【正文】 擴(kuò)散過程易受風(fēng)速、風(fēng)向以及地形的影響：從泄漏形式、形成氣云到大氣擴(kuò)散，整個(gè)過程十分復(fù)雜且仍有許多有待研究的問題：此外，由于自身密度的緣故，泄漏的重氣向地面下沉并沿地面水平擴(kuò)展，從而形成低而平的氣云沿著地表拓展范圍，附近人員及建筑物都受到它直接的影響 [6]。例如， 1984年印度博帕爾市郊的聯(lián)合碳化物公司農(nóng)藥廠 45噸劇毒液體 —— 異氰酸甲酯儲罐事故性泄漏，致使 3150人死亡， 5萬人失明，20多萬人受到嚴(yán)重毒害， 15萬人接受治療，引起世界各國的震驚 [2]。 44 本章小結(jié) 43 應(yīng)急監(jiān)測組織 保證 43 應(yīng)急監(jiān)測管理 43 危 化 品 泄 漏 擴(kuò) 散 事 故 應(yīng) 急 監(jiān) 測 系統(tǒng) 43 應(yīng)急狀態(tài)終止 21 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建 17 基 于 人 的 因 素 進(jìn) 行 分析 16 泄漏原因分析 7 Leakage model； Leakage diffusion mode； Trace method； heavy gas； Emergency rescue III 摘要 雖然人們對重氣泄漏擴(kuò)散所造成的危害十分重視，但由于缺乏足夠有效的數(shù)據(jù) 來 提供人們作風(fēng)險(xiǎn)評估及預(yù)防改善措施，因此采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬是必要的。泄漏的氣體在下風(fēng)向擴(kuò)散的最快，在現(xiàn)場一旦發(fā)生天燃?xì)庑孤?，?yīng)綜合考慮泄漏源的方向和該點(diǎn)當(dāng)時(shí)的風(fēng)向，風(fēng)速等因素，及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測泄 漏氣體可能擴(kuò)散到危險(xiǎn)區(qū)域，做好應(yīng)對措施。 Ⅰ 目次 1 研究背景 4 研究方法 7 重氣云的形成 17 重氣擴(kuò)散的基本模式及影響因素 20 模 型 設(shè) 計(jì) 和 構(gòu) 建 的 基 本 內(nèi)容 25 試驗(yàn)材料及儀器 26 試驗(yàn)的檢驗(yàn) 27 定性試驗(yàn) 44 6 結(jié)論與展望 47 致 謝 倘若泄漏量大，并未能及時(shí)控制住，泄漏氣體必將污染空氣、水、土壤或食物，經(jīng)呼吸道、消化道或皮膚進(jìn)入人體，引起群體中毒甚至死亡。其所帶來的嚴(yán)重后果和環(huán)境與社會(huì)問題遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了事故本身，嚴(yán)重地影響 了當(dāng)代過程工業(yè)及相關(guān)行業(yè)的健康順利發(fā)展。 圖 重（特）大典型泄漏事故發(fā)生頻率 圖 重（特）大典型泄漏事故傷亡人數(shù) 圖 。美國、加拿大、歐共體等許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家先后投入了大量的人力、物力和財(cái)力開展重氣泄漏事故的基礎(chǔ)理論和相關(guān)控制技術(shù)的研究工作，取得了較高水平的研究成果。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前研究氣體擴(kuò)散問題的理論基礎(chǔ)是比較流行的三種理論是梯度輸送理論、湍流統(tǒng)計(jì)理論和相似理論 [1012]。它是目前應(yīng)用較廣的模式。 China Lake and Frenchman flat 試驗(yàn)是美國 Lawrence Livemore實(shí)驗(yàn)室自 1980年開始的歷經(jīng) 6年多時(shí)間進(jìn)行的一系列有關(guān)重氣擴(kuò)散以及相關(guān)的試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為美國的加利福尼亞州的 China Lake 以及內(nèi)華達(dá)試驗(yàn)基地的 Frenchman Flat，采用的試驗(yàn)介質(zhì)為液化天然氣。胡世明等 [20]通過現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。由于事故案例的發(fā)生條件、事故過程都是根據(jù)事故結(jié)果倒推的，不能反映事故發(fā)生現(xiàn)場的實(shí)際情況，因此帶有很大的主觀性和片面性。同時(shí)，該研究也是建立和完善社會(huì)防災(zāi)體系及做好城市減災(zāi)工作的重要內(nèi)容之一，將為應(yīng)急決策提供依據(jù)，從而有效地組織搶險(xiǎn)救援活動(dòng)，減少事故損失。大量的易揮發(fā)、易燃性重氣物質(zhì)迅速釋放到大氣中，會(huì)形成重氣云并逐漸擴(kuò)散。 下圖表示了三種不同泄漏形式 下重氣云的形成過程： ，迅速與空氣混合形成氣云； ，那么所泄漏的液體會(huì)在地面形成液池，再由空氣及地面等的傳熱作用蒸發(fā)而產(chǎn)生蒸氣，再與空氣混合形成氣云； ，由小洞或減壓系統(tǒng)形成高速兩相噴流，再與空氣混合形成氣云。另外，氣云受外界平均風(fēng)速的帶動(dòng)而加速且會(huì)變形。同時(shí)重氣云的形成，也將擾亂大氣流場，此交互影響作用十分復(fù)雜且重要。 高斯模型 Gaussian模型只適用于中性氣體，模擬精度較差，但它可模擬連續(xù)泄漏和瞬時(shí)泄漏兩種泄漏方式，且由于提出方式較早，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多，因此較為成熟，模擬簡單，易于理解，運(yùn)算量小，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值較為吻合等特點(diǎn)，致使該模型得到了廣泛的應(yīng)用。對于可燃性氣體的模擬該模型會(huì)產(chǎn)生較大誤差，可能會(huì)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)值產(chǎn)生一杯以上的誤差。計(jì)算某些特定區(qū)域內(nèi)流入流出氣箱的空氣混合物的質(zhì)量來 計(jì)算濃度值。強(qiáng)揮發(fā)性氣體泄漏擴(kuò)散后的煙團(tuán)半徑 R和體積 V要按公式 (23) (24)計(jì)算 [28]。 為了使得分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，尋求其他的濃度值求解方法。箱模型假定了存在從均勻的箱內(nèi)濃度分布向高斯分布的濃度轉(zhuǎn)變點(diǎn)。 表 各模型特性比較表 項(xiàng)目名稱 適用對象 適用范圍 難易程度 計(jì)算量 精度 高斯煙羽模型 中性氣體 大規(guī)模長時(shí)間 較易 小 一般 高斯煙團(tuán)模型 中性氣體 大規(guī)模瞬時(shí) 較易 小 一般 BM模型 中性或重氣體 大規(guī)模長時(shí)間 較易 小 一般 Sutton模型 中性氣體 大規(guī)模長時(shí)間 較易 小 一般 FEM3模型 重氣體 不受限制 較難 大 較好 板塊模型 中性或重氣體 長時(shí)間定常 較易 大 較好 盒子模型 重氣體 大規(guī)模瞬時(shí) 一般 一般 較好 本章分析了重氣泄漏擴(kuò)散現(xiàn)象包 括重氣泄漏源的泄漏、重氣云的形成以及重氣云的擴(kuò)散等在內(nèi)的特點(diǎn)以及各種數(shù)學(xué)模型的簡介。針對因果性，只要竭盡全力把這些原因事 先都識別出來 (包括直接和間接原因 )，并加以控制和消除，就可以預(yù)防事故發(fā)生。因事故引起的環(huán)境污染、停工停產(chǎn)所造成的損失，以及現(xiàn)場補(bǔ)救、善后處理費(fèi)用 (包括清理事故現(xiàn)場，人身傷亡之后所付的醫(yī)療、喪葬、撫恤、補(bǔ)助救濟(jì)、歇工工資等費(fèi)用 )，其損失難以估計(jì)。如果泄漏的物質(zhì)有毒性，將造成所擴(kuò)散范圍內(nèi)的人員中毒；如果有燃燒爆炸性，將可能形成火球、池火災(zāi)、蒸氣云爆炸、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸等嚴(yán)重的火災(zāi)爆炸事故。因此，由于操作人員工作責(zé)任心不強(qiáng)、工作態(tài)度欠端正、精神狀態(tài)不佳、誤操作等人為原因造成有毒有害在生產(chǎn)、存儲、 運(yùn)輸和使用等環(huán)節(jié)發(fā)生泄漏。 。統(tǒng)計(jì)資料顯示，由于違反操作規(guī)程導(dǎo) 致的泄漏事故所占比例較大。典型泄漏情況見表 ，可供確定泄漏孔時(shí)參考 。確定重大事故，尤其是泄漏時(shí)的危險(xiǎn)區(qū)域是在確定有毒物質(zhì)泄漏后的擴(kuò)散范圍的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 重氣泄漏的特點(diǎn) 我 現(xiàn)代石油化工行業(yè)中，有毒危險(xiǎn)物質(zhì)泄漏事故己成為當(dāng)今世界普遍關(guān)注的環(huán)境與安全問題。因此重氣的擴(kuò)散規(guī)律問題成為一項(xiàng)特殊的研究主題。此后，箱模型轉(zhuǎn)為高斯煙流或煙團(tuán)模式即可。這樣的采用點(diǎn)源擴(kuò)散公式可以將單獨(dú)的微小體積源單位對整體的濃度變化值的貢獻(xiàn)求解。 空間煙團(tuán)的位移速度： 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁 共 57 頁 ?????? ????????????????? 000 10lnln zzHuu t (25) 式中： H—— 為煙團(tuán)中心空間高度； Z0—— 為粗糙度。在這個(gè)擴(kuò)散沉降的過程中煙團(tuán)的半徑會(huì)在幾十到幾百 秒內(nèi)迅速擴(kuò)大，如果有風(fēng)的影響還會(huì)發(fā)生位移作用，位移公式 。 FEM3模型 FEM3 模型是三維的有限元計(jì)算模型。Gaussian模型包括 Gaussian 煙羽模型和 Gaussian 煙團(tuán)模型，其中煙羽模型適用于連續(xù)點(diǎn)源的泄漏擴(kuò)散，而煙團(tuán)模型適用于短時(shí)間點(diǎn)源的泄漏擴(kuò)散（突發(fā)性瞬間泄漏或泄漏時(shí)間小于擴(kuò)散時(shí)間的泄漏）。在此階段由于空氣的大量進(jìn)入，將重氣云團(tuán)稀釋沖淡，使得重力效應(yīng) 減弱，逐步讓位于大氣湍流作用，浮力驅(qū)動(dòng)流的動(dòng)能逐漸耗散，重氣云的擴(kuò)散過程由重力擴(kuò)展階段轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏确謱与A段，其密度分層效應(yīng)要比大氣流動(dòng)中自然發(fā)生的分層強(qiáng)得多，分層的直接表現(xiàn)是抑制湍流作用和減小空氣卷吸稀釋作用。二是周圍風(fēng)場的動(dòng)量作用于煙團(tuán)加速及熱能傳遞。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 共 57 頁 圖 重質(zhì)氣云的形成過程 [26] 重氣云的擴(kuò)散過程 重氣云的擴(kuò)散因其泄漏的高度不同有所差異，如果是由煙囪直接排放，則氣云很快因重力作用而下沉至地面再沿著地表擴(kuò)散。對于有毒物質(zhì)釋放，在蒸氣云團(tuán)的濃度稀釋至安全濃度前的擴(kuò)散范圍內(nèi)能引起中毒。 目前， 氣體 泄漏擴(kuò)散過程的研究可以是理論分析或數(shù)值模擬，也可以開展現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)或模擬實(shí)驗(yàn)研究。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 共 57 頁 研究內(nèi)容 建立泄漏模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在?shí)驗(yàn)室建立一個(gè)發(fā)煙裝置模擬氣體擴(kuò)散，對拍的煙霧照片進(jìn)行研究；在獲取有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基 礎(chǔ)上，用相關(guān)理論為指導(dǎo)，通過數(shù)據(jù)處理、分析和綜合，得出有害氣體的泄漏擴(kuò)散規(guī)律。黃琴等 [22]采用計(jì)算流體力學(xué) (CFD)模型模擬了重氣泄漏中氣體濃度的變化。試驗(yàn)地點(diǎn)為 Thames海灣北海岸的 Maplin沙漠地區(qū)，采用的試驗(yàn)物料為冷凍液化丙烷和液化天然氣。其基本觀點(diǎn)是湍流是由許多個(gè)大小不同的湍渦所構(gòu)成，大湍渦失去常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 共 57 頁 穩(wěn)定分裂成小湍渦，同時(shí)發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移，這一過程一直進(jìn)行到最小的湍渦轉(zhuǎn)化為熱能為止。它是菲克用理論類比建立起來的理論。 雖然人們對重氣意外泄漏造成的危害十分重視，但目前還是缺乏足夠且有效的數(shù)據(jù)為人們風(fēng)險(xiǎn)評估和制定預(yù)防措施提供依據(jù)?？梢?，重氣泄漏事故的發(fā)生頻率是非常高的，并且造成的人員傷亡是非常巨大的。 大多數(shù)危險(xiǎn)物質(zhì)的意外泄漏，將在地面附近形成低動(dòng)量連續(xù)泄漏源或擬瞬時(shí)泄漏源，由于泄漏物質(zhì)的分子量比空氣的大、貯存溫度比環(huán)境低、發(fā)生化學(xué)變化或氣云中夾帶液滴，經(jīng)常形成比空氣重的氣云，簡稱重氣 (heavy gas or dense gas) [5]。在過去的歲月中，我國和世界其它國家發(fā)生了許多嚴(yán)重的泄漏事故，從而引起中毒、火災(zāi)和爆炸。 40 通過立法確定應(yīng)急計(jì)劃的法律地位，建立市級應(yīng)急體系 26 試驗(yàn)過程 26 試驗(yàn)的技術(shù)路線 25 試驗(yàn)的指導(dǎo)思想 9 LAB模型 8 危險(xiǎn)氣體泄漏擴(kuò)散模型 7 重氣的擴(kuò)散過程 5 論文的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn) s chemical system is the main reason of the accident. In the process of production, should be strengthen management, strengthen the education of production safety producer. Analysis of the seven factors affecting diffusion of leakage accident, to extract and established the patterns of the leakage accident, and various and leakage accident modes mechanism and the conditions were studied and analyzed. Through the experimental study on practical en