基于PHAST的化工園區(qū)液氨泄漏后果模擬分析研究

張景鋼，項(xiàng)小娟 ，索誠宇，王曉燕

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083 )

0 引言

氨是一種重要的化工原料，通常將氣態(tài)氨加壓或冷卻成液態(tài)氨，以達(dá)到方便運(yùn)輸和貯存的目的。它常作“冷凍劑”使用[1]。液態(tài)氨具有具備腐蝕性、毒害性、燃爆性且容易揮發(fā)的特點(diǎn)，且貯存液氨的容器壓力較高[1]，一旦泄漏，會(huì)以極快的速度向外擴(kuò)散，急速氣化的性質(zhì)會(huì)加快擴(kuò)散速度及范圍，在內(nèi)人員極易吸入氨氣，對(duì)人員造成嚴(yán)重傷害。在大量儲(chǔ)存液氨以及類似液體的化學(xué)工業(yè)園區(qū)中，如何有效分析其事故后果，將為事故預(yù)防奠定基礎(chǔ)[2-3]。當(dāng)前國內(nèi)外存在很多種風(fēng)險(xiǎn)分析的辦法和較多種類的分析軟件，例如美國道化學(xué)公司提出的“火災(zāi)、爆炸危害指數(shù)評(píng)價(jià)法”，日本勞動(dòng)省發(fā)布了“化工安全評(píng)估六階段法”。國內(nèi)引入安全系統(tǒng)工程相關(guān)理論之后，在吸收和轉(zhuǎn)化的過程中形成了安全檢查表、事故樹分析，故障種類與影響識(shí)別等[2]。PHAST 是一種多功能定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的計(jì)算軟件，可以分析計(jì)算泄漏事故的影響范圍和程度并產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的圖表，從而在已經(jīng)了解人員和資產(chǎn)的具體狀況下去算出來的職員的死亡概率與資產(chǎn)虧損的風(fēng)險(xiǎn)概率。評(píng)估成果可以以數(shù)值或者是圖片的方式去顯現(xiàn)事故的影響規(guī)模，以及個(gè)體與集體的風(fēng)險(xiǎn)值，還可以按照得出來的數(shù)值對(duì)有機(jī)會(huì)發(fā)生的事件進(jìn)行分層，這對(duì)于制訂減少風(fēng)險(xiǎn)的方法有很大的好處[3-5]。于是本文將利用PHAST軟件對(duì)化工園區(qū)的液氨泄漏后果進(jìn)行模擬及定量評(píng)價(jià)，明確當(dāng)液氨泄漏事件發(fā)生時(shí)的有效安全范圍，使現(xiàn)場工作人員完成有效的自救和事故控制，以保證工作人員的生命安全和減少企業(yè)的財(cái)產(chǎn)損失。

1 化工園區(qū)概況

1.1 廠房基本布置

本次進(jìn)行模擬的化工園區(qū)辦公室和儲(chǔ)存場所占地面積為22000 m2(包括加油站及高速公路服務(wù)區(qū)總占地面積55131.00 m2)，該園區(qū)儲(chǔ)罐區(qū)總儲(chǔ)量10400 m3，包括液氨儲(chǔ)量1000 m3(250 m3球形儲(chǔ)罐4個(gè))。廠房平面基本布置及液氨罐區(qū)布置如圖1和圖2所示。

圖1 企業(yè)平面布置圖

圖2 液氨儲(chǔ)罐區(qū)平面布置示意圖

1.2 自然條件

不同的自然條件對(duì)液氨泄漏造成的后果及影響與救援措施不一，通過觀察順風(fēng)距離、風(fēng)的流速和天氣狀況等要素對(duì)導(dǎo)致的災(zāi)難擴(kuò)散范圍有一定的了解，利用PHAST軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，再為儲(chǔ)罐區(qū)的地理位置選擇與氨氣、汽油、柴油罐的放置和編制自救逃生的辦法[6-8]。

本次進(jìn)行模擬的化工業(yè)園區(qū)地處丘陵，從北向南受膠東骨干地形影響，地勢傾斜，屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具體氣候特征見表1。

表1 化工園區(qū)氣候特征

1.3 園區(qū)液氨基本危險(xiǎn)預(yù)先性分析

根據(jù)該園區(qū)液氨儲(chǔ)罐實(shí)際運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)分析，安全風(fēng)險(xiǎn)主要有：

(1) 液氨儲(chǔ)罐的物理爆炸。

(2) 液氨儲(chǔ)罐氨泄漏引起的中毒、火災(zāi)和爆炸。

(3) 自然因素，如地震、雷擊等[9-11]。

表2 液氨儲(chǔ)罐預(yù)先危險(xiǎn)性分析

2 PHAST軟件介紹

DNV(挪威船級(jí)社)經(jīng)過多年的安全管理和技術(shù)評(píng)估的積累，開發(fā)了定量風(fēng)險(xiǎn)分析應(yīng)用于石化行業(yè)SAFETITM系列軟件，PHAST RISK(原名Safeti)定量風(fēng)險(xiǎn)分析軟件，是目前同類產(chǎn)品中最全面的軟件。PHAST RISK(包括PHAST)是指對(duì)陸地上油氣化工工藝設(shè)備推行量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的專門應(yīng)用在這個(gè)領(lǐng)域的軟件[4]。它能夠經(jīng)過大量的運(yùn)算得到不同類別風(fēng)險(xiǎn)的排列順序，然后把不多的人力和物力資源使減小高風(fēng)險(xiǎn)的舉動(dòng)。這個(gè)軟件已經(jīng)被大規(guī)模的使用[12]，主要表現(xiàn)在以下方面：

- 廠區(qū)選址、廠區(qū)設(shè)計(jì)和平面布置；

- 制定應(yīng)急救援計(jì)劃；

- 保證與法律法規(guī)的相符性；

- 提高安全意識(shí)；

- 進(jìn)行量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(QRA)。

PHAST RISK軟件的運(yùn)算里一共有四個(gè)不同的部分，它們分別是泄漏、風(fēng)險(xiǎn)、擴(kuò)散、燃燒后果和中毒后果[4]。通過輸入事故發(fā)生情況下的泄漏管道、泄漏方式、時(shí)間、環(huán)境影響因素等條件，可計(jì)算出液氨等易燃易爆氣體發(fā)生泄漏、爆炸等情況下的影響范圍和危險(xiǎn)程度，從而采取有效的措施進(jìn)行控制與處理，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[4-5]。

3 模擬參數(shù)設(shè)計(jì)和依據(jù)

通過參照本次模擬的實(shí)際化工園區(qū)的基本情況及歷史事故案例，由基本廠房布置、危險(xiǎn)區(qū)域和相關(guān)設(shè)置情況對(duì)模擬參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[13-15]，具體參數(shù)設(shè)置情況見表3和表4。

(1)模擬參數(shù)設(shè)置，見表3。

表3 各參數(shù)輸入數(shù)據(jù)

(2) 氨濃度和熱輻射的判據(jù)，見表4。

表4 火災(zāi)熱輻射的影響效應(yīng)

4 模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

4.1 氣體擴(kuò)散后中毒情況分析

氣體泄漏后戶外中毒、死亡概率、中毒劑量和戶外中毒劑量云際圖，如圖3～圖6所示。

圖3 氣體泄漏后中毒概率隨順風(fēng)距離變化趨勢圖

圖4 氣體泄漏擴(kuò)散后致死概率隨順風(fēng)距離變化趨勢圖

圖5 氣體擴(kuò)散后中毒劑量與順風(fēng)距離的關(guān)系

圖6 戶外中毒劑量云際圖

由圖3可知，在氣體泄漏后，順風(fēng)距離0～280 m范圍內(nèi)，中毒概率為5.7～10，其中中毒概率最高的距離為20～40 m；由圖4和圖5可知，在泄漏點(diǎn)順風(fēng)距離為14～214 m的時(shí)候中毒劑量和死亡概率都達(dá)到最高點(diǎn)，人員死亡率在此范圍內(nèi)可達(dá)到100%。綜合三個(gè)圖可知，在最高點(diǎn)之后，中毒的概率隨著距離增加而減小，一直到500 m以后中毒概率在安全范圍以內(nèi)，所以在發(fā)生泄漏之后，應(yīng)迅速逃離在500 m外，保證自身生命安全。由圖6可知，當(dāng)泄漏擴(kuò)散后，人員應(yīng)該往順風(fēng)方向的兩側(cè)逃生，避開中毒和死亡概率最大的范圍，做好自救。

4.2 噴射火影響范圍分析

氣體噴射火熱輻射以及強(qiáng)度半徑如圖7和圖8所示。

圖7 噴射火熱輻射值隨下風(fēng)向的變化

圖8 噴射火的強(qiáng)度半徑

圖7是噴射火的熱輻射數(shù)值隨著順風(fēng)風(fēng)向的變化而變化的關(guān)系圖。氣象條件的設(shè)定是常溫條件，觀察圖標(biāo)可以了解到，首先熱輻射值是隨著距離的增大而快速的增加，在最高點(diǎn)以后有一段時(shí)間保持穩(wěn)定的狀態(tài)，最后熱輻射值和距離成反比關(guān)系，也就是數(shù)值隨著距離的增大而減小。 泄漏過程中，在0～15 m的距離內(nèi)熱輻射值加速遞增，15～235 m時(shí)為穩(wěn)定狀態(tài)，處于最高值，當(dāng)輻射值達(dá)到4 kW/m2時(shí)輻射半徑為270 m，輻射值為12.5 kW/m2輻射半徑為320 m。

最后結(jié)合圖8和表4可知，在發(fā)生火災(zāi)的地點(diǎn)半徑320米內(nèi)不能設(shè)置有木材的設(shè)備，人體不能再此范圍待的時(shí)間超過10 s；在發(fā)生火災(zāi)的地點(diǎn)半徑為270米內(nèi)，對(duì)設(shè)備沒有影響，人體不能在此范圍待的時(shí)間超過20 s。

4.3 早期爆炸的影響分析

氣體早期爆炸影響分析如圖9～圖10所示。

圖9 儲(chǔ)罐缸體破裂早期爆炸超壓距離圖

圖10 儲(chǔ)罐缸體破裂早期爆炸半徑圖

爆炸影響范圍結(jié)果，見表5。

表5 早期爆炸影響范圍結(jié)果

由圖9和圖10可知，在爆炸地點(diǎn)1300 m范圍以外的區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域，在這個(gè)范圍里面，結(jié)合表5的分析結(jié)果可對(duì)相對(duì)應(yīng)的建筑物加強(qiáng)保護(hù)措施，制定應(yīng)急方案和現(xiàn)場救援方案，保證人們的生命安全不受到威脅。

5 結(jié)論

(1) 當(dāng)氨氣罐發(fā)生泄漏擴(kuò)散之后，現(xiàn)場的工作人員應(yīng)該及時(shí)的往順風(fēng)方向的兩側(cè)緊急散開，并且離開中毒和死亡概率的范圍做好自救。

(2) 當(dāng)發(fā)生泄漏到達(dá)一定程度會(huì)引發(fā)火災(zāi)，火災(zāi)熱輻射的影響范圍一般是以著火點(diǎn)為中心，呈圓形的方式向外擴(kuò)散，本次火災(zāi)模擬結(jié)果的最大影響半徑是320 m，在這個(gè)范圍以外都屬于安全區(qū)域。

(3) 由于泄漏引起爆炸的時(shí)候，離爆炸點(diǎn)1300 m以外屬于安全區(qū)域，1300～330 m屬于易燃易爆區(qū)域，應(yīng)該在這個(gè)范圍里面排除所有會(huì)導(dǎo)致燃燒和爆炸的物品，來保證作業(yè)人員的生命和財(cái)產(chǎn)的安全。

(4) 采用PHAST 軟件對(duì)氨氣泄漏事故進(jìn)行模擬，要注意其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)便是過程中的參數(shù)設(shè)置。在使用過程中必須做到結(jié)合實(shí)際情況及事故經(jīng)驗(yàn)，反復(fù)的對(duì)數(shù)據(jù)、結(jié)果進(jìn)行比較以保證實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的有效性和真實(shí)性，能夠與實(shí)際情況相符合。PHAST 軟件在對(duì)氨氣泄漏事故后果模擬上有很好的效果，能夠形象而又準(zhǔn)確有效的模擬事故影響范圍及程度，可為氨氣泄漏事故應(yīng)急救援和災(zāi)害防治提供有效的理論支持。