【正文】 的誤差。其濃度計算公式為 [25]： ? ? ? ? ? ?? ?nyzym xcycucQzyxC ??? 222 2e x p, ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ?? ?nznz xchzxchz ?? ?????? 222222 e x pe x p （ 21） 式中 ： C—— 泄漏物質(zhì)的蒸氣濃度， mg/m3； Qm—— 源的泄放速率 ， m/s； u—— 平均風(fēng)速， m/s； h—— 氣體泄漏高度 ， m； n、 cy、 cz—— 與氣象條件有關(guān)的擴散參數(shù)（ n無量綱， cy、 cz的單位為 ， m） ； x—— 下風(fēng)向距離， m； y—— 橫風(fēng)向距離， m； Z—— 距地面高度， m。 FEM3模型 FEM3 模型是三維的有限元計算模型。該模型的原型是 1979 年提出的，最初是為了模擬 LNG的突發(fā)性泄漏事故，用該模型對 LNG的泄漏進行模擬，獲得了較好的效果。近幾 年來，隨著該模型的不斷完善，已可處理毒氣及可燃性氣體等許多重氣的擴散。 FEM3模型的主要計算公式如下 [26]： () ( ) ( )m hU U U K U gt? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ( ) 0U??? 1 ( ) ( )TTP A P NppPCCT U T C R T K T Tt C C?? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? 1 ()UKt ?? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ()NAPM PRTRT hMM? ??? ? 式中： U— 氣體速度， m/s R— 通用氣體常數(shù)， Kg/(kmol/K) P— 擴散壓力， 2NmN/m2 M— 混合分子量， Kg/mol T— 混合氣體溫度， K RT， Km， Kω — 溫度、速度、濃度的擴散系數(shù)， m/s ω — 擴散濃度（以百分比表示的體積分數(shù)） p— 氣云密度， Kg/m3 MN, MA— 擴散氣體、空氣的分子質(zhì)量， Kg/mol g — 重力加速度， m2/s Cp, CPN, CPA— 混合氣體、純擴散氣體、空氣的比熱， J/ Ph— 靜止空 氣密度， Kg/m3 t— 時間， s 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 12 頁 共 57 頁 箱式重氣模型 箱模型主要應(yīng)用于城市等大區(qū)域的大氣擴散，將空間的某些區(qū)域當成是固定的箱體，也稱之為氣箱。通過氣箱研究內(nèi)部泄漏物的平均濃度及其變化值。該模型的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒，分析氣象內(nèi)部的物質(zhì)質(zhì)量守恒，假定泄漏物質(zhì)進入氣箱后與空氣均勻混合，且氣箱內(nèi)部的濃度處處相等。計算某些特定區(qū)域內(nèi)流入流出氣箱的空氣混合物的質(zhì)量來 計算濃度值。要考慮到氣液夾帶因為重質(zhì)氣體的擴散有明顯的重力效應(yīng)階段，煙云的擴散以沉降為主。在這個擴散沉降的過程中煙團的半徑會在幾十到幾百 秒內(nèi)迅速擴大，如果有風(fēng)的影響還會發(fā)生位移作用，位移公式 。 同時受到大氣湍流的影響會對煙團頂端和側(cè)面產(chǎn)生濃度衰竭現(xiàn)象，這也是因為重氣的重力效應(yīng)的影響。重質(zhì)氣體煙團的這種濃度分布使得箱模型應(yīng)用比較方便，將重質(zhì)氣體煙團的中心作為原點，將其看成是一個體積為 V0，起始高度為 H0，其實半徑為 R0的圓柱形箱體來處理。 重質(zhì)氣體擴散后的濃度值模型可通過下式表示 [27]： ? ?0,, tutVRmzyxfC ? （ 22） 式中： C —— 時、空函變質(zhì)量濃度分布值， g/m3； x、 y、 z—— 某點的空間坐標， m； m—— 液態(tài)化學(xué)品的泄漏量， t； R、 V—— 煙團的半徑和體積； T — 基于泄漏時刻的時間， s； Uto—— 10米高處風(fēng)速 (m/s)。 重質(zhì)氣體的擴散是一個瞬時的動態(tài)變化過程，要進行泄漏物的濃度計算時，要保證模型的狀態(tài)參數(shù)具有時效性。公式（ 22）中的變量 R（箱的半徑）和 V（體積）是擴散特性的主要參考變量。強揮發(fā)性氣體泄漏擴散后的煙團半徑 R和體積 V要按公式 (23) (24)計算 [28]。 ????????????????bKRttttRRRtR210000 (23) ? ??????????????????????????????? ?0060233062231VghVRkbvRRVp (24) 式中： R,R0 —— 煙團瞬時半徑、初始半徑； b—— 浮力參量； ν 0—— 摩擦速度，即空間煙團位移速度 (25) 和所設(shè)定平均風(fēng)速的差值，為 ν 0=uu0； t、 t o— 計算時間、時標； ?? —— 相對密度比率，即化學(xué)品蒸氣與空氣的密度比。 空間煙團的位移速度： 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁 共 57 頁 ?????? ????????????????? 000 10lnln zzHuu t (25) 式中： H—— 為煙團中心空間高度； Z0—— 為粗糙度。 通過該模型可以計算得到 R、 V等隨時間變化的瞬時值，然后就可以根據(jù)詞數(shù)據(jù)計算煙團中心的高度 H，密度，濃度 C等值，進而動態(tài)的獲取泄漏源濃度計算的入口數(shù)據(jù)值，實現(xiàn)泄漏擴散的事實動態(tài)模擬。 箱模型假定氣箱內(nèi)部的泄漏物質(zhì)濃度分布均勻，可以根據(jù)泄漏物質(zhì)的質(zhì)量和氣箱體積的比值得到內(nèi)部濃度值。公式如下： VmCg ? (26) Cg為由箱模式得到的煙團濃度， V為由步驟（ 2）獲取的體積瞬時值。 箱模型具有如下特點：概念清晰，實用簡便，計算量小，可以在反應(yīng)出一定程度下區(qū)域性平均泄漏物濃度隨時間變化的動態(tài)瞬時規(guī)律。但箱模型也具有以下不足：假定氣象內(nèi)部的泄漏物與空氣混合后的濃度分布是均勻的，這與事實是相違背的，數(shù)據(jù)的值使得地面的濃度值偏低；也不能反映出大氣湍流作用的影響，不能很明顯的反映出煙團頂端和側(cè)面的液滴夾帶使得濃度值在外層的衰減，這樣的結(jié)果值是比較粗造的。 為了使得分析結(jié)果的準確性，尋求其他的濃度值求解方法。把圓柱氣箱作為煙團的基礎(chǔ)模 型，運用虛擬源的濃度模擬迭代思想，求解過程中把圓柱氣箱體積源看成是有眾多的小體積源單位組成的，同時也把單獨的微小的體積源單位單獨的處理。這樣的采用點源擴散公式可以將單獨的微小體積源單位對整體的濃度變化值的貢獻求解。點源的高斯模型采用體積源的形式迭代與真?zhèn)€重氣煙團的體積源積分，這樣可以得到任意時刻任意距離的的空間瞬時動態(tài)值其質(zhì)量濃度分布函數(shù)如下式 [29]： ? ?? ?? ?? ?? ?? ? sxRxR sysyssRR sxsxsg dyxxxxyydxxx xxxxCzyxC sgsggg ?????? ???????????????????? ???? 22 22 2 2e x p22e x p),( 2222?????? ? ?? ? ? ?? ?? ? sH sz spzpsspzpsdzxx xxzzxxzz? ? ???????????????????? 0 2 2e x p2e x p???? (27) 式中： Rg、 H—— 煙團的 結(jié)構(gòu)半徑、高度； sx 、 sy 、 sz —— 為煙團中單位體積源的坐標； Cg—— 重氣質(zhì)量濃度， Cg=m/v； σ x、 σ y，σ z—— x， y， z方向的擴散系數(shù)； p—— 方向上的指數(shù)系數(shù)，介于 ～ 。 重氣氣云內(nèi)氣體混合物的濃度會隨著時間變化而濃度值降低，當濃度值稀釋到很低時，開始出現(xiàn)典型的被動擴散。在被動擴散階段，氣云的氣體濃度值分布接近于高斯擴散。箱模型假設(shè)出了氣箱內(nèi)部存在著濃度分布轉(zhuǎn) 向高斯擴散濃度分布的轉(zhuǎn)折點，一般情況假設(shè)當密度差達到一個特定極限時 ( )重氣效應(yīng)消失 當重氣氣云內(nèi)氣體混合物的密度稀釋到很低時，開始出現(xiàn)被動擴散的趨勢。在此階常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14 頁 共 57 頁 段，氣云的氣體濃度分布逐漸接近高斯形狀。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。通常假定當相對密度差將到某個極限 (如 .001或 .0001)后重氣效應(yīng)消失，即發(fā)生轉(zhuǎn)變。此后，箱模型轉(zhuǎn)為高斯煙流或煙團模式即可。 小結(jié) 高斯模型只適用于中性氣體，仿真精度較差，但它可仿真連續(xù)性泄漏和瞬時泄漏兩種泄漏方式，且由于 提出的時間比較早，實驗數(shù)據(jù)多，因而較為成熟。模型簡單，易于理解，運算量小，計算結(jié)果與實驗值能較好吻合等特點致使該模型得到了廣泛的應(yīng)用。BM模型是由一系列重氣體連續(xù)泄漏和瞬時泄漏的實驗數(shù)據(jù)繪制成的計算圖表組成，屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ停庋有暂^差； Sutton模型是用湍流擴散統(tǒng)計理論來處理湍流擴散問題，在仿真可燃氣體泄漏擴散時誤差較大； FEM3模型適用于處理連續(xù)源泄漏及有限時間的泄漏，但其計算量很大，仿真較為困難，且只適用于重氣體的擴散。盒子模型適用于重氣的大規(guī)模瞬時泄漏，也具有較廣泛的應(yīng)用。 最后將上述各模型的特點歸納 、比較見表 。 表 各模型特性比較表 項目名稱 適用對象 適用范圍 難易程度 計算量 精度 高斯煙羽模型 中性氣體 大規(guī)模長時間 較易 小 一般 高斯煙團模型 中性氣體 大規(guī)模瞬時 較易 小 一般 BM模型 中性或重氣體 大規(guī)模長時間 較易 小 一般 Sutton模型 中性氣體 大規(guī)模長時間 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 長時間定常 較易 大 較好 盒子模型 重氣體 大規(guī)模瞬時 一般 一般 較好 本章分析了重氣泄漏擴散現(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散等在內(nèi)的特點以及各種數(shù)學(xué)模型的簡介。通過分析重氣擴散現(xiàn)象，得出重氣云擴散機理與大尺度的大氣擴散有著明顯不同的特點，常常擴散成非常復(fù)雜的形狀，有時還停留不散，擴散過程特別易受風(fēng)速、風(fēng)向以及地形的影響，從泄漏、形成氣云到大氣擴散，整個過程十分復(fù)雜。因此重氣的擴散規(guī)律問題成為一項特殊的研究主題。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 15 頁 共 57 頁 3 重氣泄漏事故原因分析 近年來，我國泄漏擴散事故時有發(fā)生，嚴重威脅到人民群眾的生命、財產(chǎn)安全及環(huán)境安全。在世界范圍內(nèi)無數(shù)次的由化學(xué)品泄漏擴散引起的火災(zāi)、 爆炸、中毒案例說明 ：工業(yè)過程特別是化工、石油化工過程泄漏事故理論及其傷害事故分析技術(shù)的研究和應(yīng)用，是我國經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展乃至世界范圍內(nèi)有待解決的一大課題。 重氣泄漏事故分析的必要性 化工原料及其產(chǎn)品在生產(chǎn)、儲存和運輸過程中容易發(fā)生火災(zāi)、爆炸和中毒，給人們帶來嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡。對于各種事故，人們總是力圖采取各種有效措施來預(yù)防或消除這些事故，或?qū)⑹鹿实奈ｋU性降低到人類可以接受的程度，所以事故預(yù)防的重要性毋庸置疑。一般來說事故具有因果性、潛伏性等特性 [29]。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。事故的潛伏性是說事故在尚未發(fā)生或還未造成后果之時，是不會顯現(xiàn)的，所以應(yīng)該在事故發(fā)生之前充分辨識危險源，進行風(fēng)險分析，事先采取措施進行控制，最大限度地防止危險因素轉(zhuǎn)化為事故 [30]。 重氣泄漏的特點 我 現(xiàn)代石油化工行業(yè)中，有毒危險物質(zhì)泄漏事故己成為當今世界普遍關(guān)注的環(huán)境與安全問題。它的嚴重性在于，一方面是因為事故所導(dǎo)致的各種損害不僅會威脅到人命及財產(chǎn)安全，而且還有可能對水體、大氣以及陸域生態(tài)等各個環(huán)境圈層造成破壞：另一方面 在于抵御事故的種種策略本身就難以駕馭，常常是由時間、空問及許多不確定的環(huán)境與事故因素所決定的多維動力學(xué)過程。泄漏事故有如下特點： (1)群發(fā)性 事故發(fā)生后，造成中毒或傷亡的人多面廣，在同一時間、同一區(qū)域會有許多人受到傷害。 (2)社會性 泄漏事故造成大量的毒物泄漏，這些泄漏毒物會嚴重的污染空氣、水源、土壤或食物，消除極其困難，對周圍的人員和動植物構(gòu)成較長期的影響，甚至影響到事故以外的區(qū)域或造成事故性災(zāi)難。 (3)突發(fā)性 泄漏事故的發(fā)生不受地形、氣象和季節(jié)的影響，往往都很突然，事先沒有明顯預(yù)兆，且發(fā)展迅猛，這 使得企業(yè)及有關(guān)部門猝不及防。 (4)復(fù)雜性 泄漏事故往往會造成火災(zāi)、爆炸及中毒，并伴隨著機械傷害、腐蝕傷害、高溫灼傷等，給救治傷員工作帶來了很大的困難。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)場補救、善后處理費用 (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、補助救濟、歇工工資等費用 )，其損失難以估計。 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 16 頁 共 57 頁 因有毒氣體引起的中毒事故都與物質(zhì)的泄漏有著直接的聯(lián)系。確定重大事故，尤其是泄漏時的危險區(qū)域是在確定有毒物質(zhì)泄漏后的擴散范圍的基礎(chǔ)上進行的。因此，要首先從有 毒、有害物質(zhì)泄漏分析開始。 泄漏的主要設(shè)備 在現(xiàn)代石油、化工和能源工業(yè)的生產(chǎn)過程中，存在著大量的易燃、易爆、有毒的化學(xué)危險物質(zhì)，因而這些物質(zhì)的泄漏常常導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、人員中毒等事故。根據(jù)各種設(shè)備泄漏情況分析，可將工廠 (特別是化工廠 )容易發(fā)生泄漏的典型設(shè)備分為：管道、撓性連接器、過濾器、閥、壓力容器／反應(yīng)槽、泵、壓縮機、貯罐 (用于環(huán)境條件 )、貯存容器 (用于加壓或冷凍 )、放空燃燒裝置／排氣管等十類。腐蝕、設(shè)備缺陷、材質(zhì)選擇不當、機械穿孔、密封不良以及人為操作失誤常常是導(dǎo)致泄漏的原因。常壓下為 液態(tài)的物料泄漏后四處流淌，同時蒸發(fā)為氣體擴散；常溫下加壓壓縮、液化儲存的物料一旦泄漏至空氣中會迅速膨脹、氣化為常壓下的大量氣體，迅速擴散至大范圍空間，如液態(tài)烴、液氯、液氨。如果泄漏的物質(zhì)有毒性，將造成所擴散范圍內(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、沸騰液體擴展蒸氣爆炸等嚴重的火災(zāi)爆炸事故。分析容易發(fā)生重氣泄漏事故的典型設(shè)備，對于研究重氣泄漏源的形式及分類有重要的指導(dǎo)意義。典型泄漏情況見表 ，可供確定泄漏孔時參考 。 表 典型 泄漏 情況 泄漏事故的典型設(shè)備 典型 泄漏 情況 損壞尺寸 管道的 泄漏 泄漏 20%管徑 泄漏 100%或 20%管徑 泄漏 100%或 20%管徑 閥的 泄漏 泄漏 100%或 20%管徑 泄漏 20%管徑 20%管徑 壓縮機的 泄漏 100%或 20%管徑 泄漏 20%管徑 壓力容器及反應(yīng)容器的 泄漏 全部破裂 泄漏 100%大管徑 泄漏 20%管徑 100%管徑 100%或 20%管徑 全部破裂 加壓或冷凍氣體容器的 泄漏 （不埋設(shè)情況） 全部破裂（燃） 全部破裂 100%或 20%管徑 儲罐的 泄漏 泄漏 全部破裂 泄漏 100%或 20%管徑 典型化學(xué)事故泄漏源類型 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 17 頁 共 57 頁 化工部化工勞動保護研究所專家、學(xué)者對國內(nèi)從 1950年到 1992年發(fā)生的 243起有毒物質(zhì)泄漏方式及毒物貯存狀況進行了綜合分析，結(jié)合對國內(nèi)典型化工危險行業(yè)的調(diào)查結(jié)果，認為影響源泄漏的因素主要有毒性物質(zhì)的貯存狀態(tài) (氣態(tài)或 液態(tài) )、貯存條件 (加壓液化、冷凍液化、常態(tài)液體、常態(tài)氣體 )和泄漏特征 (連續(xù)泄漏、瞬時泄漏、非典型泄漏 )等，并總結(jié)歸納了 11種泄漏源類型，見表 。 表 典型化學(xué)事故 泄漏 源類型 源類型 簡要說明 無限制瞬時壓力液化氣體泄漏 貯罐、鋼瓶、槽車等爆炸 (大孔 ) 無限制連續(xù)壓力液化氣體泄漏 壓力液化氣貯罐氣相小孔、管道等泄漏 無限制非典型壓力液化液體泄漏 壓力貯罐液體管道、閥門等泄漏 無限制非典型冷凍液化液體泄漏 冷凍液化貯罐液相孔及管道、閥門等泄漏 無限制非典 型冷凍液化氣體泄漏 冷凍液化貯罐氣相孔及管道、閥門等泄漏 限制性非典型冷凍液化液體泄漏 限定空間內(nèi) (防液堤 )冷凍液化液體泄蒲 無限制非典型液體泄漏 液體貯罐液相孔及管道、閥門等泄漏 限制性非典型液體泄漏 限定空間內(nèi)液體貯罐閥門、管道等泄漏 無限制非典型冷凍壓力液體泄漏 帶保溫層及控溫系統(tǒng)貯罐液下閥門等泄漏 無限制瞬時冷凍壓力液體泄漏 帶保溫層及控溫系統(tǒng)貯罐爆炸 (大孔 ) 無限制瞬時氣體泄漏 氣體貯罐爆炸 (大孔 ) 泄漏的原因分析 了解和研究事故基本原因，是提高系統(tǒng)安全性和降低事故發(fā)生的有效工具，只有全面、準確地辨識出儲罐發(fā)生事故的基本原因，采取相應(yīng)的辦法和措施，才能預(yù)防和控制儲罐火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。根據(jù)人機環(huán)系統(tǒng)理論，化工罐區(qū)是一種典型的人－機系統(tǒng)，系統(tǒng)中的“人”是生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的工人 ； “機”指生產(chǎn)區(qū)域的儲罐、管道等生產(chǎn)設(shè)施。系統(tǒng)運行狀況受到這二大因素的影響，本文從如下人的因素和機的因素兩方面對氯氣泄漏事故的原因進行分析。 基于人的因素進行分析 (1) 誤操作等人為原因?qū)е滦孤? 各類的生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，控制參數(shù)多，生產(chǎn)操 作具有高度的連續(xù)性；儲存設(shè)備容量大，壓力高，物質(zhì)狀態(tài)不一。因此，由于操作人員工作責任心不強、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、 運輸和使用等環(huán)節(jié)發(fā)生泄漏。 (2) 違反操作規(guī)程導(dǎo)致泄漏 在氯氣的生產(chǎn)過程中，不能嚴格按照工藝操作規(guī)程作業(yè)；日常安全檢查不到位；發(fā)現(xiàn)跑冒滴漏等問題不及時修復(fù)；對存在故障的設(shè)備未能及時修復(fù)，使之帶病運轉(zhuǎn)；生產(chǎn)安全管理制度不健全，不能嚴格執(zhí)行安全監(jiān)督檢查制度；安全管理方法手段欠科學(xué)等等，同樣是導(dǎo)致氯氣泄漏的主要原因。統(tǒng)計資料顯示，由于違反操作規(guī)程導(dǎo) 致的泄漏事故所占比例較大。 基于機的因素進行分析 (1) 設(shè)備制造存在缺陷 常州大學(xué) 本科 生 畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 18 頁 共 57 頁 各類重氣生產(chǎn)、儲存、運輸?shù)认鄳?yīng)設(shè)備在制造階段，由于沒有嚴格按照設(shè)計要求選材，制造質(zhì)量不能完全達到工藝標準，致使設(shè)備在運行過程中發(fā)生泄漏事故。設(shè)備制造環(huán)節(jié)存在的缺陷主要表現(xiàn)在： ，或未經(jīng)檢驗擅自采用代材；采用冷加工制作設(shè)備部件時，內(nèi)外壁有劃傷，致使設(shè)備在使用過程中因介質(zhì)的腐蝕作用而產(chǎn)生泄漏。 ，特別是焊接質(zhì)量差，焊縫厚度不均勻，沒有按照要求進行 100％ 全探傷檢測。 ，其質(zhì)量比較低，不能完全滿足設(shè)計要求。 ，或長期使用后，材料發(fā)生變質(zhì)、腐蝕或破裂等。