SLAB模型在某工厂液氨泄漏应急响应中的应用

杨静翎，凌敏

湖南省环境保护科学研究院, 湖南 长沙 410004



SLAB模型在某工厂液氨泄漏应急响应中的应用

杨静翎，凌敏

湖南省环境保护科学研究院, 湖南 长沙 410004

以某工厂储存的液氨泄漏事故为研究对象，将SLAB模型运用到环境应急救援体系中。采用SLAB模型模拟了在冬季、低风速等较不利气象条件下液氨泄漏的IDLH(立即威胁生命和健康)浓度、短时间(15 min)容许接触浓度、居住区大气中有害物质的最高容许浓度的扩散范围。该模型的预测结果比较清晰地反映了环境事故发生后氨气可能扩散的危险区域：在泄漏时间为10 min时，泄漏源下风向0～435.8 m内地面浓度超过IDLH浓度；下风向435.8～797.1 m内地面浓度超过工作场所的短时间最高容许接触浓度；下风向797.1～1 031.6 m内地面浓度超过居住区大气中有害物质的最高容许浓度。根据以上预测结果，救援指挥者可以快速了解事故后果，及时做出正确的救援方案。

环境应急；SLAB模型；预测；救援

随着我国制冷业的快速发展以及液氨制冷剂的广泛应用，液氨泄漏事故不断发生[1-2]。液氨泄漏后会迅速扩散，形成大面积的危险区域，不仅对周围的环境和人员造成严重的危害，而且易引发火灾和爆炸等事故[3]。因此，科学、准确地预测液氨泄漏事故的影响范围和影响程度不仅有助于企业制定环境风险防范措施，而且对企业和政府相关部门制定相应的事故应急预案也具有一定的借鉴意义[4]。

目前，研究人员对于液氨泄漏后果的分析预测采用较多的是高斯扩散模型，其较强的适用性及较好的操作性受到大多数评价人员的青睐，但高斯模型主要适用于较轻气体的预测，对于液氨完全气化后的扩散模拟较为准确[5-10]。而液氨一般低温高压储存，刚泄漏时会因闪蒸夹带液滴而形成比空气重的气体，因此，其泄漏的初始阶段更适宜用重气扩散模型来模拟，如ALOHA、SLAB模型[11-14]。王伟等[15-18]已经将SLAB模型成功地运用到我国化工行业的H2S、甲烷等气体泄漏事故的模拟预测中，但国内对该模型预测液氨泄漏后果的研究较少。笔者采用SLAB模型来模拟液氨储罐泄漏后氨气的扩散过程，旨在更准确地估算出液氨泄漏事故发生后有毒气体波及的范围，并在此基础上准确地界定事故现场分区、警戒线划定位置等，从而提高事故处置效率。

1 事故源项分析及周围环境风险受体简介

长沙市某企业热处理分厂使用液氨对中间产品进行渗氮处理，液氨储存量为1.8 t罐，共2罐。液氨暂存处为敞篷式，防雨，地面防渗、防腐，设置了0.3 m高围堰，围堰内容积为3.75 m3，并设有浓度监测报警器、截留设施及水喷淋装置。该企业位于长沙市近郊，周边有学校、居民区等环境风险受体，详见表1。

表1 周边环境风险受体Table 1 Surrounding environment risk receptors

2 泄漏情景假设

可能发生液氨泄漏的部位主要为储罐破损、阀门连接处破损以及连接管道破损，其中以阀门连接处发生破损的概率最大。因此，本次泄漏源强仅考虑液氨储罐阀门连接处发生破损造成的液氨泄漏，泄漏孔径按10 mm计，泄漏时间以较慢反应速度10 min计。

根据长沙市气象资料[19]，该市静风或风速小于1.5 ms的频率：春季为36.1%；夏季为11.9%；秋冬季为46.3%。根据最不利情景，本研究考虑静风风频最大的冬季，并取冬季平均风速1.68 ms，风向NNW，气温4 ℃，作为泄漏时的气象条件，长沙市冬季风玫瑰图见图1。

图1 长沙市冬季风玫瑰图Fig.1 The winter wind rose of Changsha

3 计算模型选择

3.1 气体扩散模型选择

SLAB模型是由美国能源部的劳伦斯利弗莫尔(Lawrence Livermore)国家实验室开发的，由典型的浅层模型演变而来，是适用于紧急事故状态下高密度释放源的大气扩散模型。该模型能够处理4种不同的释放源，包括地面液池蒸发(evaporating pool)、水平射流(horizontal jet)、垂直射流(vertical jet)以及瞬时体积源(instantaneous or short duration evaporating pool)。SLAB模型通过云层分布的空间平均浓度和某些假定分布函数来计算时间平均扩散气体浓度。模型以空气卷吸作用为假设前提，计算大气湍流云层混合和源于地面摩擦影响的垂直风速变化。其计算过程见图2。

图2 SLAB模型的计算过程Fig.2 The calculation flow diagram of SLAB model

SLAB瞬时烟团模型建立在质量、动量、能量和元素等守恒方程基础上，用空气携带概念来理解周围大气中涡流扩散云团。在守恒方程中，云团被当作烟团，在下风向传播时间内具有独立的参变数。烟团模型方程为：

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)为出口处平均体积浓度；C1(y，by，βy)为侧风向浓度；C2(z，Zc，σ)为垂直风向浓度；by、βy、Zc、σ为时刻t的函数；Xc为烟团质量中心；Bx和bx为烟团长度；By和by为烟团宽度。

3.2 气体扩散参数的选择

根据事故特征，对运行SLAB模型所需要的参数进行汇总，详见表2，计算所需的气象参数见表3。

表2 液氨泄漏参数Table 2 Parameters of liquid ammonia leakage

表3 气象参数Table 3 Meteorological parameter

4 泄漏事故后果分析

4.1 环境风险评价标准

本研究既考虑事故发生后泄漏的有毒物质对临近区域内环境和人员的急性影响，也考虑事故应急处理结束后，气体扩散至对环境和人员基本无影响的范围。因此，选取TJ 36—79、GBZ 2—2007和GBT 18664—2002 3个标准作为研究的基准值(表4)。

表4 环境风险评价标准Table 4 The environmental risk assessment standards

4.2 风险事故影响预测结果

根据确定的源强和参数，采用SLAB模型在平均风速为1.68 ms，D稳定度条件下预测液氨储罐泄漏下风向落地浓度，结果见表5及图3。

表5 泄漏源下风向临界点距离Table 5 The critical point distant of the leakage source downwind

图3 下风向不同距离下的氨气预测浓度Fig.3 Variation of ammonia concentration with downwind distance

4.3 事故后果分析

该企业在发生液氨泄漏风险事故时，液氨迅速汽化并蒸发扩散，其下风向的影响范围预测结果如图4所示。由图4可见，在泄漏时间为10 min时，泄漏源下风向0～435.8 m内地面浓度超过立即威胁生命及健康(IDLH)浓度，区域内人员可能出现急性中毒症状，区域内建筑、植被均会产生较严重的腐蚀作用；风险源下风向435.8～797.1 m内地面浓度超过工作场所的短时间容许接触浓度，区域内居民会有黏膜刺激的感受，若接触时间较长会出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、咯痰等；泄漏源下风向797.1～ 1 031.6 m内地面浓度超过居住区大气中有害物质的最高容许浓度，在泄漏时间为10 min的情况下，该区域内环境和人员受到的影响较小。

图4 下风向影响范围Fig.4 Scope of liquid ammonia storage tank under the wind influence

5 环境风险应急措施

从最不利的角度考虑，环境风险应急选取435.8 m(IDLH浓度范围)作为环境风险后果分析评价的依据。根据厂址周边环境现状调查，下风向435.8 m范围内有在厂区生活的职工、居民社区以及商住混杂区的居民，一旦发生液氨泄漏事故，对其影响较大。因此，当事故发生时，处在泄漏源435.8 m内的人员应立即向上风向或者东、西方向撤离；大于435.8 m范围的人员应尽量远离泄漏源；处于泄漏源上风向的A医院、B实验小学、C职业中专则可以不用撤离。具体的疏散撤离路线见图5。

图5 疏散撤离路线Fig.5 The evacuation map

根据对企业现有储存设施的检查发现，该企业液氨的储存满足SH 3063—1999《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》的要求，设置有防火堤、气体报警装置、截流设施等必备应急措施。企业应根据预测的事故后果，组织相关人员进行应急演练，保证当环境污染事故发生时，能立即利用身边的通讯工具最快、最有效地向有关部门报警，以尽早争取时间，迅速做出响应，以便尽快控制事故的发展，动员、引导事故范围内的群众迅速向安全地带转移。

6 结论

(1)预测数据和结果比较清晰地反映了环境事故发生后毒气可能扩散的危险区域，在事故发生后，相关应急人员可以根据预测的结果有目的、高效率地组织抢险救援，从而减少因对事故发生后事态严重性估计不足或是转移目的地不正确而导致的人员伤亡和对周围设备、设施的危害。

(2)模式计算结果较为准确，且可视化程度较高，便于理解操作，事故指挥者可以根据预测结果快速了解事故后果，做出正确的救援方案。

(3)根据本研究所采用的模型来模拟事故后果并据此进行演练，可以提高事故时的应急反应能力和救援工作水平，做到有效预防、控制和消除污染事故的危害，最大限度地减少事故带来的环境危害和损失，保障环境安全。

(4)由于篇幅限制，本文预测参数设置比较单一，模拟评价的是单一气象条件影响下污染物的扩散，实际运用中须根据实际的风速、风向进行调整。

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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

杨静翎(1980—)，女，工程师，主要从事环境影响评价，joy_youngjl@163.com

X507

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

10.3969j.issn.1674-991X.2017.01.015

杨静翎，凌敏.SLAB模型在某工厂液氨泄漏应急响应中的应用[J].环境工程技术学报,2017,7(1):102-106.

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