低溫乙烯罐泄漏擴(kuò)散危險(xiǎn)性分析

1、低溫乙烯罐泄漏擴(kuò)散危險(xiǎn)性分析摘要：發(fā)生泄漏擴(kuò)散是低溫乙烯罐事故危害的重要原因之一，因此建立低溫乙烯罐泄漏擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)模型是正確評(píng)估低溫乙烯區(qū)周圍危險(xiǎn)性的主要內(nèi)容。本文在分析Pasquill-Gifford模型和DEGADIS模型等各種氣體泄漏擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合低溫乙烯泄漏擴(kuò)散動(dòng)態(tài)過程的特點(diǎn)，以及重力作用和水平風(fēng)速對乙烯擴(kuò)散的影響，采用包含幾種擴(kuò)散模型的ALOHA模擬軟件，對天津某乙烯罐和油罐共建區(qū)由于乙烯擴(kuò)散泄漏造成的危險(xiǎn)性進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明，對乙烯罐泄漏實(shí)施監(jiān)測并與可能出現(xiàn)明火區(qū)域?qū)崿F(xiàn)防火預(yù)警聯(lián)動(dòng)可有效地降低低溫乙烯罐泄漏擴(kuò)散所引起爆炸的危險(xiǎn)性。   

2、; 1、前言    眾所周知，乙烯是一種重要的石油化工原料，乙烯相對分子質(zhì)量是28.053在常壓下為無色可燃性氣體,具有烴類特有的臭味。標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的密度1.2604kg/m3,液體的比重:0.5699(-103.9)熔點(diǎn):-169.4，沸點(diǎn):-103.9臨界溫度9.9,臨界壓力:5.137Mpa,爆炸極限:2.736%(體積)。根據(jù)乙烯的特性，其貯存除需要有良好的絕熱保溫性能以外，更需要考慮儲(chǔ)存中的其它安全問題。例如，在考慮低溫乙烯儲(chǔ)罐的建設(shè)規(guī)劃時(shí)，就應(yīng)充分考慮到貯存過程中如果發(fā)生意外情況，乙烯有可能發(fā)生泄漏擴(kuò)散，這樣會(huì)對附近人員設(shè)施和重要設(shè)備造成潛在的爆炸危

3、險(xiǎn)。一旦出現(xiàn)乙烯的大量泄漏，泄漏的乙烯一般先被收集在防液堤或蓄液坑內(nèi)，乙烯與防液堤或蓄液坑的表面直接接觸，兩者之間存在很大的溫差，乙烯會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的汽化。同時(shí)乙烯表面同時(shí)會(huì)與空氣直接接觸，也會(huì)產(chǎn)生大量的蒸氣，這些蒸氣與空氣混合形成蒸氣云團(tuán)隨風(fēng)擴(kuò)散。當(dāng)乙烯與空氣混合的比值，這到爆炸極限值時(shí)，蒸氣云團(tuán)所覆蓋的范圍就有爆炸的危險(xiǎn)，其引發(fā)的危害后果是非常嚴(yán)重的。    因此，為了避免和減小低溫乙烯罐由于泄漏擴(kuò)散引發(fā)的燃燒爆炸危害，本文對低溫乙烯罐的泄漏過程和擴(kuò)散模型進(jìn)行了研究，希望可以從理論上模擬泄漏事故發(fā)展的動(dòng)態(tài)過程，預(yù)測過程中的濃度變化以及影響范圍，這對于低溫乙烯罐周圍

4、地區(qū)的安全設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)意義。    2、低溫乙烯罐泄漏擴(kuò)散模型及其動(dòng)態(tài)模擬    乙烯罐泄漏有兩種方式，即連續(xù)性泄漏和瞬時(shí)性泄漏，它們都是實(shí)際泄漏源的理想化。所謂連續(xù)性泄漏是指泄漏源是連續(xù)源或泄放時(shí)間大于或等于擴(kuò)散時(shí)間，而瞬時(shí)性泄漏是指泄放時(shí)間相對于擴(kuò)散時(shí)間比較短的泄漏。1987年，Britter和Mcquaid通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,提出了瞬時(shí)泄漏和連續(xù)泄漏的如下判斷準(zhǔn)則：    如果VT0/x2.5泄漏為連續(xù)泄漏如果:VT0/xO.6,泄漏為瞬時(shí)泄漏，式中V為環(huán)境風(fēng)速(ms)T0為泄漏持續(xù)時(shí)間(S

5、)，x為觀察者離開泄漏源的距離(m)。根據(jù)前面的準(zhǔn)則，如果某一泄漏既不能視為瞬時(shí)泄漏，又不能視為連續(xù)泄漏，那么，為保險(xiǎn)起見，應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行瞬時(shí)泄漏擴(kuò)散分析和連續(xù)泄漏擴(kuò)散分析，并以危險(xiǎn)性大的泄漏糞型為最終選擇的泄漏類型。 泄漏公式一般可以采用以下三種：    其中：A為外泄裂口面積：C0為泄漏系數(shù)：Pg為儲(chǔ)罐內(nèi)表壓，p為液體密度；hL為液面高；Z為管線高差； f為摩擦系數(shù)；u為流速；Ws為流動(dòng)功；M為氣體的摩爾質(zhì)量,Rg為理想氣體常數(shù)T0為泄漏源溫度,r為比熱容。    乙烯一旦發(fā)生泄漏,很容易在空氣中形成蒸氣云團(tuán)并運(yùn)移擴(kuò)散，當(dāng)

6、其濃度處于爆炸極限范圍內(nèi)，且在引燃源的作用下就會(huì)引起嚴(yán)重的火災(zāi)爆炸事故?；馂?zāi)對人員的傷害主要來自燃燒爆炸的高溫輻射和燃燒產(chǎn)物的煙氣毒性；爆炸主要以沖擊波的形式對人員，設(shè)備及環(huán)境造威傷害與破壞。因此，要研究低溫乙烯罐由于泄漏擴(kuò)散引起的危險(xiǎn)性，就應(yīng)當(dāng)以泄漏擴(kuò)散產(chǎn)生的蒸氣云團(tuán)的濃度作為危險(xiǎn)性指標(biāo)，分析其蒸氣云擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所波及的范圍。    根據(jù)擴(kuò)散云團(tuán)物理性質(zhì)的不同，蒸氣云團(tuán)一般可分為重氣云團(tuán)和非重氣云團(tuán)兩種。    然而，乙烯的密度是隨溫度的變化而變化的。在泄漏之初，由于溫度較低密度較周圍空氣大，所以其擴(kuò)散行為屬于重氣

7、云團(tuán)擴(kuò)散；但是，隨著蒸汽從周圍的空氣和地面不斷吸熱，其密度會(huì)變得越來越與空氣接近，其擴(kuò)散行為會(huì)從重氣云團(tuán)擴(kuò)散變?yōu)榉侵貧庠茍F(tuán)擴(kuò)散，而且由于泄漏和擴(kuò)散速度的不同也可能導(dǎo)致云團(tuán)擴(kuò)散模擬的不同。因此，嚴(yán)格地說，乙烯的泄漏擴(kuò)散模擬是一個(gè)非常復(fù)雜隨時(shí)間和空間變化的動(dòng)態(tài)過程，目前還沒有哪種模型能夠很好的進(jìn)行模擬預(yù)測。    關(guān)于危險(xiǎn)性物質(zhì)泄漏擴(kuò)散模型主要有高斯煙羽模型，DEGADIS模型高斯煙團(tuán)模型、BM模型、Sutton模型及FEM3模型等。BM模型是由一系列重氣體連續(xù)泄放和瞬時(shí)泄放的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成的計(jì)算圖表組成，屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，外延性較差：Sutton模型是用湍流擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)理論

8、來處理湍流擴(kuò)散問題，但在模擬可燃?xì)怏w泄放擴(kuò)散時(shí)誤差較大；FEM3模型適用于處理連續(xù)源泄放及有限時(shí)間的泄放，但其計(jì)算量很大，用計(jì)算機(jī)模擬較為困難，且只適用于重氣體的擴(kuò)散。DEGADIS模式適用于重氣云團(tuán)，Pasquill-Gifford模型適用于非重氣云團(tuán)，兩種模型同時(shí)可模擬連續(xù)性泄漏和瞬時(shí)泄漏兩種泄漏方式，由于提出的時(shí)間比較早，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多，因而較為成熟。因?yàn)閮煞N模型簡單，易于理解，具有運(yùn)算量小，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值能較好吻合等特點(diǎn)，使得該模型得到了廣泛的應(yīng)用。因此，為了能夠?qū)σ蚁┬孤U(kuò)散過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，本文把整個(gè)泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行簡化，運(yùn)用DEGADIS模型和Pasquill-Gifford模型這

9、兩種模擬對整個(gè)泄漏擴(kuò)散動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行模擬預(yù)測。兩種模型的數(shù)學(xué)模擬見下圖。    （1）DEGADIS模型（DEnse GAs DISpersion model）    （2）Pasquill-Gifford模型（Gaussian model）    3、實(shí)例模擬分析    天津某一石化小區(qū)中原有一個(gè)1.2萬立方米的低溫乙烯儲(chǔ)罐，在附近擬擴(kuò)建了一個(gè)65萬立方米的大型原油罐區(qū)，兩罐區(qū)儲(chǔ)罐之間最小相隔75米。位于乙烯罐260m處設(shè)有原油罐區(qū)的油泵房，油泵房是距離乙烯罐最近的可能明火源

10、。因此，為了模擬分析由于乙烯罐泄漏擴(kuò)散造成的對整個(gè)罐區(qū)危險(xiǎn)性影響，本文采用美國環(huán)保署（USEPA）與海洋大氣署（DOAA）所共同開發(fā)的軟件：ALOHA模擬軟件（這種軟件包含Pasquill-Gifford模型和DEGADIS模型）進(jìn)行了危險(xiǎn)性模擬計(jì)算。考慮到當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，本文針對不同氣象條件（濕度50%、溫度20、三級(jí)風(fēng)速3.4m/s5.4m/s），配合泄漏地點(diǎn)環(huán)境特性（開闊地區(qū)）及泄漏源特性與重氣云團(tuán)擴(kuò)散模型，預(yù)估由于低溫乙烯罐泄漏擴(kuò)散后形成爆炸危險(xiǎn)性物質(zhì)云團(tuán)可能影響的危險(xiǎn)區(qū)域。    A. 模擬事件參數(shù)選定：1.2萬立方料的低溫乙烯罐（充罐量83%）泄漏點(diǎn)位

11、于地面高度1m處，考慮了2cm、5cm、10cm、20cm四種破孔尺寸的連續(xù)泄漏，和與連續(xù)泄漏有相同速率（127kg/min,793kg/min,3130kg/min,12200kg/min）的瞬時(shí)泄漏，考察危險(xiǎn)性氣體所能影響的范圍，以及位于下風(fēng)距離260m處的油泵房為可能明火源位置的危險(xiǎn)性。選定的連續(xù)泄漏持續(xù)時(shí)間為60分鐘，瞬時(shí)泄漏持續(xù)時(shí)間為1分鐘；濃度檢測點(diǎn)高度距離地面為2m。    B. 氣象條件：以當(dāng)?shù)貧庀髼l件（3m/s、4m/s大氣穩(wěn)定度E、5m/s、6m/s大氣穩(wěn)定度D）及大氣溫度以平均溫度20，相對濕度50%為模擬所需的氣象資料。 

12、0;  在乙烯擴(kuò)散范圍圖中，橫軸為順風(fēng)向距離，模擬圖形外邊輪廓是乙烯可以擴(kuò)散最大面積，深色部分為濃度選到2.7所覆蓋的范圍，泄漏源中間部分表示濃度可以達(dá)到10；黑色原點(diǎn)是距離乙烯罐260米處的油泵房的位置。在順風(fēng)向濃度分布圖中，橫軸為擴(kuò)散持續(xù)時(shí)間，縱軸為濃度范圍，實(shí)曲線為260米處油泵房室外濃度分布，虛線為門窗緊閉時(shí)油泵房室內(nèi)濃度分布，水平線指濃度為2.7的限定值。當(dāng)泄漏為瞬時(shí)泄漏時(shí)，乙烯擴(kuò)散影響持續(xù)時(shí)間較短，導(dǎo)致室內(nèi)濃度非常小，因此在圖4的濃度分布圖中虛線部分接近于零。從圖4可以看出，當(dāng)風(fēng)速為5ms 、泄漏速度為9000kgmin時(shí) ,乙烯擴(kuò)散速度很快,但是持續(xù)時(shí)間較短,濃度為2.

13、7所能達(dá)到的范圍只有258m,盡管油罐區(qū)處于濃度為2.7所影響的范圍內(nèi),但油泵房所處的位置為爆炸極限范圍以外的安全地帶。從圖5可以看出當(dāng)風(fēng)速為5m/s、泄漏孔徑為20cm時(shí),乙烯擴(kuò)散持續(xù)時(shí)間較長,濃度為2.7所能達(dá)到的范圍可以影響到420m；但是，盡管泄漏量不斷在增加，危險(xiǎn)氣體擴(kuò)散的影響范圍也不會(huì)再隨著泄漏量的增加而增大；而且，盡管油泵房室外濃度已經(jīng)達(dá)到了爆炸極限，但如果油泵房是關(guān)好門窗的封閉狀態(tài)，室內(nèi)濃度也處于爆炸極限范圍之外。    采用以上的模擬分析方法，本文模擬計(jì)算了不同風(fēng)速下、不同泄漏孔徑或不同泄漏速度的危險(xiǎn)氣體影響范圍及其可能出現(xiàn)明火的油泵房處的濃度分

14、布；計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)匯總結(jié)果見圖6和圖7。    圖6橫軸為泄漏孔直徑大小，左側(cè)縱軸表示順風(fēng)向濃度能達(dá)到2.7的最遠(yuǎn)危險(xiǎn)距離,為實(shí)線的參考縱坐標(biāo)，右側(cè)縱軸表示位于順風(fēng)向260m處油泵房的濃度范圍(注意濃度增加方向?yàn)閺纳系较?，為虛線的參考縱坐標(biāo)，從圖中可以看出，泄漏擴(kuò)散的危險(xiǎn)影響范圍是隨著風(fēng)速的增大而減小的，隨泄漏孔徑的減小而減小的，當(dāng)風(fēng)速為6m/s泄漏孔徑小于19.2cm時(shí)，乙烯擴(kuò)散的影響的范圍不會(huì)達(dá)到順風(fēng)向260m處(以濃度2.7為標(biāo)準(zhǔn))，同樣的情況適用于風(fēng)速為5m/s，泄漏孔徑小于17cm，風(fēng)速為4m/s，泄漏孔徑小于15.2cm,以及風(fēng)速為3m/s,泄漏孔徑小

15、于13cm.同時(shí)從圖中還可以分析出，對于泄漏孔徑不大干20cm(即泄漏速度不超過12200kg/min)、氣象條件為三級(jí)風(fēng)速的連續(xù)泄漏，如果260m處的明火區(qū)能在低溫乙烯罐泄漏后及時(shí)給予相應(yīng)的爆炸危險(xiǎn)防范處理(例如關(guān)緊門窗等)，即使出現(xiàn)了乙烯泄漏，260m處明火區(qū)也不會(huì)達(dá)到爆炸濃度范圍以內(nèi)，也就不會(huì)發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。     圖7橫坐標(biāo)為1分鐘的泄漏量，縱坐標(biāo)為擴(kuò)散所能影響的最遠(yuǎn)距離。對于瞬時(shí)泄漏，由于泄漏速度相對較快，泄漏量較小,所以室內(nèi)外濃度持續(xù)時(shí)間較短，一般就幾分鐘。對于瞬時(shí)泄漏同樣存在這樣一個(gè)規(guī)律，在定的風(fēng)速下，小于一定的泄漏量時(shí)(如風(fēng)速為6m/s，

16、泄漏量小于9000kg/min)260m處油泵房的乙烯濃度在2.7以下,不會(huì)出現(xiàn)爆炸的危險(xiǎn)。但是，一旦泄漏超過一定限定值，如果明火處在泄漏后沒有及時(shí)做好預(yù)防措施，門窗都沒有關(guān)閉，這樣會(huì)使得明火處的濃度應(yīng)以室外側(cè)濃度為燃燒爆炸計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，因此明火源處的濃度會(huì)很快達(dá)到爆炸極限范圍，因此將導(dǎo)致整個(gè)泄漏擴(kuò)散過程會(huì)出現(xiàn)爆炸的危險(xiǎn)。      4、結(jié)論    泄漏擴(kuò)散問題是低溫儲(chǔ)罐安全性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。本文從泄漏擴(kuò)散機(jī)理以及影響因素出發(fā)，對低溫乙烯罐泄漏的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了模擬和分析；通過針對低溫乙烯罐和油罐工程實(shí)際項(xiàng)目的危險(xiǎn)性研究，發(fā)現(xiàn)在低溫乙烯罐發(fā)生泄漏擴(kuò)散的影響范圍以及濃度分布和泄漏擴(kuò)散參數(shù)和大氣環(huán)境等很多因素有關(guān)。從上面的事例分析可知當(dāng)乙烯的泄漏速度較小時(shí)(即泄漏孔徑較小)，在一定的風(fēng)速下，位于順風(fēng)