楊靜翎，凌敏

湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 湖南 長(zhǎng)沙 410004

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SLAB模型在某工廠液氨泄漏應(yīng)急響應(yīng)中的應(yīng)用

楊靜翎，凌敏

湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 湖南 長(zhǎng)沙 410004

以某工廠儲(chǔ)存的液氨泄漏事故為研究對(duì)象，將SLAB模型運(yùn)用到環(huán)境應(yīng)急救援體系中。采用SLAB模型模擬了在冬季、低風(fēng)速等較不利氣象條件下液氨泄漏的IDLH(立即威脅生命和健康)濃度、短時(shí)間(15 min)容許接觸濃度、居住區(qū)大氣中有害物質(zhì)的最高容許濃度的擴(kuò)散范圍。該模型的預(yù)測(cè)結(jié)果比較清晰地反映了環(huán)境事故發(fā)生后氨氣可能擴(kuò)散的危險(xiǎn)區(qū)域：在泄漏時(shí)間為10 min時(shí)，泄漏源下風(fēng)向0～435.8 m內(nèi)地面濃度超過(guò)IDLH濃度；下風(fēng)向435.8～797.1 m內(nèi)地面濃度超過(guò)工作場(chǎng)所的短時(shí)間最高容許接觸濃度；下風(fēng)向797.1～1 031.6 m內(nèi)地面濃度超過(guò)居住區(qū)大氣中有害物質(zhì)的最高容許濃度。根據(jù)以上預(yù)測(cè)結(jié)果，救援指揮者可以快速了解事故后果，及時(shí)做出正確的救援方案。

環(huán)境應(yīng)急；SLAB模型；預(yù)測(cè)；救援

隨著我國(guó)制冷業(yè)的快速發(fā)展以及液氨制冷劑的廣泛應(yīng)用，液氨泄漏事故不斷發(fā)生[1-2]。液氨泄漏后會(huì)迅速擴(kuò)散，形成大面積的危險(xiǎn)區(qū)域，不僅對(duì)周圍的環(huán)境和人員造成嚴(yán)重的危害，而且易引發(fā)火災(zāi)和爆炸等事故[3]。因此，科學(xué)、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)液氨泄漏事故的影響范圍和影響程度不僅有助于企業(yè)制定環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防范措施，而且對(duì)企業(yè)和政府相關(guān)部門(mén)制定相應(yīng)的事故應(yīng)急預(yù)案也具有一定的借鑒意義[4]。

目前，研究人員對(duì)于液氨泄漏后果的分析預(yù)測(cè)采用較多的是高斯擴(kuò)散模型，其較強(qiáng)的適用性及較好的操作性受到大多數(shù)評(píng)價(jià)人員的青睞，但高斯模型主要適用于較輕氣體的預(yù)測(cè)，對(duì)于液氨完全氣化后的擴(kuò)散模擬較為準(zhǔn)確[5-10]。而液氨一般低溫高壓儲(chǔ)存，剛泄漏時(shí)會(huì)因閃蒸夾帶液滴而形成比空氣重的氣體，因此，其泄漏的初始階段更適宜用重氣擴(kuò)散模型來(lái)模擬，如ALOHA、SLAB模型[11-14]。王偉等[15-18]已經(jīng)將SLAB模型成功地運(yùn)用到我國(guó)化工行業(yè)的H2S、甲烷等氣體泄漏事故的模擬預(yù)測(cè)中，但國(guó)內(nèi)對(duì)該模型預(yù)測(cè)液氨泄漏后果的研究較少。筆者采用SLAB模型來(lái)模擬液氨儲(chǔ)罐泄漏后氨氣的擴(kuò)散過(guò)程，旨在更準(zhǔn)確地估算出液氨泄漏事故發(fā)生后有毒氣體波及的范圍，并在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)確地界定事故現(xiàn)場(chǎng)分區(qū)、警戒線劃定位置等，從而提高事故處置效率。

1 事故源項(xiàng)分析及周圍環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體簡(jiǎn)介

長(zhǎng)沙市某企業(yè)熱處理分廠使用液氨對(duì)中間產(chǎn)品進(jìn)行滲氮處理，液氨儲(chǔ)存量為1.8 t罐，共2罐。液氨暫存處為敞篷式，防雨，地面防滲、防腐，設(shè)置了0.3 m高圍堰，圍堰內(nèi)容積為3.75 m3，并設(shè)有濃度監(jiān)測(cè)報(bào)警器、截留設(shè)施及水噴淋裝置。該企業(yè)位于長(zhǎng)沙市近郊，周邊有學(xué)校、居民區(qū)等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體，詳見(jiàn)表1。

表1 周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)受體Table 1 Surrounding environment risk receptors

2 泄漏情景假設(shè)

可能發(fā)生液氨泄漏的部位主要為儲(chǔ)罐破損、閥門(mén)連接處破損以及連接管道破損，其中以閥門(mén)連接處發(fā)生破損的概率最大。因此，本次泄漏源強(qiáng)僅考慮液氨儲(chǔ)罐閥門(mén)連接處發(fā)生破損造成的液氨泄漏，泄漏孔徑按10 mm計(jì)，泄漏時(shí)間以較慢反應(yīng)速度10 min計(jì)。

根據(jù)長(zhǎng)沙市氣象資料[19]，該市靜風(fēng)或風(fēng)速小于1.5 ms的頻率：春季為36.1%；夏季為11.9%；秋冬季為46.3%。根據(jù)最不利情景，本研究考慮靜風(fēng)風(fēng)頻最大的冬季，并取冬季平均風(fēng)速1.68 ms，風(fēng)向NNW，氣溫4 ℃，作為泄漏時(shí)的氣象條件，長(zhǎng)沙市冬季風(fēng)玫瑰圖見(jiàn)圖1。

圖1 長(zhǎng)沙市冬季風(fēng)玫瑰圖Fig.1 The winter wind rose of Changsha

3 計(jì)算模型選擇

3.1 氣體擴(kuò)散模型選擇

SLAB模型是由美國(guó)能源部的勞倫斯利弗莫爾(Lawrence Livermore)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的，由典型的淺層模型演變而來(lái)，是適用于緊急事故狀態(tài)下高密度釋放源的大氣擴(kuò)散模型。該模型能夠處理4種不同的釋放源，包括地面液池蒸發(fā)(evaporating pool)、水平射流(horizontal jet)、垂直射流(vertical jet)以及瞬時(shí)體積源(instantaneous or short duration evaporating pool)。SLAB模型通過(guò)云層分布的空間平均濃度和某些假定分布函數(shù)來(lái)計(jì)算時(shí)間平均擴(kuò)散氣體濃度。模型以空氣卷吸作用為假設(shè)前提，計(jì)算大氣湍流云層混合和源于地面摩擦影響的垂直風(fēng)速變化。其計(jì)算過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 SLAB模型的計(jì)算過(guò)程Fig.2 The calculation flow diagram of SLAB model

SLAB瞬時(shí)煙團(tuán)模型建立在質(zhì)量、動(dòng)量、能量和元素等守恒方程基礎(chǔ)上，用空氣攜帶概念來(lái)理解周圍大氣中渦流擴(kuò)散云團(tuán)。在守恒方程中，云團(tuán)被當(dāng)作煙團(tuán)，在下風(fēng)向傳播時(shí)間內(nèi)具有獨(dú)立的參變數(shù)。煙團(tuán)模型方程為：

C(x,y,z,t)=4·Bx·By·h·C(t)·C1(x-Xc·

bx·βx)·C1(y，by，βy)·C2(z，Zc，σ)

式中：C(t)為出口處平均體積濃度；C1(y，by，βy)為側(cè)風(fēng)向濃度；C2(z，Zc，σ)為垂直風(fēng)向濃度；by、βy、Zc、σ為時(shí)刻t的函數(shù)；Xc為煙團(tuán)質(zhì)量中心；Bx和bx為煙團(tuán)長(zhǎng)度；By和by為煙團(tuán)寬度。

3.2 氣體擴(kuò)散參數(shù)的選擇

根據(jù)事故特征，對(duì)運(yùn)行SLAB模型所需要的參數(shù)進(jìn)行匯總，詳見(jiàn)表2，計(jì)算所需的氣象參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 液氨泄漏參數(shù)Table 2 Parameters of liquid ammonia leakage

表3 氣象參數(shù)Table 3 Meteorological parameter

4 泄漏事故后果分析

4.1 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本研究既考慮事故發(fā)生后泄漏的有毒物質(zhì)對(duì)臨近區(qū)域內(nèi)環(huán)境和人員的急性影響，也考慮事故應(yīng)急處理結(jié)束后，氣體擴(kuò)散至對(duì)環(huán)境和人員基本無(wú)影響的范圍。因此，選取TJ 36—79、GBZ 2—2007和GBT 18664—2002 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)作為研究的基準(zhǔn)值(表4)。

表4 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 The environmental risk assessment standards

4.2 風(fēng)險(xiǎn)事故影響預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)確定的源強(qiáng)和參數(shù)，采用SLAB模型在平均風(fēng)速為1.68 ms，D穩(wěn)定度條件下預(yù)測(cè)液氨儲(chǔ)罐泄漏下風(fēng)向落地濃度，結(jié)果見(jiàn)表5及圖3。

表5 泄漏源下風(fēng)向臨界點(diǎn)距離Table 5 The critical point distant of the leakage source downwind

圖3 下風(fēng)向不同距離下的氨氣預(yù)測(cè)濃度Fig.3 Variation of ammonia concentration with downwind distance

4.3 事故后果分析

該企業(yè)在發(fā)生液氨泄漏風(fēng)險(xiǎn)事故時(shí)，液氨迅速汽化并蒸發(fā)擴(kuò)散，其下風(fēng)向的影響范圍預(yù)測(cè)結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，在泄漏時(shí)間為10 min時(shí)，泄漏源下風(fēng)向0～435.8 m內(nèi)地面濃度超過(guò)立即威脅生命及健康(IDLH)濃度，區(qū)域內(nèi)人員可能出現(xiàn)急性中毒癥狀，區(qū)域內(nèi)建筑、植被均會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的腐蝕作用；風(fēng)險(xiǎn)源下風(fēng)向435.8～797.1 m內(nèi)地面濃度超過(guò)工作場(chǎng)所的短時(shí)間容許接觸濃度，區(qū)域內(nèi)居民會(huì)有黏膜刺激的感受，若接觸時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)流淚、咽痛、聲音嘶啞、咳嗽、咯痰等；泄漏源下風(fēng)向797.1～ 1 031.6 m內(nèi)地面濃度超過(guò)居住區(qū)大氣中有害物質(zhì)的最高容許濃度，在泄漏時(shí)間為10 min的情況下，該區(qū)域內(nèi)環(huán)境和人員受到的影響較小。

圖4 下風(fēng)向影響范圍Fig.4 Scope of liquid ammonia storage tank under the wind influence

5 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急措施

從最不利的角度考慮，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急選取435.8 m(IDLH濃度范圍)作為環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)后果分析評(píng)價(jià)的依據(jù)。根據(jù)廠址周邊環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查，下風(fēng)向435.8 m范圍內(nèi)有在廠區(qū)生活的職工、居民社區(qū)以及商住混雜區(qū)的居民，一旦發(fā)生液氨泄漏事故，對(duì)其影響較大。因此，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，處在泄漏源435.8 m內(nèi)的人員應(yīng)立即向上風(fēng)向或者東、西方向撤離；大于435.8 m范圍的人員應(yīng)盡量遠(yuǎn)離泄漏源；處于泄漏源上風(fēng)向的A醫(yī)院、B實(shí)驗(yàn)小學(xué)、C職業(yè)中專則可以不用撤離。具體的疏散撤離路線見(jiàn)圖5。

圖5 疏散撤離路線Fig.5 The evacuation map

根據(jù)對(duì)企業(yè)現(xiàn)有儲(chǔ)存設(shè)施的檢查發(fā)現(xiàn)，該企業(yè)液氨的儲(chǔ)存滿足SH 3063—1999《石油化工企業(yè)可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，設(shè)置有防火堤、氣體報(bào)警裝置、截流設(shè)施等必備應(yīng)急措施。企業(yè)應(yīng)根據(jù)預(yù)測(cè)的事故后果，組織相關(guān)人員進(jìn)行應(yīng)急演練，保證當(dāng)環(huán)境污染事故發(fā)生時(shí)，能立即利用身邊的通訊工具最快、最有效地向有關(guān)部門(mén)報(bào)警，以盡早爭(zhēng)取時(shí)間，迅速做出響應(yīng)，以便盡快控制事故的發(fā)展，動(dòng)員、引導(dǎo)事故范圍內(nèi)的群眾迅速向安全地帶轉(zhuǎn)移。

6 結(jié)論

(1)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果比較清晰地反映了環(huán)境事故發(fā)生后毒氣可能擴(kuò)散的危險(xiǎn)區(qū)域，在事故發(fā)生后，相關(guān)應(yīng)急人員可以根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果有目的、高效率地組織搶險(xiǎn)救援，從而減少因?qū)κ鹿拾l(fā)生后事態(tài)嚴(yán)重性估計(jì)不足或是轉(zhuǎn)移目的地不正確而導(dǎo)致的人員傷亡和對(duì)周圍設(shè)備、設(shè)施的危害。

(2)模式計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，且可視化程度較高，便于理解操作，事故指揮者可以根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果快速了解事故后果，做出正確的救援方案。

(3)根據(jù)本研究所采用的模型來(lái)模擬事故后果并據(jù)此進(jìn)行演練，可以提高事故時(shí)的應(yīng)急反應(yīng)能力和救援工作水平，做到有效預(yù)防、控制和消除污染事故的危害，最大限度地減少事故帶來(lái)的環(huán)境危害和損失，保障環(huán)境安全。

(4)由于篇幅限制，本文預(yù)測(cè)參數(shù)設(shè)置比較單一，模擬評(píng)價(jià)的是單一氣象條件影響下污染物的擴(kuò)散，實(shí)際運(yùn)用中須根據(jù)實(shí)際的風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行調(diào)整。

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Application of SLAB model in liquid ammonia leakage emergency response

YANG Jingling, LING Min

Hunan Research Academy of Environmental Sciences, Changsha 410004, China

Taking the leakage of stored liquid ammonia in a factory as the research object, the SLAB model was applied to simulate the environmental emergency rescue system for the leakage accident. The consequences in adverse environment conditions (such as low wind speed in the winter) following the accident of liquid ammonia leakage were predicated by use of the SLAB model, including the concentration of immediate threat to life and health (IDLH), the permissible exposure concentration in 15 minutes, the diffusion range of the harmful substances′ maximum permissible concentration in the residential atmosphere. The predicted results of the model clearly reflected the dangerous areas into which ammonia could possibly diffuse after the leakage accident. Specifically, within the areas of 0- 435.8, 435.8-797.1 and 797.1-1 031.6 meters downwind from the leakage source, the ammonia ground concentrations respectively exceed IDLH, the maximum permissible concentration of ammonia in the workplace and the maximum permissible concentration of the harmful substances in the residential atmosphere, when the leakage time reaches 10 minutes. The rescue commanders can quickly comprehend the accident consequences according to the prediction, and make correct rescue programme in time.

environmental emergency; SLAB model; forecast; rescue

2016-08-01

楊靜翎(1980—)，女，工程師，主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)，joy_youngjl@163.com

X507

1674-991X(2017)01-0102-05

10.3969j.issn.1674-991X.2017.01.015

楊靜翎，凌敏.SLAB模型在某工廠液氨泄漏應(yīng)急響應(yīng)中的應(yīng)用[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(1):102-106.

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