事故泄漏模型分析及其在环境风险评价中的应用

1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/T169－2004)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2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：102kkPP3当下式成立时，气体流动属于亚音速流动：102kkPP式中：P——容器内介质压力，Pa；P0——环境压力，Pa；κ——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：1112GdGRTMAPYCQ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/(mol·k)；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：211121101021121ppPPY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0.6～1.0之间。按泄漏孔的形状可分[6]:圆形孔，Ｃd=1.0;三角孔，Ｃd=0.95；长形孔，Ｃd=0.90。孔口为内层腐蚀形成的渐缩孔，0.9Ｃd1.0；孔口为外力机械损伤形成的渐扩孔，0.6Ｃd0.9。环境风险评价中常用到的是前三种情况。容器压力P的大小同样直接影响气体的泄漏速速。对于压力液化气储罐气相小孔泄漏而言，储罐的压力可采用该物质在该温度下的蒸气压作为储罐压力。由于蒸气压是温度的函数，只要知道储罐的温度就可通过查阅物性数据手册得到该物质蒸气压。目前，最常用的蒸气压计算公式是安托因公式。对于压缩气体储罐(未液化)则不能采用上述方法进行计算，必须以储罐内的实际压力作计算的依据。气体的绝热指数κ也是温度的函数，是定压热容Cp与定容热容CV之比。一般情况下，物性手册中不直接提供绝热指数与温度的关系，只提供Cp与温度的关系值。为了求得绝热指数κ还需进一步知道CV的值。对于理想气体而言，CP与CV之间有如下关系[7]：CP-CV=nR或CP，m-CV,m=RCP，m,CV,m分别表示1mol物质的等压热容和等容热容。对于实际气体，在缺少等容热容CV的实测资料时也可采用上式进行估算。当容器内物质随泄漏而减少或压力降低而影响泄漏速度时，泄漏速率的计算比较4复杂。如果，流速小或时间短，在后果计算中可采取最初排放速度，否则应计算其等效泄漏速度。气体泄漏速率的变化主要是由于压力降低而引起的，而压力的变化主要可分为以下两种情况：(1)压力液化气气相小孔泄漏：如前所述压力液化气储罐内的压力与储罐内物质蒸气压有关，当储罐内的气体泄漏后由于储罐压力降低，储罐内的物质会闪蒸以平衡这种压力变化，在物质闪蒸时会吸收热量。对于恒温储罐，由于储罐内的物质温度始终保持不变，因此，压力也不会发生变化。对于绝热储罐，由于储罐内的物质不与外界发生热交换，物质闪蒸时吸收的热量全部来源于储罐内的物质，因此，储罐的温度会随气体的泄漏而降低，储罐内的温度变化可由储存的物质的质量与物质的蒸发热、液体的热容等性质求出。一般情况下储罐的泄漏往往介于上述两种情况之间，较为复杂。(2)压缩气体储罐小孔泄漏：压缩气体储罐泄漏也分为等温临界流和绝热膨胀临界流两种情况，其罐内压力变化计算也较为复杂。对于环评而言，为简化计算过程，一般情况下可不考虑储罐压力的变化，以初始泄漏量作为计算的依据。3.2液体泄漏量自高压储罐高速泄出的危险介质，由于环境条件的瞬间突变，以液态射流的方式喷出。在初始动量驱动下，表现为具有清晰的喷射方向的云羽。而后经历一系列的扩散、漂浮变化过程。泄漏过程大致可分为闪蒸阶段、两相射流空气夹带阶段、气相动量射流阶段、重力沉降阶段、重力沉降的地表作用阶段、重气效应下的无源扩散阶段、无源漂浮阶段。［8］对于高压(低温)液化储罐，当裂口处位于液相空间时，尽管液体流出并可能发生闪蒸，但由于液体的流出阻力大，内压下降速度缓慢，储罐内过热液体不会发生蒸气爆炸。闪蒸所需能量来自于过热液体中所储存的能量，即Q=mCｐ(T0-Tｂ)，ｍ为过热液体的质量，Cp是液体的热容，T0是降压前液体的温度，Tb是降压后液体的沸点。当Q远远小于液体的蒸发热△Hv时可认为泄漏的液体不会发生闪蒸，此时的瞬时泄漏量可用流体力学的伯努利方程计算：ghPPACQdL2)(20式中：QL——液体泄漏速度，kg/s；Cd——液体泄漏系数，此值常用0.6-0.64，具体可按表1选取；A——裂口面积，m2；ρ——泄漏液体密度，kg/m3；P——容器内介质压力，Pa；P0——环境压力，Pa；g——重力加速度，9.8m/s2。h——裂口之上液5位高度，m。表1液体泄漏系数表雷诺数Re裂口形状圆形(多边形)三角形长方形100≤1000.650.500.600.450.550.40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=F·WT/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：HTTCFbLp式中：Cp——液体的定压比热，J/(kg·K)；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0～1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。6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F≤0.2时D=5×F×QL地面液池内液体量：Ds＝（1-5×F）×QLB、当F≥0.2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］：minminHmHVS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：tHTTSQb02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：)2/()4()2/()2(03/nnnnruTRMpaQ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