摘要
本次课程设计是对液氨储罐事故后果进行定量分析。根据液氨的理化性质和主要危险特性, 采用事件树分析法对液氨储罐的事故类型进行了危险源辨识和分析。并通过对泄漏、火灾、爆炸等典型事故影响模型进行了定量计算，分析了液氨泄漏的危害范围及其严重程度,提出了科学、合理、可行的安全对策措施和建议，从而为预防液氨泄漏事故发生和进行安全管理提供了依据。
关键词：液氨储罐；危险源；事故影响模型 1、储罐区的情况简介
1.1 储罐区的基本情况
本次课程设计以沈阳某发电厂为研究对象。该发电厂采用选择性催化还原法进行烟气脱硝,所用还原剂为液氨,共有2个液氨储罐,每个液氨储罐最大储存量为90 m3。液氨储存温度为30℃, 储存压力为1. 1 MPa, 密度为750 kg/m3,液氨体积占储罐容积的最大值为70%(其充装系数为 0.70)。则每个贮槽内液氨的总质量为W=90 m3×750 kg/m3×0. 7=47.25t。
重大危险源，是指长期地或者临时地生产、搬运、使用或者储存危险物品、且危险物品的数量等于或者超过临界量的单元（包括产所和设施）。《危险化学品重大危险源辨识》【2】 (GB18218—2009）规定氨的临界量为10t，该企业布置有两个液氨储罐，每个储罐装存的液氨为47.25t，因此构成了该液氨储罐区构成了重大危险源。
1.2液氨的主要危险特性
液氨又称为无水氨，是一种无色液体。在温度变化时，液氨体积变化的系数很大。溶于水、乙醇和乙醚，与空气混合能够形成爆炸混合物，火灾危险类别为乙类2项。
液氨作为一种重要的化工原料应用广泛，普遍存在于化工生产过程中。为了运输及储存的便利，通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨。液氨在工业上应用广泛，由于具有腐蚀性，且易挥发，所以其化学事故发生率相当高，是该储罐区的主要危险物料。液氨物料的危险特性主要体现在燃烧和爆炸、活性反应和健康危害三方面【3】，具体危险特性及理化性质如表1.1所示： 表1.1 液氨的危险特性及理化性质表 危险特性 燃烧和爆炸危险性 活性反应 健康危害 极易燃，能与空气形成爆炸性混合物，遇明火、高热引起燃烧爆炸。 与氟、氯等接触会发生剧烈的化学反应。 对眼、呼吸道粘膜有强烈刺激和腐蚀作用。急性氨中毒引起眼和呼吸道刺激症状，支气管炎或支气管周围炎，肺炎，重度中毒者可发生中毒性肺水肿。高浓度氨可引起反射性呼吸和心搏停止。可致眼和皮肤灼伤。 PC-TWA(时间加权平均容许浓度)(mg/m3):20; PC-STEL(短时间接触容许浓度)(mg/m3):30。 理 化 性 质 分子量为17.03，熔点-77.7℃，沸点-33.5℃，液氨密度为0.7253g/cm3, 临界压力11.40MPa，临界温度132.5℃，饱和蒸气压1013kPa(26℃)，爆炸极限15%～30.2%（体积比），自燃温度630℃，燃点为651℃,最大爆炸压力0.580Mpa 2、储罐的事故类型分析 2.1 液氨泄漏事故模式及统计分析
通常情况下,液氨在常温下加压压缩,液化储存,一旦泄漏到空气中会在常压下迅速膨胀,大量气化,并扩散到大的空间范围。
液氨事故泄漏后通常有几种事故模式：液氨泄漏后在泄漏出口处立即点火形成喷射火；泄漏处于开放空间且经过一定时间点火形成闪火；泄漏处于局限空间条件且经过一定时间点火形成蒸气云爆炸；若泄漏过程中没有点火源存在则形成单纯的大气中扩散；储存液氨的储罐有可能发生 BLEVE 爆炸。 根据事故案例 , 泄漏事故绝大多数可视为连续点源泄漏模式。因此,本文着重分析和模拟氨气连续点源泄漏后果。
2.2气氨泄漏事故树模型
对于液氨储罐液体泄漏应考虑发生池火+喷射火/BLEVE、蒸汽爆炸、闪火+晚期池火等火灾爆炸场景。具体场景与泄漏类型、点火类型、空间局限情况等有关，可采用事件树方法确定各种可燃物质释放后，各种事件发生的类型及概率【5】。
可燃液体泄露后的事件树见图1.1所示： IE 完全闪蒸 立即点火 延迟点火 空间局限 后果 是 喷射火
是 是 爆炸
是
否 闪火 液氨泄漏 否
否 大气扩散
是 池火（+喷射火/BLEVE） 是
否 爆炸 是
否 否 闪火（+晚期池火）
否大气扩散
图1.1 可燃液体泄露事件树
3氨气泄漏后果定量计算 3.1气氨泄漏模型
对于灾难性破坏引起的液氨泄漏,可保守地认为容器内所有的贮存物质瞬间全部泄漏,全部泄漏时一般有爆炸发生,对其发生爆炸后的状况再运用数值模拟进行预测意义不大。因此,文中所研究的是液氨储罐连续性泄漏的数值模拟。
通过对建国 50 年以来我国化工系统所发生的重(特)大、典型事故性泄漏的统计分析表明,阀门或法兰处的密封失效及阀门或管道断裂是造成事故性泄漏的主要原因,因而可以确定液氨储罐下方的液氨出口接管、储罐上方的气氨出口接管以及安全阀为主要泄漏源。
气氨泄漏模型对于气氨通过其出口接管的泄漏,情况较复杂。由于出口接管处于气相空间,其泄漏形式主要与泄漏面积的大小有关。在泄漏面积较大的情况下,高压蒸气通过裂缝或孔洞喷出,储罐内压急剧下降,直到环境压力(常温)。由于内压急剧下降,气液平衡遭到破坏,储罐内液氨处于过热状态,过热状态的液氨为了再次恢复平衡,内部会均匀地产生沸腾核,同 时产生大量气泡,液氨体积急剧膨胀, 最终导致爆炸;当泄漏面积不大时,即使有蒸气喷出,但由于储罐内压下降不急剧,液氨不会达到过热状态,因此不会发生蒸气爆炸 3.1.1 液体泄漏计算
由于储罐发生破裂泄漏的概率很小，因此泄漏场景考虑接管泄漏。根据《钢制立式圆筒固定顶储罐系列》【8】HG 21502.1-1992，确定接管管径为50mm。 液体经管道上的孔流出的质量流率为：
Qm?AC02??P?P0? （3.1）
式中:
Qm——质量流率，单位为kg/s； A——泄漏孔面积，单位为m2； C0 ——液体泄漏系数；
P——管道内液体压力，单位为Pa； ρ——泄漏液体密度，单位为kg/m3； P0——环境压力，单位为Pa。
液氨的密度为0.75g/cm3，即ρ=750kg/m3。储罐内液体压力为1.1×106Pa（表压力），环境压力P0=1.013×105Pa，即储罐内液体压力（绝对压力）P=1.1×106+1.013×105=1.2×10^6 Pa，当液体泄漏系数不知道或不能确定时，取1.0，使所计算的流量最大。
1）泄漏场景为小孔泄漏时，泄漏孔径为5mm，即半径为R=2.5mm。 A=πR2=1.96×10-5 m2
Qm?AC02??P?P0?
=（1.96×10-6）×1×[2×750×（1.2×10^6 -1.013×105)]1/2 =1.106kg/s=0.7957kg/s
2）泄漏场景为中孔泄漏时，泄漏孔径为10mm，即半径为R=12.5mm。 A=πR2=4.9×10-4 m2
Qm?AC02??P?P0?
=4.9×10-4×1×[2×750×（1.2×10^6 -1.013×105)]1/2
=19.89kg/s
3）泄漏场景为大孔破裂时，泄漏孔径为50mm，即半径为R=25mm。 A=πR2= 1.96×10-3 m2
Qm?AC02??P?P0?
=1.96×10-3×1×[2×750×（1.2×10^6 -1.013×105)]1/2 =79.57kg/s 3.1.2 闪蒸计算
（1）液体中闪蒸部分：
Fv?Cp?TT?Tb?Hv （3.2）
过热液体闪蒸蒸发速率可按下式计算： Q1?QL?Fv （3.3）
式中：
Fv——泄漏液体的闪蒸比例； TT——储存温度，单位为K；
Tb——泄漏液体的沸点，单位为K；
Hv——泄漏液体的蒸发热，单位为kJ/kg；
Cp——泄漏液体的定压热容，单位为kJ/(kg·K)； Q1——过热液体闪蒸蒸发速率，单位为kg/s； QL——物质泄漏速率，单位为kg/s。
已知储存温度TT=30+273.15=303.15K，沸点Tb=239.65K，泄漏液体的蒸发热Hv=1366.70kJ/kg ，定压热容Cp=4.609 kJ/(kg·K)
Fv?Cp?TT?Tb?Hv=0.21414
由于Fv>0.2时，其泄露的液氨完全闪蒸：/ 3.2气氨扩散模型
根据泄漏气体的密度和泄漏源类型，气体的扩散模式可分为烟团扩散和烟羽扩散两种模式。泄漏量较大且密度比空气的密度大得多的气体扩散呈现烟团式扩散，若泄漏气体密度与空气接近或经很短时间的空气稀释后密度与空气接近时，其泄漏气体的扩散属于烟羽式扩散，大部分较小流量的连续源易形成烟羽扩散。因此，氨气的扩散属于烟羽扩散。
通过查询沈阳地区的气象资料，沈阳一年内的平均风速为2.84m/s，根据《化工企业定量风险评价导则》AQ/T3046-2013表E.5可知，大气稳定度为C级，根据表E.7可知： σy=0.22x（1+0.0004x）^(-1/2) σz= 0.20x 根据Pasquill-Gifford模型扩散方程，位于地面
Hr高处的连续稳态源的烟羽
?1?yQC?x,y,z??exp???2??y?zu??2???y式中：
C?x,y,z?????2???1?z?Hr?2??1?z?H?r???exp??????exp??????2?z???2??z?????????????2????????? （3.6）
——连续排放时，形成稳定的流场后，给定地点
?x,y,z?的污染物的浓度，单位为g/m3；
Q——连续排放的物料质量流量，单位为g/s；
u——风速，单位为m/s；
?y，
?z——侧风向和垂直风向的扩散系数，单位为m；
x——下风向距离，单位为m；
y——侧风向距离，单位为m； z——垂直风向距离，单位为m。
由液体泄漏中的计算可知，当泄漏为小孔泄漏时，连续排放的物料质量流量Q=795.7g/s。因为液氨储罐水平布置在地面上，所以可以在x轴方向取10m、50m、100m、200m、400m，y轴取0，z轴取0，具体地点污染物浓度见表3.1所示：
表3.1 不同地点液氨扩散的浓度 X（m） Y（m） Z（m） 10 0 0 2.1956 （m） 2 20.309 10.89 0.8132 21.57 0.2178 42.339 0.0589 81.705 0.0162 100.416 0.01075 50 0 0 10.07 100 0 0 18.98 200 0 0 35.76 400 0 0 67.38 500 0 0 82.62 ?y?z（m） C（g/m3）
3.3火灾模型 喷射火计算
加压气体泄漏时形成射流，如果在裂口处被点燃，形成喷射火。根据射流的方向，可以分成垂直喷射火和水平喷射火。
根据《化工企业定量风险评价导则》【5】AQT 3046-2013第9.2.3条 泄漏方向应根据设备安装的实际情况确定。如果没有准确的信息，泄漏方向宜设为水平方向，与风向相同。所以该企业液氨储罐的泄漏方向宜