液氨泄漏事故扩散模拟

【摘要】Wu Weinan1 Yang Ping2 （1.Solid waste Management Center in Liaoning Provine， Shenyang Liaoning， 110161， China； 2.Panjin Liaoning Fried Dough Sticks as for as sludge...

摘 要：系统对比了高斯多烟团模式与SLAB模型模拟液氨储罐泄漏后的氨气扩散特征。结果表明，两种模型的模拟结果存在较为明显差异。在模拟设定条件下，事故发生点下风向60～2000 m范围内，SLAB模型得到的最高浓度高于多烟团模式，前者是后者的1.01～35.2倍，且差别随距离增大而增大。事故发生点下风向600 m以内，SLAB模型模拟得到的横向影响距离大于多烟团模式；而在下风向600 m以外，多烟团模式模拟得到的横向距离大于SLAB模型，差距随下风向距离增加而增大。下风向同一地点，SLAB模型得到的氨气最高浓度出现时间较多烟团模式较早，SLAB模型计算得到的氨气烟团出现到消散时间也较多烟团模式更短。上述结果可为化学品泄漏导致突发环境事件的预防和应急中模型选择提供参考。

关键词：液氨 泄漏 扩散模拟 多烟团模型 SLAB模型

中图分类号：X937 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（b）-0024-05

Diffusion Simulation of Liquid Ammonia Leakage

Comparison of the Multi-puff Model and SLAB Model

Wu Weinan1 Yang Ping2

（1.Solid waste Management Center in Liaoning Provine， Shenyang Liaoning， 110161， China； 2.Panjin Liaoning Fried Dough Sticks as for as sludge Treatment and Utillzation co.， LTD，Panjing Liaoing，124218，China）

Abstract：Simulation results of diffusion after liquid ammonia leakage calculated by the Gaussian multi-puff model and SLAB model were systematically compared. Results showed that there were obvious differences between the two models. Under the setting conditions， the round maximum ammonia concentrations simulated by the SLAB model were higher than those by the multi-puff model within 60 to 2000 m downstream the resource. And the former was 1.01 to 35.2 times that of the latter， and the difference increased with increasing distance. Higher cross-affected distances were found by SLAB model within 600 m downstream the resource， while cross-affected distances simulated by the multi-puff model were higher outside 600 m downstream， and the differences between the two models increases with the distances. In the same location downwind， the highest concentration of ammonia came earlier in SLAB model， while the time period from appearance and dissipation was shorter in multi-puff model. These results may provide a reference on diffusion model selection for prevention and response of environmental emergencies caused by chemical releases.

Key Words：Liquid ammonia；Leakage；Diffusion simulation；Multi-plume model；SLAB model

近年来，突发性环境事件频发。以液氨等有毒气体泄漏为代表的突发性环境事件往往导致严重后果，易形成大面积的危险区域，对周围的环境和人员造成严重的危害。液氨是一种易燃易爆、有毒有害的化工原料，有腐蚀性并极易挥发。低浓度氨对粘膜有刺激作用，高浓度可造成组织溶解坏死[1]。氨气泄漏和爆炸事故往往会导致众多人员中毒或死亡，给公众的生命健康和环境安全造成非常严重的影响。2013年6月3日，吉林省德惠市宝源丰禽业有限公司因氨气泄漏爆炸，导致121人死亡，76人受伤，直接经济损失1.82亿元；2013年8月31日，上海市宝山区上海翁牌冷藏实业有限公司发生液氨泄漏，造成15人死亡，25人不同程度受伤[2]。因此，对有毒气体发生泄漏后的扩散范围、泄漏物质空气中含量的时空分布、对人体造成危害的区域进行模拟预测和环境风险分析，对于突发环境事故预防和应急均具有重要意义。

目前，广泛应用的气体扩散模型包括高斯模型[3]、SLAB模型[4]、SUTTON模型[5]、ALOHA模型[6]等。国内外学者针对上述模型开展了应用性研究。莫秀忠等[7]基于MATLAB算平台高斯烟团模型建立了液氨泄漏后的浓度分布模型。邹旭东等利用SLAB模型模拟了氯气泄漏后氯气扩散的时间、范围和对周围环境的危害[8]。王爽和王志荣以某化工厂的氯化氢泄漏事故为背景，利用ALOHA重气扩散模型对该事故进行模拟，分析了敏感点浓度和人体接触剂量随时间的变化[6]。

已有研究主要集中于不同模型的应用、浓度模拟、影响条件分析、风险区域划分等方面，缺少不同模型的结果的横向对比。该研究以液氨泄漏事故为例，对比分析高斯多烟团模式和SLAB模型模拟结果的差异，以期为环境应急管理过程中扩散模型选择提供参考。

1 模型及模拟条件

1.1 多烟团模式

多烟团模式基于高斯模型，是我国《环境风险评价技术导则》（HJ/T-2004）的推荐模型[3]，适用于瞬时泄漏扩散。该模式把风险源烟团输送时间分割为若干时段，假定每个时段发射一个烟团，计算每个烟团在各时刻对关心点的贡献[9]。

第i个烟团在时刻、在点（x，y，0）产生的浓度为：

（1）

式中，为烟团排放量，mg，；为释放率，mg/s；为时段长度，s；，，为烟团在w时段沿x、y、z方向的等效扩散参数，m，可按照式（2）、（3）估算；、分别为第w时段结束时第i烟团质心的x、y坐标，按照式（4）、（5）计算。

（j = x， y， z） （2）

（3）

（4）

（5）

各烟团对某关心点t时刻的贡献浓度，按照式（6）计算。

（6）

式中，n为需要跟踪的烟团数，由式（7）确定。

（7）

式中，f为小于1的系数，根据计算要求确定。

1.2 SLAB模型

SLAB模型由美国能源部的Lawrence Livermore国家实验室开发，用于比空气稠密气体泄放的大气扩散模拟[4]，是美国EPA推荐危险化学品意外泄放事故模拟的应急模型。SLAB模型的模拟源可以是持续的，有限持续时间的，或者瞬间泄放。持续和有限持续时间泄放应用于蒸发池、水平射流和垂直射流泄放源。瞬间泄放则假设为瞬间体源进行模拟。模型可以处理的泄放类型包括：地平面蒸发池、有高度的水平射流或垂直射流、瞬间泄放以及液体溢漏。SLAB模型可用于稠密气体释放或者液体溢漏而蒸发出的稠密气体扩散。尽管氨气密度低于空气，但由于氨气经常以液氨形式储存，液氨泄漏后因气化时大量吸热而具有重气体的特点，属于SLAB适用类型的后者。

SLAB模型假设事件发生在没有障碍物的平坦区域，模型没有考虑有坡度的地形条件。泄放物质的大气扩散由守恒方程来计算，包括质量、动量、能量和组分守恒。持续泄放作为稳态烟羽处理。有限持续时间泄放的起始烟云扩散用稳态烟羽模式来解释，一直持续到泄放源停止泄放。当泄放源被切断时，烟云作为烟团处理，其随后的扩散使用瞬变烟团模式进行计算。在预测浓度随时间变化方面，SLAB模型在稳定、中度稳定及不稳定的大气环境下均能得到较好的预测结果[8， 10]。

1.3 模拟条件

研究模拟一存有6 000 kg液氨储罐泄漏事故后的液氨扩散情景。储罐内压力为250 kPa，裂口面积为0.0004 m2，裂口之上液位高度为2 m，持续时间为10 min，环境温度为25℃。经计算得到泄漏持续时间内，泄漏量为4.43 kg/s。假设事故发生时大气稳定度为D，风速为2.0 m/s。对于多烟团模式，假定10 s一个烟团；对于SLAB模型，选用水平射流模式。模拟时间为20 min，模拟范围为事故源下风向纵向2 000 m，横向1000 m。

2 结果与讨论

设定条件下，多烟团模式和SLAB模型得到的模拟结果分别如图1、图2所示。2中模型都能得到氨气地面浓度随时间、位置的变化。可以看出，多烟团模式模拟烟团移动较SLAB模型更快。本设定液氨的泄漏时间为10 min，多烟团模式认为泄漏停止后，氨气烟团将立即离开事故发生点，向下风向迁移；而SLAB模型假设液氨泄漏至地面，形成液池，尽管在液氨储罐停止泄漏后，液池中的液氨将继续挥发并持续一段时间。因此，SLAB模型模拟事故发生13 min后，仍有氨气从事故发生点挥发。这种假设上的差异也导致了SLAB模型模拟的烟团跨度较多烟团模式更大。

2种模型得到的氨气轴线（沿x轴方向）地面最大浓度与不同下风向距离关系如图3所示。SLAB模型结果表明距储罐1～2 m范围内的最高氨气体积百分比达到100%，而多烟团模式结果表明距储罐13～14 m最高氨气体积百分比均到100%。60～2 000 m范围，SLAB模型得到的最高浓度是多烟团模式得到的最高浓度的1.01～35.2倍；且随着下风向距离增加，SLAB与多烟团模式最高浓度差距加大。若以最高氨气浓度达到1 390 mg/m3（半致死浓度）的地点为疏散区域，多烟团模式模拟得到的疏散半径约为360 m，而SLAB模型模拟得到的疏散半径约为550 m。

在与下风向垂直的横向（y轴方向）方面，分析下风向纵向2 000 m、横向1 000 m范围内（即x=0～2 000 m，y=-1 000～1 000 m），0～20 min时刻内，氨气在各点的最高浓度，下风向各点横向位置浓度与轴线浓度之比超过10%的范围定义为横向影响距离。横向影响距离与下风向距离关系如图4所示。在设定的模拟条件下，下风向600 m以内，SLAB模型模拟得到的横向影响距离大于多烟团模式；而在下风向600 m以外，多烟团模式模拟得到的横向距离大于SLAB模型，并随下风向距离增加，差距增大。从前述分析可知，2种模型得到的疏散半径均在600 m以内，因而考虑到横向的影响范围，SLAB模型模拟得到的疏散面积也大于多烟团模式，分别约为6.63万m2和1.72万m2。

分析下风向某处在事故发生后氨气浓度随时间变化，多烟团模式和SLAB模型模拟结果如图5所示。可以看出，越靠近事故源的地点2种模型得到的模拟结果相似度越高。下L向100 m以后，2种模型结果差异逐渐明显。第一，如前所述，SLAB模型给出的最高浓度高于多烟团模式；第二，SLAB模型给出的氨气最高浓度出现时间较高斯模式较早，且差异随下风向距离增加而增大；第三，同一地点SLAB模型计算得到的氨气烟团出现到消散时间也较多烟团模式更短。

孙召宾[11]使用Burro现场实验数据，对国内多烟团模式、SLAB模型和ALOHA模型计算的液化气泄漏模拟结果可靠性进行了验证，结果表明，高斯模型较不适用于稠重气云扩散的数值模拟，SLAB模型、ALOHA模型和高斯模型模拟结果的可靠性排序为SLAB模型>ALOHA模型>高斯模型。高凌[12]将SLAB模型与液氯模拟泄漏试验结果进行了对比，发现事故下风向300～1 000 m范围内，SLAB模型模拟结果是实测结果的约4～6倍。国内尚缺少针对液氨泄漏的模型模拟与实测结果的对比研究，因而无法判断“导则”推荐的多烟团模式和SLAB模型更为准确。该研究结果表明液氨泄漏后，SLAB模型模拟的地面氨气浓度高于多烟团模式，得到的致死区域也高于多烟团模式。

3 结语

该研究系统对比了多烟团模式与SLAB模型模拟液氨储罐泄漏后的氨气扩散。结果表明，两种模型均能模拟液氨泄漏后地面氨气浓度的时空分布，但两种模型的模拟结果存在明显差异。在模拟设定条件下，事故发生点下风向60～2 000 m范围内，SLAB模型得到的最高浓度是多烟团模式得到的最高浓度的1.01～35.2倍。事故发生点下风向600 m以内，SLAB模型模拟得到的横向影响距离大于多烟团模式；而在下风向600 m以外，多烟团模式模拟得到的横向距离大于SLAB模型，并随下风向距离增加，差距增大。以最高氨气浓度达到半致死浓度为疏散区域，SLAB模型模拟得到的疏散半径和疏散范围分别是多烟团模式的1.5和3.9倍。下风向同一地点，SLAB模型得到的氨气最高浓度出现时间较多烟团模式较早，SLAB模型计算得到的氨气烟团出现到消散时间也较多烟团模式更短。

化学品泄漏等环境突发事件的风险防控越来越受到关注，我国多地构建了基于扩散模型的环境风险应急支持系统。该研究结果表明，不同模型得到的模拟结果存在显著差异，可为液氨泄漏突发环境事件预防和应急中模型选择提供参考。模型给出的浓度过高，将增大救援、疏散的范围，可能会影响到安全区域内人们的正常生产生活，造成一些不必要的浪费；而模型给出的浓度过低，则将使受影响人群不能及时疏散，造成人员伤亡。因此，在未来，针对环境突发事件发生频率较高的化学品的扩散开展试验研究，对模型进行筛选和优化，才能更有效地指导环境风险防控和应急响应工作。

参考文献

[1] 张杰，赵明.液氨泄漏事故的定量风险评价研究[J].安全与环境工程，2012，19（1）：69-72.

[2] 夏登友，钱新明，黄金印，等.液氨泄漏扩散模拟及危害评估[J].中国安全科学学报，2014，24（3）：22-27.

[3] HJ/T 169-2004，建O项目环境风险评价技术导则[S].

[4] Donald L. Ermak. User's Manual For SLAB：An Atmospheric Dispersion Model For Denser-Than-Air Releases[R].Lawrence Livermore National Laboratory，1990.

[5] 孙莉， 赵颖，曹飞，等.危险化学品泄漏扩散模型的研究现状分析与比较[J].中国安全科学学报，2011，21（1）：37-42.

[6] 王爽，王志荣.利用ALOHA软件对一起氯化氢泄漏事故的模拟分析[J].灭火指挥与救援，2010，29（8）：698-700.

[7] 莫秀忠，吴欣甜，谢飞，等.基于MATLAB的液氨瞬时泄漏模拟及应急措施研究[J].南开大学学报：自然科学版，2014，47（4）：1-5.

[8] 邹旭东，杨洪斌，汪宏，等.SLAB在突发大气污染事件应急模拟中的应用[J].环境科学与技术，2010，33（12F）： 588-590.

[9] 胡二邦.环境风险评价实用技术、方法和案例[M].北京：中国环境科学出版社，2009.

[10] 瞿子晶，钟圣俊.WebGIS和SLAB模型的突发性大气污染事故模拟和应用[J].环境科学与技术，2014，37（5）： 107-111.

[11] 孙召宾.危险化学品泄放事故后果计算模型的研究及应用[D].大连：大连理工大学，2012.

[12] 高凌.SLAB View在化学泄漏事故应急救援中的应用[J].消防科学与技术，2011，30（9）：833-836.