《化工厂液氨储罐泄漏氨气扩散的影响因素研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《化工厂液氨储罐泄漏氨气扩散的影响因素研究.pdf(4页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、化工厂液氨储罐泄漏氨气扩散的影响因素研究雷小佳,王杰(湖南石油化工职业技术学院,湖南岳阳 414012)化工气体泄漏扩散会污染周边环境,造成人员伤亡和经济损失,通过研究危化物质的泄漏规律可科学制定应急预案,评价不同场景下泄漏对周边环境的污染规模,降低泄漏带来的负面影响1-4。液氨作为化工厂重要的化工产品,国内外专家学者对其泄漏进行了诸多研究5-6。黄海波等7采用 phast 软件建立了中压液氨储罐泄漏模型,研究了泄漏孔径、储罐压力、风速对氨气泄漏速度和液氨浓度变化的影响,发现泄漏孔径和储罐压力是影响氨气泄漏速度的主要因素。何娟霞等8以动力学和热力学为基础,建立了液氨卧式储罐泄漏模型,研究了液氨
2、泄漏后形成云团的过程,发现相比液态和两相流状态,氨气以气态形式泄漏造成的事故后果最严重。目前,学者对液氨储罐泄漏的研究主要集中在卧式小型压力储罐,对大型常压储罐的研究较少,通常仅考虑泄漏孔径、泄漏高度和环境风速对泄漏扩散的影响,忽略了大气稳定度、地面粗糙度等因素。本文以某化工厂低温常压液氨储罐为研究对象,采用 phast 软件建立了液氨储罐泄漏模型,研究了不同因素对氨气泄漏扩散浓度分布的影响规律,并提出了减轻泄漏事故后果的具体措施,可指导现场技术人员制定泄漏管理方案和应急预案,现介绍如下。1液氨储罐泄漏模型的建立某化工厂内设有 2 座低温常压液氨储罐,容积为5 000 m3,直径为 21.0
3、m,高度为 16.6 m,设计温度为-34.0,运行温度为-33.5,设计压力最大值为7 kPa、最小值为-0.25 kPa,运行压力为 2 kPa,罐壁采用 16MnDR 材质。采用 phast 软件建立液氨储罐泄漏模型,储罐所在地区最低气温为-15,最高气温为 40,年平均气温在 9 20,模拟选择 40 的极端天气作为环境温度。该地区风向主要为西北方向,春季风速最大,为 5 m/s,秋季风速最小,为 2 m/s,选择最小风速2 m/s 作为环境风速,大气稳定度设置为 F 等级。储罐周边为平整的水泥地面,地面粗糙度设置为 0.5 cm。储罐泄漏最为常见的是腐蚀穿孔,因此将漏孔形状设置为圆孔
4、状,腐蚀穿孔事故中孔径通常为 20 mm,根据人的平均身高将泄漏高度设置为 1.7 m。外部环境参数变化直接改变氨气扩散范围,模拟控制泄漏孔径变化范围为 20 mm100 mm,变化梯度为 20 mm;泄漏高度变化范围为 1 m13 m,变化梯度为 3 m;大气稳定度变化分为 AG 7 个稳定等级(A 等级是指极不稳定的天摘要以某化工厂低温常压液氨储罐为研究对象,采用 phast 软件建立了液氨储罐泄漏模型,分析了泄漏孔径、泄漏高度、大气稳定度、地面粗糙度及环境风速对氨气泄漏扩散浓度变化的影响。结果表明:当泄漏孔径超过20 mm 时,氨气泄漏扩散浓度及范围大幅增加,应定期巡检,在小泄漏孔径时及
5、时采取补漏措施;当泄漏高度为 4 m时,高度 1 m 处氨气浓度最大,应注意此高度罐壁的腐蚀程度,当泄漏高度达到 13 m 时,高度 1 m 处氨气浓度为 0,对地面无影响;当大气稳定度升高时,氨气向下风向扩散的距离明显增大;随着地面粗糙度的增加,氨气浓度分布整体明显降低;当环境风速低于 2 m/s 时,氨气扩散影响范围和最大浓度均较高,应加强巡检。关键词液氨;储罐;模型;泄漏;扩散浓度文章编号:1005-9598(2023)-05-0108-04中图分类号:X937曰TQ113文献标识码:A收稿日期:2023-06-08第一作者:雷小佳(1980),男,汉族,湖南常宁人,副教授,硕士,200
6、5 年本科毕业于长沙理工大学化学专业,现主要从事化工安全研究方面的工作,E-mail:。DOI:10.19889/ki.10059598.2023.05.025引用格式:雷小佳,王杰.化工厂液氨储罐泄漏氨气扩散的影响因素研究J.煤化工,2023,51(5):108-111.第 51 卷第 5 期2023 年 10 月煤 化 工Coal Chemical IndustryVol.51No.5Oct.2023第 51 卷第 5 期气,G 等级是指非常稳定的天气,A 等级至 G 等级大气稳定度依次升高);地面粗糙度根据不同环境场景分别设置为 0.02 cm、0.5 cm、3 cm、10 cm、25
7、cm、50 cm、100 cm、300 cm,对应的场景分别为开放水域、泥地或雪地(没有植物和障碍物)、开阔平坦的草地(几个孤立的物体)、矮的农作物(偶尔有大障碍)、高的农作物(分散的大障碍)、有树丛的开阔草地或灌木丛(障碍物较多)、普遍都是大的障碍物、有高层或低层建筑的城市中心;风速变化范围为 1 m/s5 m/s,变化梯度为1 m/s。2液氨储罐泄漏扩散范围分析2.1泄漏孔径对氨气扩散的影响设置泄漏高度为 1.7 m,大气稳定度为 F,地面粗糙度为 0.5 cm,环境风速为 2 m/s,泄漏孔径由 20 mm升高至 100 mm,模拟分析人体俯身逃离高度 1 m 处氨气浓度的变化,结果如图
8、 1 所示。由图 1 可知:当泄漏孔径在 20 mm 时,随着下风距离的增大,氨气浓度急剧升高,到达顶峰后快速下降,最终缓慢降低至 0;当泄漏孔径增大至 40 mm 以上时,氨气浓度“急剧升高”段不再存在,泄漏处浓度较高,氨气浓度随下风距离的增大而快速下降,最后缓慢降低至 0。主要原因是:当泄漏孔径较小时,氨气泄漏速度较低,风将氨气吹至下风向,最高浓度位置向下风向偏移;当泄漏孔径变大时,氨气泄漏速度升高,泄漏量变大,风无法吹动大量氨气至下风向,最高浓度位置仍在泄漏点位置。随着泄漏孔径的增大,氨气最高浓度增大,这主要是由于氨气泄漏量增大导致。当泄漏孔径大于 60 mm 时,氨气最高浓度增加幅度明
9、显降低,此时孔径不再是限制泄漏速度的主要因素。随着泄漏孔径的增大,氨气向下风向扩散的距离增大。因此,泄漏孔径对氨气扩散范围影响较大,现场技术人员应定期巡检,在小孔径时及时采取补漏措施。2.2泄漏高度对氨气扩散的影响设置泄漏孔径为 20 mm,大气稳定度为 F,地面粗糙度为 0.5 cm,环境风速为 2 m/s,泄漏高度由 1 m 升高至 13 m,模拟分析人体俯身逃离高度 1 m 处氨气浓度的变化,结果如图 2 所示。由图 2 可知:在不同泄漏高度下,氨气浓度的变化趋势相似。随着泄漏高度的增加,高度 1 m 处氨气浓度整体先升高后降低,主要原因是液氨向外泄漏遇热后变为气体,形成气体混杂液滴的复
10、合体系,复合体系在重力的作用下向下沉降。当泄漏高度为 1 m时,复合体系向下沉降,整体低于 1 m,高度 1 m 处氨气浓度整体较低;当泄漏高度增加至 4 m 时,复合体系的沉降作用导致高度 1 m 处氨气浓度升高;当泄漏高度高于 4 m 时,由于泄漏高度与高度 1 m 相差较大,高度 1 m 处氨气浓度再次降低。因此,应注意储罐高度为 4 m 处罐壁的腐蚀程度,此高度泄漏对人体影响最大;当泄漏高度达到 13 m 时,高度 1 m 处氨气浓度为 0,对地面上的技术人员无影响。随着泄漏高度的增加,氨气向下风向扩散的距离变小,主要原因是泄漏高度增加,氨气主要停留在上空,高度 1 m 处氨气向外扩散
11、的能力降低。2.3大气稳定度对氨气扩散的影响设置泄漏孔径为 20 mm,泄漏高度为 1.7 m,地面粗糙度为 0.5 cm,环境风速为 2 m/s,大气稳定度由 A变化至 G,模拟分析人体俯身逃离高度 1 m 处氨气浓度的变化,结果如图 3 所示。由图 3 可知:当大气稳定度由 A 等级升高至 G 等级时,氨气浓度整体增大,向下风向扩散的距离明显增大,且当大气稳定度高于 E 时,浓度增大幅度明显增加。主要原因是稳定的大气环境对氨气扩散的干扰较小,氨气向外扩散程度变大。当大气稳定度为 A 时,高度 1 m 处氨气浓度为 0,主要原因是在天气极不稳8000060000400002000000400
12、8001200 1600下风距离/m姻泄漏孔径 20 mm荫泄漏孔径 40 mm银泄漏孔径 60 mm 泄漏孔径 80 mm音泄漏孔径 100 mm图 1泄漏孔径对氨气扩散浓度变化的影响4000035000300002500020000150001000050000050 100下风距离/m姻泄漏高度 1 m荫泄漏高度 4 m银泄漏高度 7 m 泄漏高度 10 m音泄漏高度 13 m图 2泄漏高度对氨气扩散浓度变化的影响150 200 250 300雷小佳等:化工厂液氨储罐泄漏氨气扩散的影响因素研究109-2023 年煤 化 工定时,风速较高、风向不定,短时间内可将氨气吹散,无法形成稳定的氨气
13、云团。一般情况下,白天大气稳定度通常为 D 等级,夜间通常为 E 或者 F 等级,因此氨气在夜间扩散范围更广,积聚浓度更高,而夜间技术人员发现泄漏的难度更大,应设置气体检测设备,避免造成较大的安全事故。2.4地面粗糙度对氨气扩散的影响设置泄漏孔径为 20 mm,泄漏高度为 1.7 m,大气稳定度为 F,环境风速为 2 m/s,地面粗糙度由 0.02 cm升高至 300 cm,模拟分析人体俯身逃离高度 1 m 处氨气浓度的变化,结果如图 4 所示。由图 4 可知:随着地面粗糙度的增加,氨气浓度分布整体明显降低,向下风向扩散的距离明显减小。当地面粗糙度由 0.02 cm 升高至 300 cm 时,
14、氨气最大浓度降低了 92%,下风向扩散距离缩短了 88%。主要原因是:地面粗糙度越高,分布的障碍物越多,地面起伏程度越大,部分氨气停留在低洼位置,向外扩散受到的阻碍增加,向下风向扩散的距离越短。当地面粗糙度由 0.02 cm 升高至 3 cm 时,氨气最大扩散浓度大幅降低,向下风向扩散的距离变短,地面粗糙度 0.02 cm对应的场景为开放水域,地面粗糙度 3 cm 对应的场景为带有几个孤立物体的开阔平坦的草地。因此,在液氨储罐周围种植草类或农作物,可有效降低氨气扩散的影响范围。当地面粗糙度超过 10 cm 时,氨气最大浓度降低幅度明显变小,设置大的障碍物虽然对阻碍氨气扩散有一定效果,但性价比明
15、显较低。2.5环境风速对氨气扩散的影响设置泄漏孔径为 20 mm,泄漏高度为 1.7 m,大气稳定度为 F,地面粗糙度为 0.5 cm,环境风速由 1 m/s升高至 5 m/s,模拟分析人体俯身逃离高度 1 m 处氨气浓度的变化,结果如图 5 所示。由图 5 可知:随着环境风速的增大,氨气最大浓度下降。当风速为 1 m/s 时,氨气最大体积分数达到 118 54010-6,沿着下风向迅速降低后缓慢趋于0。当风速升高至 2 m/s 时,氨气最大体积分数大幅降低,仅有 19 02110-6,降低了 84%。当风速超过 2 m/s时,氨气最大浓度虽然仍在降低,但降低幅度有限。因此,当环境风速低于 2
16、 m/s 时,氨气扩散影响范围和最大浓度均较高,技术人员应加强巡检。3结论本文以某化工厂低温常压液氨储罐为研究对象,采用 phast 软件建立了液氨储罐泄漏模型,分析了氨气泄漏扩散浓度的变化规律,得到以下结论:(1)当泄漏孔径超过 20 mm 时,氨气泄漏扩散浓度及范围大幅增加,现场技术人员应定期巡检,在小泄漏孔径时及时采取补漏措施。(2)当泄漏高度为 4 m 时,高度 1 m 处氨气浓度最大,应注意此高度罐壁的腐蚀程度;当泄漏高度达到13 m 时,高度 1 m 处氨气浓度为 0,对地面上的技术人员无影响。35000300002500020000150001000050000020040060
17、0800下风距离/m姻大气稳定度 A荫大气稳定度 B银大气稳定度 C 大气稳定度 D音大气稳定度 E 大气稳定度 F 大气稳定度 G图 3大气稳定度对氨气扩散浓度变化的影响7000060000500004000030000200001000000200400600下风距离/m姻地面粗糙度 0.02 cm荫地面粗糙度 0.5 cm银地面粗糙度 3 cm 地面粗糙度 10 cm音地面粗糙度 25 cm 地面粗糙度 50 cm 地面粗糙度 100 cm荫地面粗糙度 300 cm图 4地面粗糙度对氨气扩散浓度变化的影响1200001000008000060000400002000000100 2004
18、00下风距离/m姻环境风速 1 m/s荫环境风速 2 m/s银环境风速 3 m/s 环境风速 4 m/s音环境风速 5 m/s图 5环境风速对氨气扩散浓度变化的影响300500800110-第 51 卷第 5 期(3)大气稳定度升高,氨气浓度整体增大,向下风向扩散的距离明显增大。(4)随着地面粗糙度的增加,氨气浓度分布整体明显降低,向下风向扩散的距离明显减小,在液氨储罐周围种植草类或农作物,可有效降低氨气扩散的影响范围。参考文献:1 孙文祥,汪坤,朱海.高压天然气储运管道泄漏定量风险评估研究J.非常规油气,2022,9(2):132-139.2 吴洁,吕品,袁雄军,等.液氨储罐泄漏扩散危害范围
19、研究J.河南理工大学学报(自然科学版),2020,39(2):8-14.3 王瑞,袁晨雨,刘文博,等.鄂尔多斯盆地长 7 段页岩中甲烷解吸与扩散影响因素分析J.非常规油气,2022,9(6):67-74.4 王晓超,郭小哲,刘全刚,等.疏松砂岩储层油井污染规模定量评价方法设计J.非常规油气,2022,9(3):125-130.5 何娟霞,周冬梅,刘磊,等.液氨卧罐液体实时连续泄漏建模及分析J.过程工程学报,2021,21(6):731-740.6 李海航,陈屹东,刘延雷,等.隧道内氨气泄漏扩散分布特征数值模拟J.安全与环境学报,2019,19(3):813-817.7 黄海波,涂相勇,刘蓉,等
20、.液氨储罐机械完整性与泄漏特性研究J.化工机械,2022,49(5):784-788.8 何娟霞,周冬梅,刘磊,等.液氨卧罐泄漏气云的形成及事故后果分析J.广西大学学报(自然科学版),2020,45(2):369-377.Study on influencing factors of ammonia diffusion due to leakage ofliquid ammonia storage tank in chemical plantLei Xiaojia,Wang Jie(Hunan Petrochemical Vocational Technology College,Yueyan
21、g Hunan 414012,China)AbstractWith the cryogenic atmospheric liquid ammonia storage tank of a chemical plant as the research object,phastsoftware was used to establish a liquid ammonia storage tank leakage model,and the analysis was made on the impacts ofleakage aperture,leakage height,atmospheric st
22、ability,ground roughness and ambient wind speed on the change of ammonialeakage diffusion concentration.The results showed that when the leakage aperture exceeded 20 mm,the ammonia leakagediffusion concentration and range increased significantly.On-site technicians should conduct regular inspections
23、 and taketimely leak repair measures when the leakage aperture was small.When the leakage height was 4 m,the ammoniaconcentration at the height of 1 m was the highest,so attentions should be paid to the corrosion degree of the tank wall at thisheight.When the leakage height reached 13 m,the ammonia
24、concentration at the height of 1 m was 0,which had no impact ontechnicians on the ground.When the atmospheric stability increased,the diffusion distance of ammonia in the downwinddirection increased significantly.Also,with the increase of ground roughness,the overall ammonia concentration distributi
25、ondecreased significantly.When the ambient wind speed was lower than 2 m/s,the impact range and maximum concentration ofammonia diffusion were relatively high,and technical personnel should strengthen the field inspection.Key wordsliquid ammonia;storage tank;model;leakage;diffusion concentration雷小佳等:化工厂液氨储罐泄漏氨气扩散的影响因素研究2023 年 7 月份天然气表观消费量增 9.6%国家发改委运营局发布的统计数据显示:2023 年 7 月,全国天然气表观消费量同比增长 9.6%。统计数据显示:2023 年 7 月,全国天然气表观消费量为 324.9 亿 m3,同比增长 9.6%。17 月,全国天然气表观消费量达 2 271.2 亿 m3,同比增长 6.5%。另悉,6 月份,全国天然气表观消费量为 325.2 亿 m3,同比增长 13.1%。16 月,全国天然气表观消费量达 1 948.8 亿 m3,同比增长 6.7%。(全国煤化工信息总站编辑整理)窑简讯窑111-