泄漏扩散模型及其模拟计算

前 第一章泄漏源模型介 泄漏源模型概 源模型作 泄漏情况分 泄漏主要设 造成泄漏的原 泄漏..............................................................................................第二章常见的泄漏源模 泄漏情 基本泄漏源模 平行圆板模 三角沟槽模 多孔介质模 储罐泄漏模 气体泄 液体泄 管道泄漏模 气体或蒸气沿管道泄 液体沿管道泄 液体通过孔洞泄 泄压元件泄放模 安全阀泄放模 减压阀泄放模 安全减压阀泄放模 第三章扩散模型介 扩散模型概 扩散模型作 扩散模 SLAB模 DEGADIS模 ALOHA模 ARCHIE模 UDM模 大气扩散模型的对 第四章扩散模 连续点源的扩 大空间点源扩 高架点源扩 地面点源扩 连续线源的扩 连续面源的扩 第五章影响大气扩散的若干因 第六章泄漏模拟计 气体经管道孔泄 气体管道断 绝热流 等温流 第七章扩散模拟计 大气稳定度确 Pasquill-Gifford扩散模 Pasquill-Gifford模型扩散系 模式应用及结 第八章毒性作用标 第九章应急救援预 应急响 预案启 应急报 应急行 处置措 事故的预 设备、设施的硬件方 管理方 后期处 9.4.1安 清理恢 9.4.3与总 培训与演 培 应急预案演 前还会造成严重的及环境生态的毒性和污染。更为严重的是可能会继而发生火灾或等，使得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/T169-2011）要求对建设项目建设目所涉及的物品的化学性质、事故下设备情况，采取相应的数学模型来估算型进一步对事故泄漏对环境的影响进行分析。装备迅速出大量物质，所形成的气云将遍及整个工厂和当地社会。（一旦知道了下风向的浓度，就可以使用一些准则来估算或影响，在计算第一章泄漏源模型介泄漏源模型概源模型作系系统描辨辨接受系风险和危接受系风险和危可接受Y情形确事故事故概风险确 N更N更改设1-1源模型泄漏事泄漏事件的选火模的选可燃和选择扩散模图1-2模泄漏情况分根据机理，可以分为大孔和有限孔，一般大孔事件中，过程单元内形成大孔，短时间内大量物质，造成的损失是瞬时的。储罐的超压就是一个很好的大孔的例子。对于有限孔，物质以非常慢的速率，上游条件并不因此而立刻受到影响，也是在化工厂中常见的形式，往往就是10类。每一种设备的典型管径的20%~100%、20%和20%~100%。接头处的泄漏，裂口尺寸取管径的20%；口尺寸分别取管径的20%~100%和20%。阀盖泄漏，裂口尺寸取管径的20%；孔盖泄漏，裂口尺寸取管径的20%；密封压盖处泄漏，裂口尺寸取管径的20%。压缩封套泄漏，裂口尺寸取管径的20%。的20%~100%。设计设备原管理原人为泄漏气体。泄漏物质的物性不同，其泄漏也不同。火源就会发生燃烧或。泄漏后起火的时间不同，泄漏也不相同。遇火源发生或爆轰，能引起较大范围的破坏。气体泄漏。气体泄漏后形成云团在空气中扩散，气体的与液体的性质和条件（温度、压力）有关。第二章常见的泄漏源模泄漏情基本泄漏源模ppL （1）

Lv

LH

Lv

LH3

ppp，p2p2p2，C r随垫片残余应力的增大而减小，存在r

fn的关系。这样就可以 A/bnLpppA/bT/M12nMpp AL、AM、nL、nMLpvPVpmp2p1/2，M是气体相对分子质量，T储罐泄漏模气体泄破坏，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，会均匀的产生沸腾核，同时产生大量气泡，液体体积急剧膨胀，最终也导致蒸气。对于以上两种情况（闪蒸泄漏量可按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，较高速度流动时（0.3倍音速）或前后压差大于2时，其在流动过程中的动能变化和物理性质的变化（尤其是密度的变化）就必须加以考虑。气体或蒸气的泄放可分为节流泄放（ThrottlingRelease）和泄放（FreeReleaseQCAP2rM/RTr1P/P2rP/Pr1r1

g Qm质量泄漏率kgsC0A裂口面积/m2P0储罐内压PaM气体或蒸气的摩尔质量kg/molRgT0泄漏源温度KP泄漏处压力Pa想气体而言，塞压是热容比的函数，见表2-1。2-塞压和热容比的关气r单原两原子和三原m g0 Q CAPrM/RT2/r1r1r1m g0 范围在 1.0之间。按泄漏孔的形状可分为：圆形孔，C00.90（棱越多，漏系数越小0.9C01.0；孔口为外力机械损伤形成的渐扩孔0.6C00.9。漏方向决定，热力抬升是由介质与环境的温差决定的。目前普遍使用国标液体泄会发生蒸气。闪蒸所需能量来自于过热液体中所的能量，即：QmCpT0Tb。m为过热液体的质量，Cp是液体的热容，T0是降压前液体的QAC2P/gh1 0 L

hLm 式中K是质量转移系数，m/sPsat是液体的饱和蒸气压，Pa；TL是液的温度，K当Q大于Hv时，泄漏出来的液体发生完全闪蒸，此时应按气体泄漏处理当Q小于HvQAC2PP1 0 c式中 是两相混合物的平均密度，kg/m3；P是两相混合物在储罐内 压力PaPC是临界压力PaPc0.55Pmmm1/Fv/g1Fv/l F是闪蒸率FQ/Hkgm3是两 管道泄漏模样会引起流体的泄漏，具体可分为以下4种情况：小于音速。气体或蒸气沿管道泄漏的质量流率为（压音速g G2rM/Rr1TT/T/P2Tg 1 g MaPrM/RT 1 gG非塞流情况下泄漏的单位面积上的质量流率kgm2s；Gchoked塞流情况下泄漏的单位面积上的质量流率kg/m2T1,P1,Ma1管道内达到塞流前任一点处的温度K，压力Pa和马T2P2泄漏处的温度K，压力Pa1 gGMaPrM/RT11 gP1Ma1管道内任一点处的压力PaT流体温度Kua

a/ M/R Pchoked塞压Pa

PMa p/u'2/2gzFWz/ P液体的压强Nm2液体的密度kgm3u'液体的流速/m/s无量纲速度廓线修正系数，其有以下几种取值：对于层流，0.5；对于塞流，取1.0；对于湍流，取1.0；g重力加速度ms2z基准面上方的高度/mF静摩擦损失项mNkgWs轴功Nmm质量/kg的管路的不同，有不同的摩擦损失计算公式，参见相关文献《Chemicalprocesssafetyundamentalswithapplication漏中的摩擦损失可被泄漏系数，常数C1，来近似代替，定义为：1P/FC2P/ 11u'C2P/1 1C'C1 u'

'2P/ 泄漏系数C0是从孔洞中泄漏的流体的雷诺数和孔洞的直径的复杂的函数。3C0泄压元件泄放模0G7.6102CXPAM/ZT 0G安全阀泄放量kg/hA安全阀最小排气截面积/mm2P安全阀泄放压力（绝压）/MPa；C0流量系数，与安全阀结构有关；X气体特性系数；M气体的摩尔质量kgkmolT气体的温度KZ全阀的最放量可参考方程（6）来计算。扩散模型概在石油、化工、天然气、等行业中使用的物质中，包括各种类型的有害气体，如果在生产、和的过程中由于人为或其它原因，导时所来的物理化学过程的理论，或经验方程而建立的。对于较复杂的扩散扩散模型作通过合适的扩散模型估算下风向物质浓度，一旦知道了下风向的浓度，扩散模SLAB模SLAB（anAtmosphericDispersionModelforDenserthanAirRelease，混合层模型：用于重气的大气扩散模型）模型由能源部的劳伦斯-利弗莫尔（LawrenceLivermore）国家开发，是用于重气源的大气扩散模型。源类型的判SLAB通过云层分布的空间平均浓度和某些假定分布函数来计算时间平均扩散气体浓度，计算流程图如图3-1所示。模型以空气卷吸作用为假设前提，计算大气湍流云层混合和源于地面摩擦影响的垂直风速变化。SLAB模型把气云的状态方程对气体泄漏扩散进行模拟。当需要SLAB提确结果时，可以通过重组控制方程和定义新变量得到部分方程的分析解。在浓度随时间变化方面，源类型的判近场烟羽上源蒸发水平喷水平喷时间平均体积浓3-1SLAB模型的结SLAB包含两个大气扩散模型：稳态烟羽模型和瞬变流模型。模拟时可以根据源的类型和泄漏持续时间来选择模型。SLAB模型的优点是使用简单、快速；DEGADISDEGADIS（DenseGasAtmosphericDispersion，重气大气扩散）大气扩散模型由海岸警备队和气体开发，能够对短期环境浓度以及预期将在高定化学品限制浓度水平的区域进行精细模拟评估。DEGADIS模型基DEGADIS可以用于模拟面源稠密气体（或悬浮颗粒）在平坦地形下由大气边界层的无动力，还可以在溢流事故中气体扩散的距离。DEGADIS的应用，证明它可以精确描述高密度燃气云中的重力扩散和紊流的不同以及建筑物、储罐等物造成的流动的变化。DEGADIS是一个综合扩散模型，应用于评估高性的高密度燃气和气溶胶的泄漏事故。ALOHA副产物；散粒、岩体和物碎片。10m高处的平均风速1m/s浓度突变区域，特别是在源附近。ARCHIEARCHIE（AutomatedResourceforChemicalHazardEvaluation，化学危害品评估自动资源）模型由哈兹迈特公司（HazmatAmerica,Inc.）提出。ARCHIE能时间。ARCHIE模型集合了烟团模型的许多特点，适用于无物和平坦地的扩散计算，因此，常被用于模拟挥发化学品在泄沿顺风方向的扩散。UDM模UDM模型（UnifiedDispersionModel）是PHAST用于计算泄漏扩散的模型。PHAST（ProcessHazardysisSoftwareTool）是由DNV开发的一种专门用于石油和天然气领域分析和安全计算的。该通过对发发生的火灾和事故的影响范围及程度。UDM模型通过计算在某一时刻物质域、准区域。技术可以针对不同的区域采取不同的应急措施，从而减小和有限时间修正模型（Finite-duration-correctionmodel。UDM模型适用于任何泄漏方式，无论是连续泄漏还是瞬时泄漏，泄漏气体表3-1部分大气扩散模型对模模型名 使用范 适用举 优 缺使用简单 用于模拟

大的易燃/

稳定及不

存在和地形变SLAB模型 油蒸汽LPG

均能得到

考虑高度方向硫化氢 浓度变好 结用于模拟稠密气（LNGLPG考虑了扩气的重力影响只能模拟平面漏的燃气泄漏浮颗粒品储罐泄在风的作DEGADIS地形下向形成的液燃气的“收聚滑表面的泄漏边界层的蒸发扩作用泄漏力还可随着时间物的考虑了液 压缩液化 在水面的 速和非常稳定用于模拟发 体泄漏，比 体、传热、 大气条件没有ALOHA

LPG储罐泄漏蒸汽扩

形变化影响 漏扩散 和气溶胶对 物、气溶胶、副闪蒸液体的 物和物碎用于模拟燃烧 油气燃烧

带现象

不能处理重气的有害 的有害物 适用于ARCHIE模型 物及大气扩 化碳、氮氧 无限空间模过 物等考虑了高各种易燃/向的浓度变化

可以模拟轻 毒蒸汽/气体可以用于粗 不考虑有建筑UDM

LPG

罐泄漏蒸扩散等

第四章扩散模连续点源的扩y、z轴方向符合正态分布；三、污染物在输送扩散图4-1扩散模型示意图4-1所示为点源的扩散模式示意图。有效源位于坐标原点o处，平均风向与x轴平行，并与x轴正向同向。假设点源在没有任何物的空间散，不考虑下垫面的存在。大气中的扩散是具有y与z两个坐标方向的二维正态1 z22 Cx,y,zAxexp 2 2 2 zC空间点x,yzmgm3Ax

十十 q qg/s 和四及十expt22

Ax 2uy

Ax

1 z22 Cx,y,z2uexp 2 22 y z式中，扩散系数y、zxx的增大而增y=0，z=0AxCx00Axxx轴截面上污染物的最大浓度点Cmaxx，y、z，则C0高架点源扩散模式。点源在地面上的投影点o作为坐标原点，有效源zzHHhh，其hh是热烟流的浮升力和烟气以一定速度竖直离开排放口的冲力使烟流抬升的一个附加高度，如图2-2所示。图4-2地面全反射的高架连续点源k4-2k点的浓度显然比大空间点源扩散公式（4）计算值大，它是位于0,0,Hk点扩散的浓度和反射回来的浓度的叠加。反射浓度可视为由一与实源对称的位于00,H的像源（假想源）k源在k点扩散的浓度为（4）的坐标沿z轴向下平移距离H：C 1 zH2 2uexp2

2

y z+H浓度为式（4）的坐标沿z轴向上平移距离H：C 1 zH2 2uexp2

2 y 由此，实源Cs与像源Cxk y2 zH2 zH2Cx,y,z,H2u 2 exp y y 即式（5。中，令z=0，可得高架点源的地面浓度公式： 1 H2Cx,y,0,Huexp222 y zCx,0,0,H expH u

22y z4-3高架点源地面浓度分地面最大浓度值Cmax及其离源的距离xmax可以由式（9求导并取极值得到。令C/x0，由于y、zx的未知函数，最简单的情况可假定yz常

2z|x 2

2

y由式（10）可以看出，有效源Hxmax处的z值越大，而zxmax，则Cmax出现的位置离污染源的距离越远。式（11）表明，地面上最大浓度CmaxH可以有效的防止污染物在地面某极不稳定的大气条件，通常可设yz2估算最大地面浓度，其估算值与孤立可得zfx的具体表达式，代入（10）xmax，令式（7）中H=0，即得出地面连续点源的扩散公式： 1 z2 Cx,y,z,0uexp222 y yz等于零，则可得到沿x轴线上的浓度分布：Cx,0,0,0 uy

物而全反射；四、平均风向和风速平直稳定，且u＞1~2m/s。连续线源的扩如果风向和线源的夹角45uzsinuzsinCx,0,H exp

22Z当45时，以上模式不能应用。如果风向和线源的夹角垂直，即90

u HuCx,0,H exp

22Zy1y2y1＜y2u H2 u Cx,0, exp 2 exp 2Z 2s1y1y，s2y2y连续面源的扩4-4虚拟点源如图4-4所示，它在面源单元中心线处产生的烟流宽度为2y04.3y0，等于面y0B/ 由确定的大气稳定度级别和上式求出的y0，应用P-G曲线图可查取x0。由x0x分布查出y和zC expH u

22y z 由源的最初垂直分布的标准差确定z，再由z求出xzxzx求出 x0x求出y，最后代入式（18）物全都均匀分布在长为x0x/84-4所示。因此，利用式（17）求yP－Gx0，再由x0x查出z，则面2C expH 2ux0x/

22 z第五章影响大气扩散的若干因；泄漏处距地面高度；物质泄漏的初始动量和浮力（有效高度。各因素均有相关气体经管道孔泄p0

1 p0 p

1PcpcvQ

RT1M 2gQ

RRT1M Q气体泄漏质量流率，单位为kg/sA裂口面积，单位为m2PMgmolRg理想气体常数，单位为8.314JmolKT 1 11 11 p1p00p Y 由p00.1 10.56，气体属于音速流动。对管子 1 实际中，大于4in20% 100.0254 A 20% 1 11 p01p0p Y Cd考虑取

RT1M 2gQRT1M 2g气体管道断绝热流（T1计算质量通量G步骤如下：14log3.7dFanningff f Ma1

4fL 1 1 d

a1 Ma1Ld

11M

Y1M M

choked Gchoked质量通量，单位为kgm2sP1上游气体压力，单位为Pa；T1上游气体温度，单位为K；Tchoked下游气体温度，单位为K；由式（10）Pchoked等温流1计算质量通量G步骤如下：14log3.7dFanningff f Ma1 4

M2M2

a1

a1

M M Gchoked质量通量，单位为kgm2s；P1上游气体压力，单位为Pa；PchokedPa；T上游气体温度，单位为KMa1=cpcvRg理想气体常数，单位为8.314JmolKMgmol对从甲硫醇反应器上部出来的甲硫醇（取cpcv1.0290.8571.20）瞬间：Q瞬间400kg/sPasquillGifford模大气稳定度确EF六类，A类表示气象条件极不稳定，B类表示气象条件中等程度不稳定，C类表示气象条件弱不稳定，DE类表示气象条件弱稳定，F类表示气象条件中等程度稳定。大气稳定度的具7-17-27-1Pasquill大气稳定度的地面风强白天日中弱夜间条阴天且云层薄，或低空云量为天空云量BBCEFCDEDDDDDDD7-2日照强度的天空云层情日照角日照角<60°且日照角>15°且天空云量为4/8，或高空有薄强中弱天天空云量为中弱弱云层高度为天空云量为5/8~7/8，云层高度 Pasquill-Gifford扩散模Pasquill-Gifford模型扩散方 1

22 1z 1zHcx,y,z yexp r2y 2y 2 2 cx,yz连续排放时，形成稳定的流场后，给定地点x,yz的污染物的浓度，单位为kg/m3；Q连续排放的物料质量流量，单位为kg/su风速，单位为m/sxzm烟团中心在x=ut处，平均浓度方程为： 1y2 1z 1zH 2 cx,y,z

exp

exp r2Xy 2y 2 2 cx,yz瞬时排放时，给定地点x,yzt的污染物的浓度，单位为kg/m3；Q*瞬时排放的物料质量流量，单位为kgu风速，单位为m/sPasquill-Gifford模型扩散系表7-3的烟羽扩散Pasquill-Gifford模型扩散系数方Pasquill-Pasquill- σy/m或 农村条 0.22x（1+0.0001x）- 0.16x（1+0.0001x）- 0.11x（1+0.0001x）- 0.08x（1+0.0002x）- 0.08x（1+0.0001x）- 0.06x（1+0.015x）- 0.06x（1+0.0001x）- 0.03x（1+0.0003x）- 0.04x（1+0.0001x）- 0.016x（1+0.0003x）-城城市条 0.32x（1+0.0004x）- 0.22x（1+0.0004x）- 0.16x（1+0.0004x）- 0.14x（1+0.0003x）- 0.11x（1+0.0004x）- 0.08x（1+0.0015x）-表7-4的烟团扩散Pasquill-Gifford模型扩散系数方Pasquill-σy/m或Pasquill-σy/m或稳定度等稳定度等A0.018x00.60x0D0.06x00.15x0B0.14x00.53x0E0.04x00.10x0C0.10x00.34x0F0.02x00.05x0模式应用及结由于项目占地面积小于1km2，以项目为中心1km2范围内，对无组织排放的均风速（7-5）及不同该地区近三年大气稳定度频率（见表7-6）别选取当地年平均风速2.90m/s和小风风速1.0m/s采用上述模式进行。7-52014-2016年项目所在地平均风速 风 B—D—F下风向甲硫B下风B—D—F下风向甲硫B下风向D下风向F下风向季春夏秋冬年 大 气 稳定 度 表7-不同条件下甲硫醇最浓度及下风向距结最点浓污染风速/（m·s稳定范围Cm/（μg·m-0.7g/m3定度的变化规律是：B类小于D类小于F类；最大浓度点的下风向距离随稳定度的变化规律是：B类小于D类小于F类；相应的（环境质量标准）范围随稳定度的变化规律是：BDFF类稳定度条