( g b l 5 2 5 8 2 1 9 9 9 ) ；1 0 、常用化学危险品贮存通则( g b l 5 6 0 3 2 9 5 ) 。下面主要介 绍常用危险化学品的分类及标志( g b l 3 6 9 0 2 9 2 ) ，此标准由劳动部提出、化工 部标准化研究所起草。它规定了常用危险化学品的分类、危险标志及危险特性，还 对1 0 7 4 种常用危险化学品进行了分类，规定了危险性类别、危险标志及危险特性 等内容。此标准适用于常用危险化学品的生产、使用、贮存和运输，也适用于其 它化学品。此标准按化学品的危险特性将常用危险化学品分为八类：爆炸品、压缩 气体和液化气体、易燃液体、易燃固体、自燃物品和遇湿易燃物品、氧化剂和有 机过氧化物、毒害品、放射性物品、腐蚀品，每一类又分为若干项，最后将危险 物品分为8 类1 7 项【6 j 。 6 一 危险化学品事故性泄漏大气扩散研究 我国化学品危险性分类的一般程序一般可参照图2 1 的程序： 化学品 0 g b l 3 6 9 0 2 9 2 、g b l 2 2 6 8 2 2 0 0 5 中是否有该物质 有无 审 i 查出其类、项检索有关理化、燃爆和毒性数 l 和包装要求 据库或通过实验得到有关数据 根据g b 13 6 9 0 9 2 g b 6 9 4 4 - 2 0 0 5 分类标准确定是否为危险品 否 m ， 是否具有一种以上危险性 目 j 4 w _ i 根据联合国建议书危险性先后 顺序确定方法、得到所属类、项l 图2 1 化学品危险性分类流程图 f i g 2 1f l o w c h a r t o fc l a s s i f i c a t i o no fd a n g e r o u sc h e m i c a l s 对于现有的化学品，可以对照危险货物品名表( g b l 2 2 6 8 2 2 0 0 5 ) 和常用 危险化学品的分类及标志( g b l 3 6 9 0 2 9 2 ) 两个标准，确定其危险性类别、项别及 其包装要求；对于新的化学品，可首先检索文献，利用文献数据进行危险性初步 评估，然后进行针对性实验；对于没有文献资料的，需要进行全面的理化性质、 毒性、燃爆、环境方面的试验，然后依据常用危险化学品的分类及标志 ( g b l 3 6 9 0 2 9 2 ) 和危险货物分类和品名编号( g b 6 9 4 4 2 2 0 0 5 ) 两个标准进行分类。 试验方法和项目参照联合国关于危险货物运输的建议书进行。 2 2 危险化学品泄漏事故统计 化学品大多具有易燃、腐蚀、毒性及污染等多种危害性，不但给储运带来了 困难和危险，也对环境和人类的安全和健康构成了严重的威胁。 7 第2 章危险化学品泄漏的主要设备及影响泄漏因素分析 在散化码头有大量、多品种的化学品装卸、仓储、输运，一旦发生事故，对 处于城市工业区、人口密集区，水源保护区的内河或港湾码头区域危害极其严重。 具有毒性、易燃易爆性的危险物质，一旦发生泄漏事故，将对周围环境和人员造 成巨大危害。大量的易挥发、易燃物质迅速释放进入大气，形成气云并逐渐扩散， 若气云在尚未稀释到低于爆炸下限前即被引燃，极有可能发生j 密闭空间气云爆 炸或闪火，引起大范围的破坏；对于有毒液体化学品的泄漏，在云团的浓度稀释 至安全浓度前的扩散范围内能引起人员中毒。 尽管目前人们对各种事故采取了预防措施，在过去的岁月，我国和世界其它 国家还是发生了一些严重的泄漏事故【7 1 ，进而引起中毒或火灾爆炸等灾难。最著名 的是1 9 8 0 年1 2 月的印度博帕尔惨案。由于农药厂的地下应急控制阀门失灵，使 罐内液态异氰酸甲蹋以气态形式迅速外泄，4 0 多分钟泄漏约3 0 吨毒物，1 小时后 毒物扩散面积达4 0 平方公里。造成2 0 0 0 多人死亡，5 万人失明，2 0 多万人被迫 转移，引起世界各国的震惊。1 9 9 8 年3 月1 7 日，巴拿马籍“圣劳埃尔”轮停靠上海 港金山石化油运码头卸二甲苯，因管线受阻，致使5 t 液货外泄，造成大量人员中 毒、受伤。1 9 7 6 年在瑞典l a n d s k r n a 港，化学品船r e n e l 6 为一肥料厂卸5 5 3 吨无 水氨，由于管子破裂，以致在5 0 分钟内漏泄出1 8 0 吨氨，氨气笼罩着该船，并由 于风力扩散到附近的船厂。氨不是易燃气体，比空气轻，有较强腐蚀性。消防人 员用水喷向云雾状的氨气，穿上防毒衣帽、关闭卸载氨的阀门，码头上有2 名船 员因淋着液态氨而死亡。 根据对英国原子能委员会安全事务局编写的国际性重大危害事故数据库1 9 9 6 年版( m h d a s ) 光盘的检索，1 9 0 0 1 9 9 6 年世界各国因运输( 包括铁路、公路、 水运和管道运输) 造成的化学事故案例共3 4 4 0 起瞄j 。按主要危害分类，以爆炸引 起的泄漏占首位( 5 9 3 ) ，其次为中毒( 2 1 3 5 ) ，最后为腐蚀( 8 8 7 ) 。三 者中爆炸的死亡和经济损失最大，中毒次之。但就受伤人数和被迫疏散人数而言， 中毒远高于火灾和腐蚀，影响范围广。因此，在危险化学品储运过程中应特别重 视中毒和爆炸类危害。 按照运输形式分，主要的铁路槽车事故占3 8 6 3 、公路槽车事故占2 6 0 3 、 7 船舶与驳船事故占1 9 8 5 。需要指出的是，化学品码头区储运设施是一个以储罐 区为主，拥有火车栈台及火车槽车、汽车装车站及汽车槽车、灌桶间等相关设施， 8 危险化学品事故性泄漏大气扩散研究 以及码头前沿停靠作业的化工品船舶的整体。 检索得到并分析8 7 3 起中毒事故，占运输化学品事故案例总数的2 1 3 ，集 中于氨、氯、氯化氢或盐酸、氯乙烯、甲醇、甲醛、苯酚、黄磷、环氧乙烷、丙 烯腈及氰化钠等化学物质( 上述物质引起的事故数占中毒事故总数的5 8 5 ) 。 分析危害源表明，液态危险源( 包括各种液体、液化气体和溶液) 引起的事 故共6 2 4 起，占总数的7 1 5 ，总伤亡人数分别为2 7 1 8 2 人，占全部事故伤亡人数 的9 3 5 。经济损失总和为2 5 7 5 万美元，占全部事故损失的9 9 3 。以危害源泄 漏释放有毒液体危险化学品类型为主。 2 3 泄漏的主要设备及影响因素分析 2 3 1 影响泄漏的主要因素 通过对化工系统发生的重大、典型事故性泄漏的统计分析表明，影响泄漏主 要有以下7 种主要因素9 1 ： 1 存储状态：危险| 生介质是液相存储还是气相存储。从某种意义上初步决定了 泄漏的基本形式； 2 存储条件：是加压液化储存、冷冻液化储存、还是常态储存。存储条件影响 泄漏状态； 3 填充程度：对于加压或冷冻液化储存来说，存储容器填充程度至关重要。填 充程度高( 接近1 0 0 ) ，容器一旦出现裂纹或孔洞，将会导致容器内液化气体迅速 闪蒸，最终可能导致容器超压爆炸；若容器填充程度低，则容器内液化气体是否 闪蒸由裂纹或孔洞的具体位置和泄漏面积的大小决定； 4 泄漏位置：对于填充程度低的加压或冷冻储存，若漏源位于气相空间，容器 内压有可能急剧下降，导致液体处于过热状态，迅速发生闪蒸，引发超压爆炸； 若漏源位于液相空间，则形成两相流泄漏或蒸气泄漏，具体由泄漏介质的存储状 态和环境条件决定。对于常态储存，泄漏是发生在罐壁上、运输管线上还是法兰 连接处，将决定选用何种模型计算泄漏速率； 5 泄漏面积：有效泄漏面积的大小将直接影响泄漏速率；同时，对于加压或冷 冻液化储存的气相空间泄漏，泄漏面积的大小直接决定容器最终是否会由于内部 超压而爆炸； 9 第2 章危险化学品泄漏的主要设备及影响泄漏因素分析 6 流动限制：对液相或两相泄漏，泄漏后液体的流动是否受阻，即周围是否存 在防液堤。这将决定液池面积，进而影响液池内液体的蒸发速率； 7 泄漏形式：瞬时泄漏、有限时间内泄漏、连续渗漏、连续泄漏。泄漏形式的 不同会直接影响到泄漏介质在空间和时间上的浓度分布。 根据以上影响泄漏的7 种因素，结合危险化学品发生的典型事故的分析，建 立如下1 1 种泄漏源模型，并对每种泄漏源模型进行了阐述。 表2 1 典型事故泄漏源模型【1 o 】 t a b 2 1t h er e p r e s e n t a t i v ea c c i d e n t sr e l e a s em o d e s 2 3 2 泄漏的主要设备 装车区： 装车区一般采用浸没式公路装车鹤管，对一些高挥发性的物料采用密闭式鹤 管。装车系统采用电脑计量发货系统1 1 】。 灌桶间： 灌桶采用自动灌桶机，灌装采取密闭措施。 1 0 危险化学品事故性泄漏大气扩散研究 图2 2 卸船工艺过程 f i g 2 2 d i s c h a r g et e c h n i c sp r o c e s s 图2 3 装船工艺过程 f i g 2 3s h i p m e n tt e c h n i c sp r o c e s s 图2 4 装车、桶工艺过程 f i g 2 4l o a d i n gt h et a n k e r 、b u c k e tp r o c e s s 泄漏可分为大孔泄漏w a r ( w i d ea p e r t u r er e l e a s e ) 和有限孔泄漏l a r ( l i m i t e da p e r t u r er e l e a s e ) 两种。前者主要是指运输事故、超压爆炸等原因造成 储罐或设备的大面积破裂，在短时间内有大量介质泄漏出来；后者主要包括安全 阀的泄压排放，管道或容器上由于腐蚀或疲劳形成的裂纹或孔洞而导致的泄漏， 管道的断裂以及密封技术本身所存在的问题等因素是导致阀门、法兰、泵渗漏的 主要原因。 第2 章危险化学品泄漏的主要设备及影响泄漏因素分析 根据事故案例及各种设备泄漏情况的分析，可将散化码头中易发生泄漏的典 型设备分类，通常归纳为：管道挠性连接器、过滤器、阀门、压力容器或反应器、 泵、压缩机、储罐、加压或冷冻气体容器及火炬燃烧装置或放射管等十类。一个 散化码头可能有各种特殊设备，但其与一般设备的差别很小，可以容易地将其化 归至所属的类型中去。下图提供了各类设备的典型损坏情况及裂口尺寸1 2 1 。 惑。 零 典型泄漏情况损坏尺寸 1 法兰泄漏2 0 管径 2 管道泄漏2 0 - 1 0 0 管径 3 焊缝失效2 0 - 1 0 0 管径 a 管道泄漏 3 ，3 典型泄漏情况损坏尺寸 1 破裂泄漏 2 0 - 1 0 0 管径 2 接头泄漏2 0 管径 3 连接装置损坏1 0 0 管径 b 挠性连接器泄漏 典型泄漏情况损坏尺寸 1 液体泄漏2 0 一1 0 0 管径 2 管道泄漏2 0 管径 c 过滤器的泄漏 1 2 典型泄漏情况损坏尺寸 1 机壳损坏2 0 1 0 0 管径 2 密封泄漏 2 0 管径 d 泵的泄漏 危险化学品事故性泄漏大气扩散研究 ，一 典型泄漏情况损坏尺寸 1 罐体损坏面泄漏全部破裂 2 接头泄漏2 0 - 1 0 0 管径 e 储罐的泄漏 典型泄漏情况损坏尺寸 1 容器破裂泄漏全部破裂 2 入孔盖泄漏 1 0 0 管径 3 喷嘴断裂2 0 管径 4 仪表管路破裂2 0 - 1 0 0 管径 5 内部爆炸全部破裂 g 储罐的泄漏 由泄漏引发的事故框副1 3 1 1 4 】： 1 3 一 典型泄漏情况损坏尺寸 1 破裂全部破裂 2 焊缝失效2 0 - 1 0 0 管径 f 加压或冷冻储罐的泄漏 典型泄漏情况损坏尺寸 1 阀室泄漏2 0 1 0 0 管径 2 阀盖泄漏2 0 管径 3 阀杆损坏2 0 管径 h 阀的泄漏 第2 章危险化学品泄漏的主要设备及影响泄漏因素分析 图2 5 泄漏事故框图 f i g 2 5a n a l y s i so na c c i d e n t sa sar e s u l to fr e l e a s e 化学品储运过程中的火灾、爆炸和泄漏中毒等事故已成为当今世界普遍关注 的环境和安全问题。它的严重性在于，一方面是因为事故所导致的各类损害不仅 会威胁到人命及财产安全，而且还有可能对水体、大气、海底、陆域和海洋生态 等各个环境圈层造成破坏；另一方面在于抵御事故的种种策略本身就难以驾驭， 常常是由时间、空间及许多不确定的环境与事故因素所决定的多维动力学过程。 1 4 豳 危险化学品事故性泄漏大气扩散研究 第3 章危险化学品泄漏源模型 3 1 引言 在散化码头存在着大量的易燃、易爆、有毒的化学危险物质，这些物质的泄漏 常常导致火灾、爆炸、人员中毒等事故。常压下为液态的物料泄漏后四处流淌， 形成液池，同时蒸发形成气体扩散；常温下加压压缩、液化存储的物料一旦泄漏 至空气中会迅速膨胀、气化为常压下的大量气体，迅速扩散至大范围空间，如液 态烃、液氯、液氨。如果泄漏的物质有毒性，将造成所扩散范围内的人员中毒； 如果有燃烧爆炸性，将可能形成火球、池火灾、蒸气云爆炸、沸腾液体扩散蒸气 爆炸等严重的火灾爆炸事故。 在事故中，对于爆炸引起的秒量级的短期释放，以及强挥发性化学品泄漏事 故的蒸发源强可按瞬时源处理；对于挥发性一般的物质，短时间内进入大气的污 染物数量较多，可按照连续源的多烟团积分模式考虑。 下面分别讨论瞬时源和连续源的源强计算方法： 3 2 瞬时泄漏源模型 对于爆炸引起的强挥发性有害气体释放，源强q 为爆炸瞬时排放的总物质量。 对于这类化学品释放的源强计算较为复杂。 一般液体定义为在3 7 8 时的蒸气压不大于2 8 x 1 0 5p a ，而有些具有强挥发性 的液体散装化学品的表压甚至达到0 0 6 o 0 9 8 m p a ，可看作“半气体”，它们的挥 发性强，沸点低。如环氧丙烷、异戊二烯、乙醚的沸点都在3 4 。c 左右，在储运时 必须采取加压或冷却降温措施。 一旦储存用的高压或深冷容器发生破裂，化学物质将暴露于周围环境温度和 压力之下，必将急剧蒸发，迅速地挥发扩散在大气中，形成低温高浓度雾状易燃、 易爆或有毒蒸气云团。 1 5 第3 章危险化学品泄漏源模型 下表列出了典型的强挥发性化学品的性质： 表3 1 部分强挥发性化学品的性质 t a b - 3 1t h ec h a r a c t e r so fs o m es g o n gv o l a t i l i t yc h e m i c a l s 强挥发性蒸气泄漏的源强计算模型如下【m j ： 压力液体化学品储罐发生事故性破损时，通过裂孔的液体由于压力锐减而突 然蒸发，形成化学品蒸气的强烈外喷。根据罐内压力的动态平衡： 弓+ 伽魄一k ) = 只+ n 车 罐内液面高度的时间函数为： p ，a 瓦d h = 一瓯= 一c 。p ，u ( ) 4 y ( 忍) = 月丽j 露i 磊瓦j 两石 由上式可得泄漏源强度的时域模型： q m 。一q 。= c 三印，笠a f q = c o p l u o a m - c 2 0 9 p 。了a 2 f( 3 1 ) 式中：b 一罐内储存压力，巴；h l 一液面高度，m ；a r 一泄孔面积，m 2 ； v 一泄漏速度，m s ；p l 一物质的密度，始m 3 ；h h 一泄孔距罐底的高度，m ； a 一储罐横截面积，m 2 ；只一大气压力，只；c n 一泄漏系数，视情况取值，范 1 6 危险化学品事故性泄漏大气扩散研究 围0 2 5 0 7 0 。 3 3 连续泄漏源模型 3 3 1 气体或蒸气经, j x ：f l 泄漏模型 散化码头在装货或卸货过程中涉及到大量的易燃易爆的气体，储存这些气体 的管道、储罐或其它设备发生破裂，气体从裂口泄漏出去，和空气混合形成可燃 气云，就有发生火灾、爆炸的危险；若泄漏出的气体有毒性，则后果更为严重， 容易使码头周围的人群发生中毒事件。因此要预测或评价气体泄漏后造成事故的 严重程度，必须对气体泄漏定量计算17 1 。 计算泄漏前，首先应判断泄漏气体的流动性质； 争( 南) 者 ( 3 2 ) 墨 ( 三) 吉 ( 3 3 ) p、r + 1 。 式中：昂一环境压强，p a ；p 一管道中的绝对压力，p a ；，一泄漏气体的 绝热指数 当式( 3 2 ) 成立时，为音速流动，当式( 3 3 ) 成立时，属于亚音速流动。 对于音速流动，气体泄漏量可以用如下式表达： q 0 = c d a p v i 面m r 鬲2 尸, 1 ( 3 4 ) 式中：o o 一泄漏速度，k g s ；m 一气体分子量，k g m o l ；尺一气体常数， 8 3 1 4 j i m o l k ；q 一裂口形状，圆形取1 0 0 ；三角形取0 9 5 ；长方形取0 9 0 ； a - - d , 孑l 的面积，m 2 ；丁一气体的温度，k 。 随着泄漏的持续进行，储存压力下降到某一时刻( 如储罐压力低于2 个大气 压) 将转变为亚音速泄漏，对于亚音速流动，气体泄漏量可以如下式表示： q 0 = y c d a p 、t 而m r 甭2 ) r _ l r + - a ( 3 5 ) y = 式中各符号的意义同上。只要泄漏物质和状态确定，则m ，r ，r 就可以确定。 1 7 第3 章危险化学品泄漏源模型 小孔的面积a 可以根据实际情况换算成等效面积，或者在事前预测时做出假设。 对于瞬时泄漏或者泄漏的流速较小时，气体压强可看作不变；否则必须考虑压力 变化对泄漏流量的影响。 3 3 2 液体经管道泄漏模型 散化码头在装、卸货时，储罐经常和管道相连用来输送液体物料，这些物料可 能是常压的液体( 如苯等) ，或者是液化冷冻气体( 如l p g 等) 。如果管线发生 爆裂、折断或因误拆盲板等，可造成液体经管口泄漏。以液面与管线断裂处为计 算截面，根据b e r n o u l l i 方程n 2 1 ( 忽略储罐内液体流速) 有： i u z + 5 9 z + f = 0 ( 3 6 ) 式中：u 一液体在管道裂口处的流速，所s ；z 一液面距管道的距离，m ，i f 一总的阻力损失，可以根据下式进行计算： f ：五三芝+ f 生( 3 7 ) d2 72 式中：五一液体的摩擦系数；z 一储罐到泄漏口处的管长，m ；d 一内管径， m ；善一局部阻力系数。 摩擦系数名的计算与表征流体流动类型的参数一雷诺数有关。；雷诺数是管径、 流速、流体密度和黏度组成的无因次数群，以兄表示，根据雷诺数的大小可以判 断流体流动的类型为层流、湍流还是过渡流。r 的表达式如下： r ：p u d ( 3 8 ) 式中：一液体的粘度，幻m s ；p 一液体的密度，堙m 3 。 当疋2 0 0 0 时，名= 罢 ( 3 9 ) 当2 0 0 0 r 4 0 0 0 时，名= 0 0 0 2 5 r , 3 ( 3 1 0 ) 5 4 0 0 0 1m s 时) 连续点源的浓度分布解为： c ) = 丽q e x p b 匿+ 剡 他 有界情形( 地面反射) 高斯高架点源条件下扩散模式的方程如下： c ，= 而q e x p i 一霹y 2 怍 _ 警h 一等 ) ( 4 1 2 ) 式中：c ( x ，) ，z ) 一下风向空间任一点g ，) ，z ) 处的浓度( m g m 3 ) ；q 一源强， 始i s ；“一1 0 m 高度平均风速，m s ；h 。一有效源高，h e = h + 衄，a h 为烟 气抬升高度m ；盯。、o z 一分别为y ( 横向) 、z ( 铅直) 方向的扩散参数m 。 令z = 0 ，可得到地面浓度公式： m 幽悱彘唧h 号+ 剀 m 其浓度分布为，在释放源附近地面浓度接近于零，然后逐渐增高，在某个距 离达到最大值，再缓缓减小。在y 方向上，浓度按正态分布的规律向两边减小。 一3 2 危险化学品事故性泄漏大气扩散研究 该模式适宜应用于连续源扩散，经过一定方法的处理也可用于线源和面源，因此 在目前通常的大气环境影响评价中广为采用【矧。 4 3 2 高斯点源烟团模式 ， 对于突发性泄漏事故的蒸发，污染源往往是短时间的突然释放或一个较长时 间的分段释放大量有毒有害气体，此时地面浓度的计算应采用烟团模式矧。 烟团模式假定污染物排放连续、独立的烟团，这些烟团的体积沿水平和垂直 方向增长，并模拟这些烟团随风速和风向在位置和时间上的变化。 1 静风或小风( u 1 o m s ) 下瞬时点源的浓度： 在静风或微风的情况下，近地层大气湍流和扩散特性与风速大于2 m s 时有着 不同的性质，污染物稀释扩散缓慢，易形成较高的局部浓度，因此需进行单独分 析。静风时烟团模式为： 崩硝，= 葫舞唧 _ b 每丢 他 当污染源为连续点源( 设源强为a ( 磁s ) ) 时，可假设为污染源在时间丁内 连续释放多个瞬时烟团，并将释放时间丁分割成若干相等时段，每个时段内释放 一个烟团，可看作一个步长( 例如l m i n ) ，步长内的风向、风速和稳定度视为恒定 不变。 为求得连续源在空间某点g ，) ，z ) 的浓度，将丁时段内连续泄放造成的浓度看 成时段内若干缸时间间隔的瞬时烟团在该点形成的浓度的迭加。对式( 4 1 4 ) 按 时间积分可得到静风连续源烟团模式p o 】： c = r 研兰i e x p ( - 篆h 去卜 他 式中：丁一积分时间( 静风持续时间) ( s ) ；r 一距原点的距离( m ) ， r = 小i 芦；u x - - 顺风向扩散参数( m ) ，吒= 仃，。 2 有风连续源的情况： 设有定常的平均风速云，取一固定的空间坐标系，令x 轴与平均风向平行。在 f = o 时刻原点( o ，