事故泄漏模型分析及其在环境风险评价中的应用.doc

事故泄漏模型分析及其在环境风险评价中的应用化工石化医药类环境影响评价登记培训论文摘 要：化学危险品事故泄漏风险评价是整个环评过程中的一个有机组成部分，是进行风险评价预测和模拟的前提。本文以建设项目环境风险评价技术导则(HJ/T1692004)为基础，分析了可能出现事故泄漏的设备和事故泄漏的后果。根据不同事故情况，对导则中事故泄漏模型及预测模型的应用进行了分析。关键词：风险评价；事故泄漏；源模型；临界流；两相泄漏；气体泄漏；液体泄漏；多烟团模型1 前言在化工、石油化工及相关行业中，易燃、易爆及有毒有害物质在生产、储存和运输过程中经常发生泄漏事故。事故的发生不仅会导致巨大的经济损失，而且还会造成严重的人员及环境生态的毒性伤害和污染。更为严重的是可能会继而发生火灾或爆炸等灾害，使得灾害损失与破坏进一步加剧。建设项目环境风险评价技术导则(HJ/T169-2004)要求对建设项目建设和运行期间发生的可预测突发性事件或事故引起有毒有害、易燃易爆等物质泄漏，或突发事故产生的新的有毒有害物质，所造成的对人身安全与环境的影响和损害，进行评估，提出防范、应急与减缓措施1。对事故泄漏源进行分析，主要是根据项目所涉及的危险物品的化学性质、事故下设备情况，采取相应的数学模型来估算泄漏物的排放量、排放时间等。在计算得到事故泄漏源强参数后即可采用扩散模型进一步对事故泄漏对环境的影响进行预测分析。2 泄漏情况根据各种设备泄漏情况分析，可将工厂(特别是化工厂)中易发生泄漏的设备分类，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散管等10类2。每一种设备的典型损坏类型及其典型的损坏尺寸不同，一般可按设备大小的20%100%计算。泄漏一旦出现，其后果不单与物质的数量、易燃性、毒性有关，而且与泄漏物的相态、压力、温度等状态有关。3这些状态可有多种不同的结合，在后果分析中，常见的可能结合有常压液体、加压液化气体、低温液化气体、加压气体4种。无论是气体泄漏还是液体泄漏，泄漏量的多少都是决定泄漏后果严重程度的主要因素，而泄漏量又与泄漏时间长短有关。3 泄漏模型物质存储形式的多种多样、漏源的大小、形状、位置以及泄漏介质本身物理特性的不同决定了泄漏形式的多样性和复杂性4。影响泄漏扩散的因素主要有介质的相态(气态或液态)、储存条件(压力液化储存、冷冻液化储存、常态液体储存和常态气体储存)、弥散限制(泄漏源周围有无防液堤)和泄放形式(连续泄漏、瞬时泄漏和有限时间泄漏)。 当发生泄漏的设备的裂口是规则的，而且裂口尺寸及泄漏物质的有关热力学、物理化学性质及参数已知时，可根据流体力学中的有关方程式计算泄漏量。当裂口不规则时，可采取等效尺寸代替；当遇到泄漏过程中压力变化等情况时，往往采用经验公式计算。3.1 气体泄漏以储罐为例，对于高压(低温)液化气储罐，如果处于满装状态，罐内不存在气相空间，此时即使少许裂缝出现，由于少量液体的泄漏也会引起内压的迅速下降而处于过热状态，液体全部汽化，从而最终导致灾难性破裂；如果储罐没有满装，当破裂处位于气相空间时，在破裂面积较大的情况下，高压蒸气通过裂缝或孔洞喷出，储罐内压急剧下降，直到环境压力(常温)。由于内压急剧下降，气液平衡遭到破坏，储罐内流体处于过热状态，过热状态的液体为了再次恢复平衡，内部会均匀地产生沸腾核，同时产生大量气泡，液体体积急剧膨胀，最终也导致蒸气爆炸。对于以上两种情况，泄漏量可按存储介质瞬间全部泄漏计算。若裂口面积不大，即使有蒸气喷出，但由于储罐内压下降不急剧，液体不会达到过热状态，因此不会发生蒸气爆炸。气体或蒸气的泄放可分为节流泄放(ThrottlingRelease)和自由泄放(FreeExpansionRelease)。对于节流泄放，气体或蒸汽的压缩能绝大部分用来克服摩擦阻力;而对于自由泄放，则绝大部分转化为动能。节流泄放模型需要裂口的详细物理特征，因而只考虑较为简单的自由泄放模型。5气体从裂口泄漏的速率与其流动状态有关。因此，计算泄漏量时首先要判断泄漏时气体流动属于音速还是亚音速流动，前者称为临界流，后者称为次临界流。当下式成立时，气体流动属于音速流动： 当下式成立时，气体流动属于亚音速流动： 式中：P容器内介质压力，Pa；P0环境压力，Pa；气体的绝热指数（热容比），即定压热容Cp与定容热容CV之比。气体泄漏量计算公式为： 式中：QG气体泄漏速度，kg/s；P容器压力，Pa；Cd气体泄漏系数；A裂口面积，m2；M分子量；R气体常数，J/(molk)；TG气体温度，K；Y流出系数，对于临界流Y=1.0对于次临界流按下式计算：气体或蒸气泄漏系数的确定直接影响气体泄漏速度的计算。一般而言，泄漏系数的取值范围在0.61.0之间。按泄漏孔的形状可分6:圆形孔，d=1.0;三角孔，d=0.95；长形孔，d=0.90。孔口为内层腐蚀形成的渐缩孔，0.9d1.0；孔口为外力机械损伤形成的渐扩孔，0.6d1001000.650.500.600.450.550.40本法的限制条件是液体在喷口内不应有急剧蒸发。对于常压下的液体泄漏速度，取决于裂口之上液位的高低；对于非常压下的液体泄漏速度，主要取决于容器内介质压力与环境压力之差和液位高低。对于压力液化气体的液下泄漏，当容器内介质压力差远大于液位高度压力差时也可不考虑液位高度的压力变化。储罐内的压力也与物质的性质和储罐的温度有关，其确定方法与储罐气体泄漏相似。液体泄漏后，泄漏液体的蒸发分为闪蒸蒸发、热量蒸发和质量蒸发三种，其蒸发总量为这三种蒸发之和。当容器内液体是过热液体，即液体的沸点低于环境的温度，液体流过裂口时由于压力减小而突然蒸发。蒸发所需的热量取自于液体本身，而泄漏液体的温度将降至常压沸点。过热液体闪蒸量可按下式估算：Q1=FWT/t1 式中：Q1闪蒸量，kg/s；WT液体泄漏总量，kg；t1闪蒸蒸发时间，s；F蒸发的液体占液体总量的比例；按下式计算：式中：Cp液体的定压比热，J/(kgK)；TL泄漏前液体的温度，K；Tb液体在常压下的沸点，K；H 液体的气化热，J/kg。由上式计算的F一般都在01之间，这种情况下一部分液体将作为极小的分散液滴保留在蒸汽云中。随着与具有环境温度的空气混合，部分液滴将蒸发。如果来自空气的热量不足以蒸发所有液滴，部分液体将降落地面形成液池。对于液体是否被带走目前尚没有可接受的模型。有关实验表明，如果F值大于0.2，则液池不太可能形成。当F小于0.2时，可以假定带走流体与F成线性关系。F=0，没有流体被带走；F=0.1，有50%液体被带走等。因此，考虑到液滴被带走的量，闪蒸带走的液体量按下试计算：A、当F0.2时 D=5FQL地面液池内液体量：Ds（1-5F）QLB、当F0.2时液体被全部带走，地面无液池形成。当液体闪蒸不完全，液体泄漏后立即扩散到地面，一直流到低洼处或人工边界(如防火堤、岸墙等)形成液池，并吸收地面热量而气化称为热量蒸发。若泄漏源周围地面平坦，泄漏液体也不会无限蔓延下去，而是趋于某一最大值，即根据不同的地表情况选用不同的液池最小厚度来确定液池的最大面积。液池的最大面积可由下式求得9：式中：V泄漏液体体积，m3；S液池面积，m3；Hmin液层最小厚度，m。对于光滑平整的地面，液层最小厚度取决于液体性质；对于粗造地面，液层厚度主要取决于地面性质。见下表2。表2 不同地面的最小液层厚度地面性质最小液层厚度/m地面性质最小液层厚度/m草地0.020混凝土地面0.005粗糙地面0.025平静的水面0.0018平整地面0.010热量蒸发的蒸发速度Q2按下式计算：当热量蒸发结束，转由液池表面气流运动使液体蒸发，称之为质量蒸发。质量蒸发速度Q3按下式计算：其实对于压力液化气液体泄漏而言，如果有液池形成，则闪蒸、热量蒸发和质量蒸发是同时存在的，只不过在液体泄漏过程中闪蒸的量一般远大于热量蒸发和质量蒸发的量，所以在液体泄漏时可先只考虑闪蒸。待液体泄漏结束后，闪蒸结束，热量蒸发占主导地位，其蒸发量远大于质量蒸发，则可只考虑热量蒸发。随着时间的推移，热量蒸发逐渐减少，质量蒸发逐渐占主导地位，当热量蒸发远低于质量蒸发时，可只考虑质量蒸发。对于冷冻液化气泄漏，则无闪蒸过程，泄漏后流至地面的液体发生热量蒸发和质量蒸发。对于常压液体泄漏则无闪蒸、热量蒸发，泄漏后流至地面的液体只有质量蒸发。3.3两相流泄漏如果容器中的过热液体泄漏前通过较长的管道就会产生两相流泄漏。假定液相和气相是均匀的，且互相平衡，两相流泄漏计算按下式：式中：QLG两相流泄漏速度，kg/s；Cd两相流泄漏系数，可取0.8；A裂口面积，m2；P操作压力或容器压力，Pa；PC临界压力，Pa，可取PC=0.55P；m两相混合物的平均密度，kg/m3，由下式计算：式中：1液体蒸发的蒸气密度，kg/m3；2液体密度，kg/m3；FV蒸发的液体占液体总量的比例，由下式计算；式中：Cp两相混合物的定压比热，J/(kgK)；TLG两相混合物的温度，K；TC液体在临界压力下的沸点，K；H液体的气化热，J/kg。4事故泄漏后的扩散考虑到事故泄漏后的扩散内容较多，不可能通过本文进行详细的阐述，在此仅对几种主要的扩散模型的应用进行介绍。对于闪蒸的液体或压缩气体瞬时释放后有一个快速膨胀过程，假定该过程非常快，以至于气团和环境之间没有时间进行热交换，这个膨胀过程可以按绝热过程处理。绝热过程可分为气体释放模型和液体释放模型。绝热扩散模型主要用来计算瞬时泄漏的初始状态，一般在利用其它扩散模型进行计算前应采用该模型进行计算。对于泄漏的气体密度大于空气的重气云应采用重气扩散模型。常见的工业气体，很多密度都大于空气，如液化石油气、氯气、二氧化硫、硫化氢等。一些液化气体虽然分子量不一定大于空气的表观分子量，但是泄漏后一般温度较低，还可能夹带液滴，其表观密度仍然大于空气，仍应采用重气扩散模型。重气扩散模型用得较多的是瞬时扩散的盒子模型。盒子模型假定起始云团为圆柱体，高与半径之比通常选1。其初始体积由前面的绝热扩散模型计算。对于连续泄漏的重气体，可采用连续扩散的平板模型。重气云的扩散通常分为重力沉降、空气卷吸、云团加热和重气扩散向非重气扩散的转变四个阶段10。当泄漏气体或气体与空气混合后的密度接近空气密度时，重力下沉与浮力上升作用可以忽略，扩散主要是由空气的湍流决定，可采用高斯扩散模型进行。由于高斯扩散模型建立较早，模型简单，实验数据充分，因此应用非常广泛。甚至在重气泄漏场合，考虑到重力作用影响时间较短，也可以直接采用高斯模型。即使先使用重气模型，当湍流扩散起主要作用时，也应该改用高斯扩散模型。对于瞬时或短时间事故，采用变天条件下多烟团模式。当泄漏源排放速率不变，且天气条件不变时，可采用非正常排放模型进行计算。因为，在泄漏源排放速率不变，且天气条件不变时，非正常排放模型是多团模型的积分。当事故排放源持续时间较长时（几小时至几天），可采用分段高斯烟羽模型。一般的泄漏事故持续时间均较短，所以很难用到分段高斯烟羽模型。这一模型往往用于核电泄漏事故的模拟。对于泄漏后形成液池时，如果液池面积不大，仍可直接采用多烟团模型。如果，液池面积较大，则应该对模型进行修正。一般可采用直接修正法或虚点源法。5结语 根据以上分析可知，事故泄漏情况多种多样，事故泄漏过程复杂，事故泄漏的不同阶段泄漏物质的排放情况也不相同。各种情况下事故泄漏模型的选择和确定，为估算事故情况下污染物排放量提供了依据，也为事故情况下泄漏物的扩散和预测提供了基础。针对不同的泄漏事故，应该正确选择不同的泄漏扩散模型进行计算。参考文献：1国家环保总局发. 建设项目环境风险评价技术导则(HJ/T 1692004)2胡二邦等. 环境风险评价实用技术和方法. 北京：中国环境科学出版社，1999，93国家安全生产监督管理局编. 危险化学品安全评价国家安全生产监督管理局编. 北京：中国石化出版社，2003，84曾光明等. 环境风险评价中的不确定性问题. 中国环境科学，1998，18(3):252-2555张一先. 张