低温乙烯罐泄漏扩散危险性分析.docx

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低温乙烯罐泄漏扩散危险性分析

低温乙烯罐泄漏扩散危险性分析

摘要：

发生泄漏扩散是低温乙烯罐事故危害的重要原因之一，因此建立低温乙烯罐泄漏扩散的动态模型是正确评估低温乙烯区周围危险性的主要内容。

本文在分析Pasquill-Gifford模型和DEGADIS模型等各种气体泄漏扩散数学模型的基础上，结合低温乙烯泄漏扩散动态过程的特点，以及重力作用和水平风速对乙烯扩散的影响，采用包含几种扩散模型的ALOHA模拟软件，对天津某乙烯罐和油罐共建区由于乙烯扩散泄漏造成的危险性进行了模拟分析。

结果表明，对乙烯罐泄漏实施监测并与可能出现明火区域实现防火预警联动可有效地降低低温乙烯罐泄漏扩散所引起爆炸的危险性。

   1、前言

   众所周知，乙烯是一种重要的石油化工原料，乙烯相对分子质量是28.053在常压下为无色可燃性气体,具有烃类特有的臭味。

标准状况下气体的密度1.2604kg/m3,液体的比重:

0.5699（-103.9℃）熔点:

-169.4℃，沸点:

-103.9℃临界温度9.9℃,临界压力:

5.137Mpa,爆炸极限:

2.7％～36%（体积）。

根据乙烯的特性，其贮存除需要有良好的绝热保温性能以外，更需要考虑储存中的其它安全问题。

例如，在考虑低温乙烯储罐的建设规划时，就应充分考虑到贮存过程中如果发生意外情况，乙烯有可能发生泄漏扩散，这样会对附近人员设施和重要设备造成潜在的爆炸危险。

一旦出现乙烯的大量泄漏，泄漏的乙烯一般先被收集在防液堤或蓄液坑内，乙烯与防液堤或蓄液坑的表面直接接触，两者之间存在很大的温差，乙烯会产生强烈的汽化。

同时乙烯表面同时会与空气直接接触，也会产生大量的蒸气，这些蒸气与空气混合形成蒸气云团随风扩散。

当乙烯与空气混合的比值，这到爆炸极限值时，蒸气云团所覆盖的范围就有爆炸的危险，其引发的危害后果是非常严重的。

   因此，为了避免和减小低温乙烯罐由于泄漏扩散引发的燃烧爆炸危害，本文对低温乙烯罐的泄漏过程和扩散模型进行了研究，希望可以从理论上模拟泄漏事故发展的动态过程，预测过程中的浓度变化以及影响范围，这对于低温乙烯罐周围地区的安全设计与评价具有指导意义。

   2、低温乙烯罐泄漏扩散模型及其动态模拟

   乙烯罐泄漏有两种方式，即连续性泄漏和瞬时性泄漏，它们都是实际泄漏源的理想化。

所谓连续性泄漏是指泄漏源是连续源或泄放时间大于或等于扩散时间，而瞬时性泄漏是指泄放时间相对于扩散时间比较短的泄漏。

1987年，Britter和Mcquaid通过对实验数据的分析,提出了瞬时泄漏和连续泄漏的如下判断准则：

   如果VT0/x≥2.5泄漏为连续泄漏如果:

VT0/x≤O.6,泄漏为瞬时泄漏，式中V为环境风速（m／s）T0为泄漏持续时间（S），x为观察者离开泄漏源的距离（m）。

根据前面的准则，如果某一泄漏既不能视为瞬时泄漏，又不能视为连续泄漏，那么，为保险起见，应该同时进行瞬时泄漏扩散分析和连续泄漏扩散分析，并以危险性大的泄漏粪型为最终选择的泄漏类型。

泄漏公式一般可以采用以下三种：

   其中：

A为外泄裂口面积：

C0为泄漏系数：

Pg为储罐内表压，p为液体密度；hL为液面高；△Z为管线高差；f为摩擦系数；u为流速；Ws为流动功；M为气体的摩尔质量,Rg为理想气体常数T0为泄漏源温度,r为比热容。

   乙烯一旦发生泄漏,很容易在空气中形成蒸气云团并运移扩散，当其浓度处于爆炸极限范围内，且在引燃源的作用下就会引起严重的火灾爆炸事故。

火灾对人员的伤害主要来自燃烧爆炸的高温辐射和燃烧产物的烟气毒性；爆炸主要以冲击波的形式对人员，设备及环境造威伤害与破坏。

因此，要研究低温乙烯罐由于泄漏扩散引起的危险性，就应当以泄漏扩散产生的蒸气云团的浓度作为危险性指标，分析其蒸气云扩散的运动规律以及由于扩散运动所波及的范围。

   根据扩散云团物理性质的不同，蒸气云团一般可分为重气云团和非重气云团两种。

   然而，乙烯的密度是随温度的变化而变化的。

在泄漏之初，由于温度较低密度较周围空气大，所以其扩散行为属于重气云团扩散；但是，随着蒸汽从周围的空气和地面不断吸热，其密度会变得越来越与空气接近，其扩散行为会从重气云团扩散变为非重气云团扩散，而且由于泄漏和扩散速度的不同也可能导致云团扩散模拟的不同。

因此，严格地说，乙烯的泄漏扩散模拟是一个非常复杂随时间和空间变化的动态过程，目前还没有哪种模型能够很好的进行模拟预测。

   关于危险性物质泄漏扩散模型主要有高斯烟羽模型，DEGADIS模型高斯烟团模型、BM模型、Sutton模型及FEM3模型等。

BM模型是由一系列重气体连续泄放和瞬时泄放的实验数据绘制成的计算图表组成，属于经验模型，外延性较差：

Sutton模型是用湍流扩散统计理论来处理湍流扩散问题，但在模拟可燃气体泄放扩散时误差较大；FEM3模型适用于处理连续源泄放及有限时间的泄放，但其计算量很大，用计算机模拟较为困难，且只适用于重气体的扩散。

DEGADIS模式适用于重气云团，Pasquill-Gifford模型适用于非重气云团，两种模型同时可模拟连续性泄漏和瞬时泄漏两种泄漏方式，由于提出的时间比较早，实验数据多，因而较为成熟。

因为两种模型简单，易于理解，具有运算量小，计算结果与实验值能较好吻合等特点，使得该模型得到了广泛的应用。

因此，为了能够对乙烯泄漏扩散过程进行动态分析，本文把整个泄漏扩散过程进行简化，运用DEGADIS模型和Pasquill-Gifford模型这两种模拟对整个泄漏扩散动态过程进行模拟预测。

两种模型的数学模拟见下图。

（1）DEGADIS模型（DEnseGAsDISpersionmodel）

（2）Pasquill-Gifford模型（Gaussianmodel）

   3、实例模拟分析

   天津某一石化小区中原有一个1.2万立方米的低温乙烯储罐，在附近拟扩建了一个65万立方米的大型原油罐区，两罐区储罐之间最小相隔75米。

位于乙烯罐260m处设有原油罐区的油泵房，油泵房是距离乙烯罐最近的可能明火源。

因此，为了模拟分析由于乙烯罐泄漏扩散造成的对整个罐区危险性影响，本文采用美国环保署（USEPA）与海洋大气署（DOAA）所共同开发的软件：

ALOHA模拟软件（这种软件包含Pasquill-Gifford模型和DEGADIS模型）进行了危险性模拟计算。

考虑到当地的气象条件，本文针对不同气象条件（湿度50%、温度20℃℃、三级风速3.4m/s~5.4m/s），配合泄漏地点环境特性（开阔地区）及泄漏源特性与重气云团扩散模型，预估由于低温乙烯罐泄漏扩散后形成爆炸危险性物质云团可能影响的危险区域。

   A.模拟事件参数选定：

1.2万立方料的低温乙烯罐（充罐量83%）泄漏点位于地面高度1m处，考虑了2cm、5cm、10cm、20cm四种破孔尺寸的连续泄漏，和与连续泄漏有相同速率（127kg/min,793kg/min,3130kg/min,12200kg/min）的瞬时泄漏，考察危险性气体所能影响的范围，以及位于下风距离260m处的油泵房为可能明火源位置的危险性。

选定的连续泄漏持续时间为60分钟，瞬时泄漏持续时间为1分钟；浓度检测点高度距离地面为2m。

   B.气象条件：

以当地气象条件（3m/s、4m/s大气稳定度E、5m/s、6m/s大气稳定度D）及大气温度以平均温度20℃，相对湿度50%为模拟所需的气象资料。

   在乙烯扩散范围图中，横轴为顺风向距离，模拟图形外边轮廓是乙烯可以扩散最大面积，深色部分为浓度选到2.7％所覆盖的范围，泄漏源中间部分表示浓度可以达到10％；黑色原点是距离乙烯罐260米处的油泵房的位置。

在顺风向浓度分布图中，横轴为扩散持续时间，纵轴为浓度范围，实曲线为260米处油泵房室外浓度分布，虚线为门窗紧闭时油泵房室内浓度分布，水平线指浓度为2.7％的限定值。

当泄漏为瞬时泄漏时，乙烯扩散影响持续时间较短，导致室内浓度非常小，因此在图4的浓度分布图中虚线部分接近于零。

从图4可以看出，当风速为5m／s、泄漏速度为9000kg／min时,乙烯扩散速度很快,但是持续时间较短,浓度为2.7％所能达到的范围只有258m,尽管油罐区处于浓度为2.7％所影响的范围内,但油泵房所处的位置为爆炸极限范围以外的安全地带。

从图5可以看出当风速为5m/s、泄漏孔径为20cm时,乙烯扩散持续时间较长,浓度为2.7％所能达到的范围可以影响到420m；但是，尽管泄漏量不断在增加，危险气体扩散的影响范围也不会再随着泄漏量的增加而增大；而且，尽管油泵房室外浓度已经达到了爆炸极限，但如果油泵房是关好门窗的封闭状态，室内浓度也处于爆炸极限范围之外。

   采用以上的模拟分析方法，本文模拟计算了不同风速下、不同泄漏孔径或不同泄漏速度的危险气体影响范围及其可能出现明火的油泵房处的浓度分布；计算结果统计汇总结果见图6和图7。

   图6横轴为泄漏孔直径大小，左侧纵轴表示顺风向浓度能达到2.7％的最远危险距离,为实线的参考纵坐标，右侧纵轴表示位于顺风向260m处油泵房的浓度范围（注意浓度增加方向为从上到下），为虚线的参考纵坐标，从图中可以看出，泄漏扩散的危险影响范围是随着风速的增大而减小的，随泄漏孔径的减小而减小的，当风速为6m/s泄漏孔径小于19.2cm时，乙烯扩散的影响的范围不会达到顺风向260m处（以浓度2.7％为标准），同样的情况适用于风速为5m/s，泄漏孔径小于17cm，风速为4m/s，泄漏孔径小于15.2cm,以及风速为3m/s,泄漏孔径小于13cm.同时从图中还可以分析出，对于泄漏孔径不大干20cm（即泄漏速度不超过12200kg/min）、气象条件为三级风速的连续泄漏，如果260m处的明火区能在低温乙烯罐泄漏后及时给予相应的爆炸危险防范处理（例如关紧门窗等），即使出现了乙烯泄漏，260m处明火区也不会达到爆炸浓度范围以内，也就不会发生爆炸危险。

   图7横坐标为1分钟的泄漏量，纵坐标为扩散所能影响的最远距离。

对于瞬时泄漏，由于泄漏速度相对较快，泄漏量较小,所以室内外浓度持续时间较短，一般就几分钟。

对于瞬时泄漏同样存在这样一个规律，在定的风速下，小于一定的泄漏量时（如风速为6m/s，泄漏量小于9000kg/min）260m处油泵房的乙烯浓度在2.7％以下,不会出现爆炸的危险。

但是，一旦泄漏超过一定限定值，如果明火处在泄漏后没有及时做好预防措施，门窗都没有关闭，这样会使得明火处的浓度应以室外侧浓度为燃烧爆炸计算标准，因此明火源处的浓度会很快达到爆炸极限范围，因此将导致整个泄漏扩散过程会出现爆炸的危险。

   4、结论

   泄漏扩散问题是低温储罐安全性评价的重要内容。

本文从泄漏扩散机理以及影响因素出发，对低温乙烯罐泄漏的动态过程进行了模拟和分析；通过针对低温乙烯罐和油罐工程实际项目的危险性研究，发现在低温乙烯罐发生泄漏扩散的影响范围以及浓度分布和泄漏扩散参数和大气环境等很多因素有关。

从上面的事例分析可知当乙烯的泄漏速度较小时（即泄漏孔径较小），在一定的风速下，位于顺风向260m的可能明火点油泵房的乙烯浓度小于2.7％,

   即使泄漏量不断增加，该处的浓度也不再增加，因此是相对较安全的。

当泄漏速度较大时，由于扩散作用，影响的范围会有所增加，这时乙烯与其他周边的设施的防火间距已经失效，扩散泄漏周围的其他设施和附近人员都应该采取相应的措施进行防范,如：

关好门窗，不动用明火等。

由于乙烯的扩散速度较快，一般在2分钟，就能使260m处的可能明火点达到爆炸极限，如果不做好防范处理，就有可能导致爆炸的危险。

故而，两罐区实现报警联动及相应应急预案是至关重要的。