化工企业氯气储罐泄漏危险区域预测方法的研究

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【论著】化工企业氯气储罐泄漏危险区域预测方法的研究滕小幸1，赵江平1，张浩2，杨晓璐1

摘要：［ 目的］ 为城市区域内危险化学品生产企业发生有毒物质泄漏事故时，确定大规模人群疏散路线提供有效的依据。［ 方法］ 运用fluent流体仿真模拟软件对西安某化工公司的氯罐泄漏情况进行模拟，通过确定氯气泄漏速度、选择基本求解器、建立模拟区域网格、赋予边界条件构建氯气泄漏扩散模型。［ 结果］ 本研究成功模拟不同风速（1.5、情况下的氯气泄漏情况，并将氯气泄露危险区划分为：致伤区（半径1 000 m），重伤区（半径500 m），致死区。［ 结4.5 m/s）

论］ 本预测方法可为制订有毒物质泄漏事故的应急预案提供依据。

关键词：氯气泄漏；fluent流体软件；化工企业；危险区域

Research on the Danger Zone Forecasting Model for Chlorine Tank Leakage from Chemical Industry

1

TENG Xiao-xing1, ZHAO Jiang-ping1, ZHANG Hao2, YANG Xiao-lu（1.Institute of Occupational Safety and Health, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an, Shanxi 710055, China；2.School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Technology, Ma’anshan, Anhui 243002, China）

Abstract: ［Objective］ To establish a model of chlorine tank leakage and diffusion so that to provide an effective basis for evacuation of large-scale crowd in the accident. ［Methods］ Using the fluent fluid software to simulate chlorine tank leakage situation in Xi'an chemical industry company. Through the determination of the chlorine leakage speed, the choice of the basic solution, the establishment of the simulation area net, and the entrusting of boundary condition, the chlorine leakage diffusion model was constructed. ［Results］ The established model successfully simulated chlorine gas leakage situation in different wind speed（1.5 m/s, 4.5 m/s）, and dangerous regions during the chlorine leakage could be divided into：injury area（radius 1 000 m）, serious injury area（radius 500 m）, and fatal area. ［Conclusion］ The forecast method may provide emergency response for toxic substances leakage accident.

Key Words: chlorine leakage; fl uent fl uid software; chemical enterprise; danger zone

随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，城市规模迅速扩大，同时城市人口密度也随之增大。很多以前位于城市郊区或城市边缘地带的危险化学品生产企业如今其所在地都变成了人口稠密的城区。这一类型危险化学品生产企业的特点是规模日趋扩大、设备逐渐老化，极易发生有毒物质泄漏事。并且由于目前这类化学工业都处于城市扩建的人口密集故［1］

区域，一旦发生有毒物质泄漏事故，后果将极其严重。

毒气泄漏方面的研究始于上世纪70年代。随着发达国家化学工业生产规模的不断扩大，化工装置重大泄漏事故频繁发生，逐渐引起了美国、英国、日本等发达国家的重视。根据毒气泄漏后的扩散所形成气云的不同物理性质，可分为重气云模型和非重气云模型［2］。虽然有关毒气泄漏的各种模型和数值模拟等方面的专著和文献资料较多，但国内目前尚未有通用和比较完善的毒气泄漏扩散模拟系统。本研究拟运用fluent流体仿

［基金项目］西安建筑科技大学基础研究基金项目（编号：JC0817）［作者介绍］滕小幸（1984-），女，硕士生，研究方向：安全评价理论与

技术；E-mail：hongpijidan@126.com

［作者单位］1.西安建筑科技大学劳动安全卫生研究所，陕西 西安

710055；2.安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243002

真模拟软件进行氯气泄漏模拟，观察氯气泄漏过程的特点，并研究危险区域划分的预测方法，为化工企业有毒物质泄漏事故时，人员疏散应急预案的研究奠定基础和提供支持。1 对象与方法1.1 研究对象

以西安某化学工业公司的氯罐泄漏情况进行模拟。该公司建厂时间较早，原厂址位于西安市郊区，人口密度较低。随着城市的扩大、流动人口增加，该厂址区域现已发展成为新城区，周边人口密度剧增。在这种情况下，若一旦出现氯罐泄漏事故，将造成重大人员伤害和财产损失。因此，本研究拟运用fluent流体仿真模拟软件对该公司氯罐泄漏情况进行模拟［3-4］。1.2 确定氯气泄漏速度

根据西安市气象部门统计，西安市年平均风速为1.5 m/s，最高平均气温为27 ℃。模拟假设风向自西向东，该化工公司液氯储罐侧部内径5 cm的泄漏孔泄漏。本研究模拟小孔气相泄漏情况。

泄漏速度由下式确定［5］：

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式中：Q0—泄漏速度；Cd—气体泄漏系数（圆形取1.00、三角形取0.95、长方形取0.90）；A—泄漏口面积，m2；p1—容器内的绝对压力，Pa；M—气体摩尔质量，kg/mol；γ—泄漏气体的绝热指数，氯气γ=1.35；R—气体状态常数，8.314 J/mol·K；T—气体的温度，K。1.3 选择基本求解器

属于低速流动，且压强变化氯气泄漏流动速度小于50 m/s，

不大，所以可以忽略可压缩性的影响，按不可压缩流体来处理，

［6-7］应用非耦合求解方法。模拟的目标是得出非定常时间内氯气

念，毒负荷函数考虑到了毒物浓度和接触时间对人体伤害的双重作用［8］，其表达式为：

TL=βCmtn

式中，TL—毒负荷，ppm·s；β—与剂量有关的系数，通常≤1；C—毒物浓度，ppm（本研究中指体积浓度，ppm表示106体积的空气中所含污染物所占的体积分数；全文同）；t—接触时间，min；m—浓度对TL贡献的修正系数；n—接触时间对TL贡献的修正系数（对于氯气，m = n =1）。

模拟泄漏时间为30 min，截取人的呼吸带平均高度平面Z=1.6 m为观察对象。氯气泄漏的危险区域划分为［9］：致死区、重伤区和致伤区。致死区：人员若无防护并未及时逃离，其中半数左右人员中毒死亡，氯的毒负荷600 ppm（30 min）；重伤区：人员将蒙受重度或中度中毒，须住院治疗，个别会中毒死亡，氯的毒负荷50 ppm（30 min）；致伤区：本区内大多数人员有中度、轻度中毒或吸入反应症状，经门诊治疗即可康复，氯的毒负荷15 ppm（30 min）。2 结果

根据西安某化工公司实地风速情况，模拟风速为1.5 m/s和4.5 m/s时，氯气泄漏时间为30 min，截取人的平均高度平面Z=1.6 m为观察对象。根据氯气域值与氯的毒负荷，分别取15、50、600 ppm，3个浓度值作为观测对象，对氯气泄漏结果进行观测。

泄漏的浓度场分布情况，选用Species求解器。氯气泄漏扩散属于湍流，采用基于涡流黏滞度理论进行方程闭合的k-ε 模型。1.4 建立模拟区域网格

模拟氯罐泄漏计算区域为Gx×Gy×Gz（5 000 m×750 m×100 m），泄漏口为内径5 cm的圆孔，其位置坐标为（Lx，Ly，Lz）。利用Gambit2.2.30采用结构化网格对计算区域进行划分，由于氯气泄漏模拟考虑了边界层的作用，且泄漏口为模拟所重点关心的区域，所以将近地表和近源的网格局部加密处理，如图1所示。

图1 计算域的结构化网格示意图

Figure 1 Sketch map of structured meshing grid of the computational domain

2.1 风速为1.5 m/s时氯气的泄漏情况

图3为风速为1.5 m/s时氯气泄漏浓度分布。图3（a）为泄漏10 min时浓度分布，在泄漏高浓度区下风向处，形成了浓度为30 ppm的区域；图3（b）为泄漏20 min时浓度分布，此浓度区内又形成了新的浓度为50 ppm的区域；图3（c）为泄漏30 min时浓度分布，浓度为30 ppm的区域逐渐扩大，与近罐区的同浓度区成为一体，而浓度为50 ppm的区域也逐渐变大。重点观察致伤区（15 ppm）、重伤区（50 ppm）、致死区（600 ppm）的浓度变化情况发现，当泄漏时间为30 min时，致伤区到达下风向1 000 m处，重伤区到达500 m处，而致死区域半径较小，为100 m左右。

由图3可见，泄漏10 min时，氯气的最高浓度为361.001 ppm，泄漏浓度还没有形成致死区。从浓度的变化来看，氯气泄漏时，并不是从泄漏点向外呈放射形浓度逐渐递减的形式扩散，泄漏20 min时在泄漏口的临近区域会形成另一个高浓度区。2.2 风速为4.5 m/s时氯气的泄漏情况

图4为风速4.5 m/s时氯气泄漏浓度分布。与风速为1.5 m/s时的图3相比，致伤区和重伤区的范围有所减小，可见风速对氯气泄漏的浓度有一定稀释作用。观察不同时间的发展状况，可见，图4（a）在氯罐泄漏浓度区域下风向处形成了浓度为50 ppm的另一个浓度区；图4（b）为泄漏20 min时此区域已经与氯罐浓度区合成一体；与图3（b）相比，没有在其中形成新的高浓度区；图4（c）为泄漏30 min时，致伤区达到下风向450 m处，重伤区达到下风向140 m处。可见与风速为1.5 m/s相比，浓度范围明显缩小。

1.5 赋予边界条件

根据基本假设，赋予模型以下边界条件。

1.5.1 速度入口 此模拟设定为两个速度入口，分别是大气速度入口和氯气泄漏口速度入口。大气速度入口为Gx=0边界面，由于大地边界层影响。其速度值采用UDF函数模拟。氯气速度入口位于GxGy平面上方1 m处。由于地面具有一定的粗糙度，不能将靠近地面处视为光滑平面处理，在边界层区域必须考虑粘性力，粘性力对风速产生影响，距地面越近粘性力越大，风速被削弱得越多。

1.5.2 压力出口 根据计算区域设定出口为Gx=5 000 m边界面，采用压力出口条件，大气压力设为标准大气压（101.3 kPa）。各边界条件如图2所示。

图2 各边界条件示意图

Figure 2 Sketch map of border condition

1.6 危险区域划分标准

有毒物质泄漏分区标准采用当今被广泛使用的毒负荷概

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2.3 氯气泄漏危险区的预测

由图3和图4的氯气泄漏过程分析可见，氯气泄漏时并不是只形成一个危险梯度范围，而是在其临近之处产生了新的危险区域，而这个危险区域是随时间不断变化的。所以在进行疏散时应根据时间的变化，安排疏散范围和次序。根据发生泄漏事故时，受到严重伤害的人群接触高浓度毒气的时间一般不超过30 min，这里采用西安市年平均风速为1.5 m/s时氯气的浓度分布为例。由于风向多变，预测事故时应尽可能考虑较大范围内所涉及的人群，所以在估算危险区域时以扩散阈值距离为半径画圆。

由图5可见，致伤区的范围是半径为1 000 m的区域，重伤区的范围是半径为500 m的区域。由于模拟的是氯气小孔气相泄漏，事故影响严重程度较轻，所以致死区基本局限于发生氯气泄漏罐体附近的厂区，区域范围很小，在图5中不做标注。

图3 风速为1.5 m/s时氯气泄漏浓度图

Figure 3 Concentration of leaking chlorine when the wind speed is 1.5 m/s

图5 危险区域划分图

Figure 5 Sketch map of the danger areas

3 讨论

本研究以西安某化学工业公司氯罐泄漏为模拟对象，模拟其氯气小孔持续气相泄漏扩散过程，根据扩散发生30 min时的浓度，划分了危险区域。并对风速1.5 m/s和风速4.5 m/s情况下的氯气扩散进行了对比，可以得出以下几点结论：

（1）在风速较小（1.5 m/s）时，氯罐泄漏喷射出的液氯会在某处聚集，进行气化过程，从而形成氯气高浓度中心，其相邻区域产生高浓度区域，这是由于氯罐泄漏的物质为液氯，在风速较小时喷射出的液氯会在某处聚集，进行气化过程，从而形时，氯罐泄漏喷射成高浓度氯气区域；在风速较大（4.5 m/s）出的液氯被吹散不会聚集，这是由于风的速度较大时能很快地将气化过程的氯气吹散，起到稀释作用。

（2）利用fluent软件模拟氯气泄漏过程，得出了致死区、重伤区、致伤区的范围，并且通过不同风速氯气的扩散浓度看出，风速的强弱对划分氯气泄漏危险区域范围有着很大的影响，风速较快时，氯气云团的浓度被明显稀释，重伤区和致伤区的范围明显缩小。在实际情况下，还应该考虑高层建筑物的因素、城市热岛效应的因素、气象条件的因素等对氯气泄漏扩散范围的影响。

图4 风速为4.5 m/s时氯气泄漏浓度图

Figure 4 Concentration of leaking chlorine when the wind speed is 4.5 m/s

（3）对城市工业灾害区域人员疏散问题的研究应与城市应急指挥系统结合，作为应急决策的技术支撑；并对城市避难点

（下转第83页）

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参考文献：

［1］TAICHMAN R S. Blood and bone：two tissues whose fates are

intertwined to create the hematopoietic stem-cell niche［J］. Blood，2005，105（7）：2631-2639.

［2］KUZNETSOV S A，RIMINUCCI M，ZIRAN N，et al. The interplay of

osteogenesis and hematopoiesis：expression of a constitutively active PTH/PTHrP receptor in osteogenic cells perturbs the establishment of hematopoiesis in bone and of skeletal stem cells in the bone marrow［J］. J Cell Biol，2004，167（6）：1113-1122.

［3］SHIOZAWA Y，JUNG Y，ZIEGLER A M，et al. Erythropoietin couples

hematopoiesis with bone formation［J］. PLoS One，2010，5（5）：e10853.

［4］JUNG Y，SONG J，SHIOZAWA Y，et al. Hematopoietic stem cells

regulate mesenchymal stromal cell induction into osteoblasts thereby participating in the formation of the stem cell niche［J］. Stem Cells，2008，26（8）：2042-2051.

［5］CHITTETI B R，CHENG Y H，STREICHER D A，et al .Osteoblast

lineage cells expressing high levels of Runx2 enhance hematopoietic progenitor cell proliferation and function［J］. J Cell Biochem，2010，111（2）：284-294.

［6］MISHIMA S，NAGAI A，ABDULLAH S，et al. Effective ex vivo

expansion of hematopoietic stem cells using osteoblast-differentiated mesenchymal stem cells is CXCL12 dependent［J］.Eur J Haematol，2010，84（6）：538-546.

［7］CALVI L M，ADAMS G B，WEIBRECHT K W，et al. Osteoblastic cells

regulate the haematopoietic stem cell niche［J］. Nature，2003，425（6960）：841-846.

［8］WEBER J M，FORSYTHE S R，CHRISTIANSON C A，et al.

Parathyroid hormone stimulates expression of the Notch ligand Jagged1

in osteoblastic cells［J］. Bone，2006，39（3）：485-493.

［9］ZHANG Z L，LI B Y，FU C L，et al. Parathyroid hormone stimulates

hematopoiesis and increases survival in irradiated mice［C/OL］. 30th ASBMR annual meeting，2008［2010-05-05］. http：//www.abstractsonline.com/viewer/SearchResults.asp.

［10］SNYDER R. Benzene’s toxicity：a consolidated short review of human

and animal studies by HA Khan［J］. Hum Exp Toxicol，2007，26（9）：687-696.

¨OZ TORRES ［11］VELASCO LEZAMA R，BARRERA ESCORCIA E，MUN

A，et al. A model for the induction of aplastic anemia by subcutaneous administration of benzene in mice［J］. Toxicology，2001，162（3）：179-191.

［12］毛秉智，陈家佩.急性放射病基础与临床［M］.北京：军事医学科

学出版社，2000：189-192.

［13］罗春丽，刘体全.临床检验基础［M］.北京：人民卫生出版社，

2003：29.

［14］PAGLIARULO C，SALVATORE P，NAPOLI C. Targeting vascular

niche by parathyroid hormone［J］. Curr Med Chem，2008，15（28）：2984-2990.

［15］KOCH C A，LI C Y，MESA R A，et al. Nonhepatosplenic extramedullary

hematopoiesis：associated diseases，pathology，clinical course，and treatment［J］. Mayo Clin Proc，2003，78（10）：1223-1233.

［16］RIXON R H，WHITFIELD J F. The radioprotective action of parathyroid

extract［J］. Int J Radiat Biol，1961，3：361-367.

［17］WHITFIELD J F. Parathyroid hormone：a novel tool for treating bone

marrow depletion in cancer patients caused by chemotherapeutic drugs and ionizing radiation［J］. Cancer Lett，2006，244（1）：8-15.

（收稿日期：2010-05-05）

（英文编审：黄建权；编辑：郭薇薇；校对：郭薇薇）

（上接第79页）

进行合理的设计和规划。氯气泄漏时对危险区域合理、有效和准确的划分，能为事故救援方案的制定和人员疏散路线的确定提供可靠的依据。

由于氯气的泄漏属于低速流动，且压强变化不大，因此可以忽略可压缩性的影响，按不可压缩流体来处理。本研究运用fluent流体仿真模拟软件，能更直观地观察泄漏状态，模拟出不同时间氯气泄漏的浓度场。此方法在气体扩散计算中能够得到较精确的结果，具有比较广泛的适用性。参考文献：

［1］张建平.液氯泄漏事件的环境安全防护距离与监测布点方法［J］.

中国环境监测，2008，24（1）：5-6.

［2］张江华，赵来军，吴勤旻.危险化学品泄漏扩散研究探讨［J］.中国

安全生产科学技术，2007，3（1）：8-11.

［3］王东东，刘茂，李剑峰，等.小区域氯气扩散的CFD模拟研究［J］.

安全与环境学报，2008，8（3）：126-130.

［4］沈艳涛，于建国.毒性重气瞬时泄漏扩散过程CFD模拟与风险分析

［J］.华东理工大学学报：自然科学版，2008，34（l）：19-23.［5］崔克清.安全工程燃烧爆炸理论与技术［M］.北京：中国计量出版

社，2010.

［6］罗艾民，魏利军.有毒重气泄漏安全距离数值方法［J］.中国安全科

学学报，2005，15（8）：98-100.

［7］任建国，鲁顺清.气体扩散数学模型在安全评价方面的应用［J］.中

国安全科学学报，2006，16（3）：12-16.

［8］颜峻，左哲.CFD方法对突发性化学事故中危险物质泄漏范围的确

定［J］.中国安全科学学报，2007，17（1）：102-106.

［9］崔辉，徐志胜，宋文华，等. 有毒气体危害区域划分之临界浓度标

准研究［J］. 灾害学，2008，23（3）：80-84.

（收稿日期：2010-07-14）

（英文编审：黄建权；编辑：郭薇薇；校对：丁瑾瑜）