SLAB模型参数优化及其应用研究

作者:熊发;曹井国;门晓晔;杨宗政 刊名:安全与环境工程 上传者:刘海燕

【摘要】SLAB模型是由典型的浅层模型演变而来的,适用于重气泄漏扩散的模拟。为提高该模型的适用性和精度,在天津临港经济区内进行了二氟一氯甲烷现场泄放试验,试验结果与理论分析显示了较好的一致性;在此基础上将目标函数与响应面最优化求解方法相结合,研究出一种新的模型参数优化方法,采用此方法对SLAB模型的大气稳定度和地表粗糙度两个环境参数进行优化;并以临港经济区为主体,应用优化后的SLAB模型对苯泄漏事故案例进行模拟,对事故危害区域进行划分,分析不同季节典型气候条件下事故的风险区域范围变化。结果表明:SLAB模型的地表粗糙度优化结果为0.32m,大气稳定度等级为C;发生在各个季节的重气泄漏事故都具有各自的特点,事故的影响范围差异性较大;该模型的应用可以为相关事故的应急指挥工作提供有针对性的指导。

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重气在化工和石油化工行业应用相当常见,几乎涉及生产、运输、储存等各个环节,例如苯、氯气(Cl2)、硫化氢(H2S)、液化天然气(LNG)等。重气一旦发生泄漏,会由于分子质量大(如CO2)、突发化学变化、自身温度低(如LNG)等原因形成重气云团[1]。多数重质气体属于危险气体,具有急性毒性、易燃易爆等特性,对人体和生态环境危害巨大。重气泄漏扩散过程的相关研究开始于20世纪70年代[2],随着毒性重气泄漏事故的不断增加,此方面的研究工作得到了更多关注。由于重气泄漏试验风险较大,用计算机模拟具有显著优越性,国内外已经开发出大量重气扩散的计算模型[3]。SLAB模型是由美国能源部(UnitedStatesDe-partmentofEnergy)的劳伦斯利弗莫尔国家实验室开发的,为适用于重气泄漏扩散模拟的大气扩散模型[4]。该模型是由典型的浅层模型演变而来,可对重气瞬间泄放、短时间泄放、持续泄放以及泄放后的扩散过程进行数值模拟,并能够处理地面蒸发池泄漏、水平喷射泄漏、垂直喷射泄漏和瞬间或短期蒸发池泄漏共计4种泄漏排放形式。该模型在使用时不考虑下垫面的地势起伏,地表粗糙度水平一般小于气云的垂直高度[5],并以守恒方程作为基本控制方程(包括质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分守恒),通过稳态烟羽模式、瞬变烟团扩散模式以及两者的组合来实现对各种不同泄漏形式的重气扩散过程模拟[6]。SLAB模型的数学表达式和参数是影响模拟结果的两个关键因素,尤其是模型参数的变化将会对模拟结果产生很大影响。因此,本文重点研究SLAB模型的参数优化方法,并以天津临港经济区为主体对该模型相关参数进行优化,进而探讨该模型在化工园区的应用方式。1现场重气泄放试验现场重气泄放试验在天津临港经济区内进行,泄放物质为二氟一氯甲烷(R22),试验时间为2014年11月3日上午,风向为西南偏南,相对湿度均值为17.6%,即时气温均值为18.4,风速均值为2.2m/s,属于二级风的范畴,大气稳定度为C级,模拟储罐泄漏事故发生后重质气云的扩散过程,以为模型的参数优化提供现场观测数据。1.1试验方法试验主要通过采集泄放开始后不同时间点的下风向各点位处的气体样品,并分析气体样品中的R22含量,其试验方法如下:1.1.1现场布置根据现场风向,确定空地的上风向某点为泄放点,在泄放点处设置支架,将成品罐装R22放置于支架上,调整泄放口高度为1.5m,并以泄放点为起点,分别在下风向5m、10m、20m、50m、100m处设置气体样品采集点。具体采样点布设情况见图1。1.1.2样品采集分别在泄放过程开始后的5min、10min、20图1采样点布设示意图Fig.1Schematicdiagramofthesamplingpointsmin、30min4个时间节点,对5个采样点位处的气体样品进行采集,样品采集点距离地面高度一律为0.5m,泄放持续时间为15min。1.1.3样品检测采用气相色谱顶空进样与ECD捕集连用的方法对气体样品进行检测。首先用纯R22气体进样,找到其出峰位置,并标定其峰面积与R22含量的对应关系,作出标准曲线;然后通过测定每个样品的峰面积,即可得出其R22浓度。1.2试验结果及分析各个采样点位处的R22浓度随时间的变化情况见图2。图2各个采样点位处R22浓度随时间的变化曲线Fig.2VariationcurvesofR22concentrationatallsamplingsiteswithtime注:1ppm=10-6,下同。由图2可以看出:各个采样点位处的R22浓度变化均为先升高后降低,曲线始末两

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