楊靜翎，凌敏

湖南省環(huán)境保護科學研究院, 湖南 長沙 410004

?

SLAB模型在某工廠液氨泄漏應急響應中的應用

楊靜翎，凌敏

湖南省環(huán)境保護科學研究院, 湖南 長沙 410004

以某工廠儲存的液氨泄漏事故為研究對象，將SLAB模型運用到環(huán)境應急救援體系中。采用SLAB模型模擬了在冬季、低風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散范圍。該模型的預測結果比較清晰地反映了環(huán)境事故發(fā)生后氨氣可能擴散的危險區(qū)域：在泄漏時間為10 min時，泄漏源下風向0～435.8 m內(nèi)地面濃度超過IDLH濃度；下風向435.8～797.1 m內(nèi)地面濃度超過工作場所的短時間最高容許接觸濃度；下風向797.1～1 031.6 m內(nèi)地面濃度超過居住區(qū)大氣中有害物質(zhì)的最高容許濃度。根據(jù)以上預測結果，救援指揮者可以快速了解事故后果，及時做出正確的救援方案。

環(huán)境應急；SLAB模型；預測；救援

隨著我國制冷業(yè)的快速發(fā)展以及液氨制冷劑的廣泛應用，液氨泄漏事故不斷發(fā)生[1-2]。液氨泄漏后會迅速擴散，形成大面積的危險區(qū)域，不僅對周圍的環(huán)境和人員造成嚴重的危害，而且易引發(fā)火災和爆炸等事故[3]。因此，科學、準確地預測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)境風險防范措施，而且對企業(yè)和政府相關部門制定相應的事故應急預案也具有一定的借鑒意義[4]。

目前，研究人員對于液氨泄漏后果的分析預測采用較多的是高斯擴散模型，其較強的適用性及較好的操作性受到大多數(shù)評價人員的青睞，但高斯模型主要適用于較輕氣體的預測，對于液氨完全氣化后的擴散模擬較為準確[5-10]。而液氨一般低溫高壓儲存，剛泄漏時會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散模型來模擬，如ALOHA、SLAB模型[11-14]。王偉等[15-18]已經(jīng)將SLAB模型成功地運用到我國化工行業(yè)的H2S、甲烷等氣體泄漏事故的模擬預測中，但國內(nèi)對該模型預測液氨泄漏后果的研究較少。筆者采用SLAB模型來模擬液氨儲罐泄漏后氨氣的擴散過程，旨在更準確地估算出液氨泄漏事故發(fā)生后有毒氣體波及的范圍，并在此基礎上準確地界定事故現(xiàn)場分區(qū)、警戒線劃定位置等，從而提高事故處置效率。

1 事故源項分析及周圍環(huán)境風險受體簡介

長沙市某企業(yè)熱處理分廠使用液氨對中間產(chǎn)品進行滲氮處理，液氨儲存量為1.8 t罐，共2罐。液氨暫存處為敞篷式，防雨，地面防滲、防腐，設置了0.3 m高圍堰，圍堰內(nèi)容積為3.75 m3，并設有濃度監(jiān)測報警器、截留設施及水噴淋裝置。該企業(yè)位于長沙市近郊，周邊有學校、居民區(qū)等環(huán)境風險受體，詳見表1。

表1 周邊環(huán)境風險受體Table 1 Surrounding environment risk receptors

2 泄漏情景假設

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

根據(jù)長沙市氣象資料[19]，該市靜風或風速小于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，本研究考慮靜風風頻最大的冬季，并取冬季平均風速1.68 ms，風向NNW，氣溫4 ℃，作為泄漏時的氣象條件，長沙市冬季風玫瑰圖見圖1。

圖1 長沙市冬季風玫瑰圖Fig.1 The winter wind rose of Changsha

3 計算模型選擇

3.1 氣體擴散模型選擇

SLAB模型是由美國能源部的勞倫斯利弗莫爾(Lawrence Livermore)國家實驗室開發(fā)的，由典型的淺層模型演變而來，是適用于緊急事故狀態(tài)下高密度釋放源的大氣擴散模型。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)以及瞬時體積源(instantaneous or short duration evaporating pool)。SLAB模型通過云層分布的空間平均濃度和某些假定分布函數(shù)來計算時間平均擴散氣體濃度。模型以空氣卷吸作用為假設前提，計算大氣湍流云層混合和源于地面摩擦影響的垂直風速變化。其計算過程見圖2。

圖2 SLAB模型的計算過程Fig.2 The calculation flow diagram of SLAB model

SLAB瞬時煙團模型建立在質(zhì)量、動量、能量和元素等守恒方程基礎上，用空氣攜帶概念來理解周圍大氣中渦流擴散云團。在守恒方程中，云團被當作煙團，在下風向傳播時間內(nèi)具有獨立的參變數(shù)。煙團模型方程為：

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)為側風向濃度；C2(z，Zc，σ)為垂直風向濃度；by、βy、Zc、σ為時刻t的函數(shù)；Xc為煙團質(zhì)量中心；Bx和bx為煙團長度；By和by為煙團寬度。

3.2 氣體擴散參數(shù)的選擇

根據(jù)事故特征，對運行SLAB模型所需要的參數(shù)進行匯總，詳見表2，計算所需的氣象參數(shù)見表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)境風險評價標準

本研究既考慮事故發(fā)生后泄漏的有毒物質(zhì)對臨近區(qū)域內(nèi)環(huán)境和人員的急性影響，也考慮事故應急處理結束后，氣體擴散至對環(huán)境和人員基本無影響的范圍。因此，選取TJ 36—79、GBZ 2—2007和GBT 18664—2002 3個標準作為研究的基準值(表4)。

表4 環(huán)境風險評價標準Table 4 The environmental risk assessment standards

4.2 風險事故影響預測結果

根據(jù)確定的源強和參數(shù)，采用SLAB模型在平均風速為1.68 ms，D穩(wěn)定度條件下預測液氨儲罐泄漏下風向落地濃度，結果見表5及圖3。

表5 泄漏源下風向臨界點距離Table 5 The critical point distant of the leakage source downwind

圖3 下風向不同距離下的氨氣預測濃度Fig.3 Variation of ammonia concentration with downwind distance

4.3 事故后果分析

該企業(yè)在發(fā)生液氨泄漏風險事故時，液氨迅速汽化并蒸發(fā)擴散，其下風向的影響范圍預測結果如圖4所示。由圖4可見，在泄漏時間為10 min時，泄漏源下風向0～435.8 m內(nèi)地面濃度超過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、植被均會產(chǎn)生較嚴重的腐蝕作用；風險源下風向435.8～797.1 m內(nèi)地面濃度超過工作場所的短時間容許接觸濃度，區(qū)域內(nèi)居民會有黏膜刺激的感受，若接觸時間較長會出現(xiàn)流淚、咽痛、聲音嘶啞、咳嗽、咯痰等；泄漏源下風向797.1～ 1 031.6 m內(nèi)地面濃度超過居住區(qū)大氣中有害物質(zhì)的最高容許濃度，在泄漏時間為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 下風向影響范圍Fig.4 Scope of liquid ammonia storage tank under the wind influence

5 環(huán)境風險應急措施

從最不利的角度考慮，環(huán)境風險應急選取435.8 m(IDLH濃度范圍)作為環(huán)境風險后果分析評價的依據(jù)。根據(jù)廠址周邊環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查，下風向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，對其影響較大。因此，當事故發(fā)生時，處在泄漏源435.8 m內(nèi)的人員應立即向上風向或者東、西方向撤離；大于435.8 m范圍的人員應盡量遠離泄漏源；處于泄漏源上風向的A醫(yī)院、B實驗小學、C職業(yè)中專則可以不用撤離。具體的疏散撤離路線見圖5。

圖5 疏散撤離路線Fig.5 The evacuation map

根據(jù)對企業(yè)現(xiàn)有儲存設施的檢查發(fā)現(xiàn)，該企業(yè)液氨的儲存滿足SH 3063—1999《石油化工企業(yè)可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范》的要求，設置有防火堤、氣體報警裝置、截流設施等必備應急措施。企業(yè)應根據(jù)預測的事故后果，組織相關人員進行應急演練，保證當環(huán)境污染事故發(fā)生時，能立即利用身邊的通訊工具最快、最有效地向有關部門報警，以盡早爭取時間，迅速做出響應，以便盡快控制事故的發(fā)展，動員、引導事故范圍內(nèi)的群眾迅速向安全地帶轉(zhuǎn)移。

6 結論

(1)預測數(shù)據(jù)和結果比較清晰地反映了環(huán)境事故發(fā)生后毒氣可能擴散的危險區(qū)域，在事故發(fā)生后，相關應急人員可以根據(jù)預測的結果有目的、高效率地組織搶險救援，從而減少因?qū)κ鹿拾l(fā)生后事態(tài)嚴重性估計不足或是轉(zhuǎn)移目的地不正確而導致的人員傷亡和對周圍設備、設施的危害。

(2)模式計算結果較為準確，且可視化程度較高，便于理解操作，事故指揮者可以根據(jù)預測結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模擬事故后果并據(jù)此進行演練，可以提高事故時的應急反應能力和救援工作水平，做到有效預防、控制和消除污染事故的危害，最大限度地減少事故帶來的環(huán)境危害和損失，保障環(huán)境安全。

(4)由于篇幅限制，本文預測參數(shù)設置比較單一，模擬評價的是單一氣象條件影響下污染物的擴散，實際運用中須根據(jù)實際的風速、風向進行調(diào)整。

[1] 夏登友,錢新明,黃金印,等.液氨泄漏擴散模擬及危害評估[J].中國安全科學學報,2014,24(3):22-27. XIA D Y,QIAN X M,HUANG J Y,et al.Diffusion simulation and hazard evaluation for liquid ammonia leakage[J].China Safety Science Journal,2014,24(3):22-27.

[2] 楊濤,王旭炎,李艷輝,等.氨氣泄漏事故的統(tǒng)計及后果分析[J].計算機與應用化學,2011,28(10):1286-1288. YANG T,WANG X Y,LI Y H,et al.Acccident statistics and consequence analysis of ammonia leakage[J].Computers and Applied Chemistry,2011,28(10):1286-1288.

[3] 于加收.開放空間液氨泄露擴散規(guī)律及人員疏散的研究[D].北京:中國地質(zhì)大學(北京),2014.

[4] 李慧,趙艷博,林逢春.企業(yè)突發(fā)環(huán)境污染事故應急預案評估研究[J].環(huán)境科學與技術,2011,34(3):175-179. LI H,ZHAO Y B,LIN F C.Evaluation on emergency preparedness plans for pollution incidents in enterprises[J].Environmental Science & Technology,2011,34(3):175-179.

[5] 羅艾民,師立晨,多英全,等.液氨泄漏事故模式比較研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術,2007,3(3):21-24.

[6] 莫秀忠,吳欣甜,謝飛,等.基于MATLAB的液氨瞬時泄漏模擬及應急措施研究[J].南開大學學報(自然科學版),2014,47(4):1-5. MO X Z,WU X T,XIE F,et al.Research on instantaneous leakage of liquid ammonia based on MATLAB and emergency measures[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Nankaiensis,2014,47(4):1-5.

[7] GU J W,ZHANG X P, WANG Y.Environmental hazards analysis and discussion on ammonia tank leakage in power plant denitrification projects[J].Journal of Safety & Environment,2012,12(6):108-112.

[8] QU F, HAO K,NIU H C.Application of phast in the quantitative evaluation for the liquefied ammonia leakage accidents[J].Advanced Materials Research,2013,706707708:579-582.

[9] MAZZOLDI A,HILL T,COLLS J J.CFD and Gaussian atmospheric dispersion models:a comparison for leak from carbon dioxide transportation and storage facilities[J].Atmospheric Environment,2008,42(34):8046-8054.

[10] GASPARINI A,SAINZ-GARCIA A,GRANDIA F,et al.Atmospheric dispersion modelling of a natural CO2degassing pool from Campo de Calatrava (northeast Spain) natural analogue:implications for carbon storage risk assessment[J].International Journal of Greenhouse Gas Control,2016,47(1):147-148.

[11] 焦姣,張靜,姬亞芹,等.ALOHA在突發(fā)性大氣污染事故中的應用[J].安全與環(huán)境學報,2015,15(3):151-155. JIAO J,ZHANG J,JI Y Q,et al.Application of ALOHA in sudden air pollution accidents[J].Journal of Safety and Environment,2015,15(3):151-155.

[12] DONALD L E.User’s manual for SLAB:an atmospheric dispersion model for denser-than-air releases[M].California:University of Califomia.Lawrence Livermore National Laboratory,1990:3-5.

[13] BHOSALE V A,PATIL K I,DEHANKA P B.Study of accidental releases heavy gas dispersion comparing slab models and screen-3 mode[J].International Journal of Engineering Sciences & Research Technology,2015,4(1):765-769.

[14] FAN Y,SONG G,LI J,et al.Diffusion leakage model study on chemical materials taking liquid ammonia as an example[C]International Conference on Mechanic Automation & Control Engineering.Hohott:Inner Mongolia University of Technology,2011:3052-3055.

[15] 王偉.SLAB模型在突發(fā)性大氣風險事故中的應用[C]2014年中國環(huán)境影響評價研討會大會報告集,北京:環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心,2014-06-25.

[16] 瞿子晶,鐘圣俊.WebGIS和SLAB模型的突發(fā)性大氣污染事故模擬和應用[J].環(huán)境科學與技術,2014,37(5):107-111. QU Z J,ZHONG S J.Simulation of sudden air pollution accident based on WebGIS and SLAB model[J].Environmental Science & Technology,2014,37(5):107-111.

[17] 張俊明,袁鵬,郭繼香,等.基于MATLAB模擬的石化企業(yè)蒸餾裝置泄漏擴散環(huán)境風險分析[J].環(huán)境工程技術學報,2013,3(3):259-265. ZHANG J M,YUAN P,GUO J X,et al.Analysis of environmental risk of leakage and diffusion of distillation column in petrochemical enterprises based on MATLAB[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2013,3(3):259-265.

[18] 劉昕,李晉生,劉靜,等.水泥廠風險評價及SLAB模型的應用[J].環(huán)境工程,2014(9):139-141. LIU X,LI J S,LIU J,et al.Risk assessment of cement plant and application of the model SLAB[J].Environmental Engineering,2014(9):139-141.

[19] 傅鵬,許雄飛,朱奕,等.長沙市灰霾天氣與氣象因子相關性研究[J].四川環(huán)境,2014,33(6):66-71. FU P,XU X F,ZHU Y,et al.The research of correlation between dust-haze and meteorological factors in Changsha[J].Sichuan Environment,2014,33(6):66-71. ?

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)境影響評價，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急響應中的應用[J].環(huán)境工程技術學報,2017,7(1):102-106.

YANG J L,LING M.Application of SLAB model in liquid ammonia leakage emergency response[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(1):102-106.