液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散危害范圍研究

吳潔，呂品，袁雄軍，潘曉菲

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232000；2常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引 言

有毒氣體泄漏是化學(xué)災(zāi)害事故之一，一旦發(fā)生，嚴(yán)重危害公共安全，造成大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1-2]，因此，對(duì)于危化品泄漏事故的危害研究顯得格外重要。?；沸孤┑难芯糠椒ㄖ饕性囼?yàn)和數(shù)值模擬[3]，其中，數(shù)值模擬具有成本低、考慮因素全面、計(jì)算過程快捷、適用范圍廣、結(jié)果形象直觀等優(yōu)點(diǎn)，成為研究的重要方法[4]。ALOHA是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)與環(huán)保署(EPA)聯(lián)合開發(fā)的，專門用于對(duì)?；沸孤┖笥卸居泻怏w擴(kuò)散以及火災(zāi)和爆炸產(chǎn)生的毒性、熱輻射、沖擊波進(jìn)行計(jì)算分析[5]的軟件。國(guó)外學(xué)者M(jìn)asoud Mehrabani等[6]利用ALOHA對(duì)汽車行業(yè)油漆車間廢稀釋劑轉(zhuǎn)移過程中的事故后果進(jìn)行建模，進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；E.Y.Sanchez等[7]運(yùn)用ALOHA對(duì)液氨泄漏場(chǎng)景進(jìn)行模擬，并對(duì)局部脆弱性進(jìn)行分析；國(guó)內(nèi)學(xué)者閆潔潔等[8]運(yùn)用ALOHA軟件模擬和公式計(jì)算兩種方法，對(duì)典型液氯泄漏事故的危害進(jìn)行量化評(píng)估；唐少佳等[9]對(duì)液氯泄漏事故后果風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，利用ALOHA和ArcGIS初步實(shí)現(xiàn)了危化品運(yùn)輸應(yīng)急支持系統(tǒng)的功能，為應(yīng)急輔助決策提供了一定的指導(dǎo)；沈陽[10]對(duì)核電事故發(fā)生后放射性污染物的擴(kuò)散模式進(jìn)行了討論，應(yīng)用ALOHA軟件進(jìn)行綜合分析計(jì)算與繪圖，研究結(jié)果對(duì)公共安全部門快速、有效地處置核事故具有重要的理論指導(dǎo)意義。本文通過各種因素對(duì)有毒氣體泄漏后造成的傷害范圍的影響，以及快速合理劃分警戒范圍研究，以期為事故預(yù)防和救援能夠提供有效的指導(dǎo)。

1 數(shù)值模型

1.1 計(jì)算模型

ALOHA提供的氣體擴(kuò)散模型有中性或者浮性氣體的高斯模型和DEGADIS重氣擴(kuò)散模型，考慮到液氨泄漏后立即汽化并在大氣中擴(kuò)散，氨氣分子量是17.3，相對(duì)密度小，屬于中性氣體，所以選擇高斯模型[11]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[12]

式中:c(x，y，z)為泄漏物質(zhì)在(x，y，z)點(diǎn)處的質(zhì)量濃度，mg/m3；u為風(fēng)速，m/s；Qm為泄漏源的物料質(zhì)量流量，kg/s;x，y，z為預(yù)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，m；H為有效源高，等于泄漏源高度和抬升高度之和，m；σx，σy，σz分別為x，y，z方向的擴(kuò)散參數(shù)，是排放源到計(jì)算點(diǎn)的下風(fēng)向距離和大氣穩(wěn)定度的函數(shù)，與煙羽的排放高度及地表粗糙度有關(guān)。

1.2 模擬參數(shù)設(shè)置

液氨罐位于電廠的西南角，距離其正東方向300 m處有居民區(qū)，這是距液氨罐最近的人員密集區(qū)，作為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。液氨存放區(qū)新建了2個(gè)150 m3的液氨球罐，單個(gè)罐存量60～90 t，充裝系數(shù)為0.8，存儲(chǔ)溫度-20 ℃,常壓儲(chǔ)罐。按照《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》(GB18218—2018)可查，氨的臨界量為10 t，因此，可判斷該項(xiàng)目構(gòu)成危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源[13]。

ALOHA需要輸入泄漏發(fā)生時(shí)的具體時(shí)間、地點(diǎn)、大氣環(huán)境和液氨存儲(chǔ)情況來進(jìn)行模擬計(jì)算。ALOHA運(yùn)算條件為環(huán)境溫度-73～65 ℃，相對(duì)濕度0～100%，風(fēng)速1～60 m/s。根據(jù)淮南氣象局資料，該地區(qū)年平均氣溫16.6 ℃，年極端最高氣溫38.9 ℃，最低氣溫-5.5 ℃，雨量適中，日照充足，年平均相對(duì)濕度75%，年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，年平均風(fēng)速2.6～3.0 m/s。假設(shè)在7月某日發(fā)生液氨儲(chǔ)罐泄漏，具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2 模擬分析

氨氣的ERPG-1體積分?jǐn)?shù)為2.5×10-5，人員暴露于此體積分?jǐn)?shù)下1 h，除了短暫的頭暈、嘔吐等不良反應(yīng)外，不會(huì)有其他不良影響的最大氨氣體積分?jǐn)?shù)；氨氣的ERPG-2體積分?jǐn)?shù)為1.50×10-4，人員暴露于此體積分?jǐn)?shù)1 h，不會(huì)對(duì)身體造成不可逆轉(zhuǎn)或其他更為嚴(yán)重傷害的最大氨氣體積分?jǐn)?shù)；氨氣的ERPG-3體積分?jǐn)?shù)為1.5×10-3，人員暴露于此體積分?jǐn)?shù)下1 h，不會(huì)出現(xiàn)危及生命健康或死亡的最大氨氣體積分?jǐn)?shù)[14]。選用ERPGs標(biāo)準(zhǔn)，模擬分析不同因素對(duì)液氨儲(chǔ)罐泄漏事故毒性危害的影響。

表1 計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters

2.1 初始條件影響

2.1.1 泄漏孔徑

考查儲(chǔ)罐泄漏尺寸與發(fā)生概率,發(fā)現(xiàn)0～3 cm的小孔泄漏事故發(fā)生概率較大，所以對(duì)這個(gè)范圍的泄漏孔徑與擴(kuò)散危害范圍進(jìn)行研究[15]。僅改變泄漏孔徑的大小，保持表1中其他基本數(shù)據(jù)不變，記錄60 min內(nèi)相對(duì)應(yīng)的ERPGs擴(kuò)散危害范圍，繪制關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 孔徑大小與ERPGs擴(kuò)散范圍的關(guān)系曲線Fig.1 Relation cures between pore size and diffusion distance of ERPGs

由圖1可知，液氨儲(chǔ)罐泄漏后的擴(kuò)散危害范圍受泄漏孔徑的影響較大，擴(kuò)散危害范圍隨著孔徑增大而擴(kuò)大。

2.1.2 泄漏位置

僅改變泄漏孔徑距儲(chǔ)罐底部的高低，保持表1中其他基本數(shù)據(jù)不變，取泄漏位置0～6.59 m(液氨球罐直徑6.59 m)，記錄60 min內(nèi)相對(duì)應(yīng)的ERPGs擴(kuò)散危害范圍，繪制關(guān)系曲線如圖2所示。

由圖2可知，隨著泄漏高度的增加，擴(kuò)散危害范圍不斷減小，當(dāng)泄漏高度增加時(shí)，在泄漏過程中液氨受到的壓力會(huì)隨之減小，泄漏速度會(huì)變慢，它的擴(kuò)散能力就會(huì)減弱，導(dǎo)致擴(kuò)散危害范圍縮小。泄漏高度4～5 m時(shí)擴(kuò)散危害范圍急劇減小，因?yàn)樾孤└叨任挥谝后w面之上(液面高度4.6 m)，液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散方式為氣相擴(kuò)散。

圖2 泄漏位置與ERPGs擴(kuò)散范圍的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves between leakage locations and ERPGs diffusion distance

2.1.3 初始條件的綜合影響

假設(shè)氨氣泄漏發(fā)生在液相環(huán)境中，通過上述模擬結(jié)果，擬合得出泄漏孔徑與泄漏位置耦合對(duì)泄漏擴(kuò)散傷害距離的關(guān)系式，

Z1=67.58+62 721.87X-31.84Y+

417 135.57X2+5.47Y2-1 174.06XY,

(2)

Z2=34.77+25 340.14X-17.11Y+

81 522.96X2+2.39Y2-217.24XY,

(3)

Z3=12.61+7 890.14X-6.69Y+

17 237.33X2+1.02Y2-57.24XY,

(4)

式中：Z1為ERPG-1傷害距離，m；Z2為ERPG-2傷害距離，m；Z3為ERPG-3傷害距離，m；X為泄漏孔徑大小，m；Y為泄漏位置，m。

孔徑大小和泄漏位置對(duì)泄漏擴(kuò)散危害范圍的影響如圖3所示。

圖3 孔徑大小和泄漏位置對(duì)泄漏擴(kuò)散危害范圍的影響Fig.3 Effect of aperture size and leakage locations on leakage spread damage distance

當(dāng)泄漏位置高度1 m、泄漏孔徑0.03 m時(shí)，帶入式(2)～(4)進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的ERPGs傷害距離，分別為2 263.06，847.11，257.44 m，帶入ALOHA軟件中進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為2 300，257，846 m，擬合度達(dá)到0.99，預(yù)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，在所考慮的條件范圍內(nèi)能較好地反映初始條件綜合影響與液氨擴(kuò)散范圍之間的關(guān)系。從圖3中也可以直觀地看出，初始條件的耦合影響、泄漏孔徑的大小對(duì)液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散危害范圍占據(jù)主導(dǎo)因素。

2.2 大氣條件因素影響

2.2.1 風(fēng)速

僅改變環(huán)境中的風(fēng)速，保持表1中其他基本數(shù)據(jù)不變，根據(jù)淮南市平均風(fēng)速，取風(fēng)速2～4 m/s，記錄60 min內(nèi)相對(duì)應(yīng)的ERPGs擴(kuò)散危害范圍，繪制關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 風(fēng)速與ERPGs擴(kuò)散范圍的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves between wind speed and ERPGs diffusion distance

由圖4可知，風(fēng)速的增大導(dǎo)致擴(kuò)散危害范圍逐漸減小，這是由于不斷增大的風(fēng)速增加了空氣的湍流速度，加快了對(duì)氣云的稀釋作用，導(dǎo)致液氨的擴(kuò)散危害范圍減小。

2.2.2 環(huán)境溫度

僅改變環(huán)境中的溫度，保持表1中其他基本數(shù)據(jù)不變，根據(jù)淮南市極端天氣溫度，取溫度-10～45 ℃，記錄60 min內(nèi)相對(duì)應(yīng)的ERPGs擴(kuò)散危害范圍，繪制關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 溫度與ERPGs擴(kuò)散范圍的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves between temperature and ERPGs diffusion distance

由圖5可知，溫度的升高在一定程度上影響了液氨儲(chǔ)罐泄漏的擴(kuò)散危害范圍，距離隨溫度升高小幅度增大。

2.2.3 大氣環(huán)境因素綜合影響

通過上述模擬結(jié)果，擬合得出風(fēng)速與環(huán)境溫度耦合對(duì)泄漏擴(kuò)散傷害距離的關(guān)系式，

Z1=9 868X2-0.01Y-827.05X+

3.85Y-0.35XY+2 849.45，

(5)

Z2=37.83X2-322.02X+

1.17XY+1131.87，

(6)

Z3=11.22X2-96.7X+0.38Y-

0.03XY+348.13，

(7)

式中：Z1為ERPG-1傷害距離，m；Z2為ERPG-2傷害距離，m；Z3為ERPG-3傷害距離，m；X為風(fēng)速，m/s；Y為環(huán)境溫度，℃。

風(fēng)速和溫度對(duì)泄漏擴(kuò)散傷害距離的影響如圖6所示。

圖6 風(fēng)速和溫度對(duì)泄漏擴(kuò)散傷害距離的影響Fig.6 Effect of wind speed and temperature on leakage spread damage distance

當(dāng)風(fēng)速2.8 m/s、溫度20 ℃時(shí)，帶入式(5)～(7)進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的ERPGs傷害距離，分別為1 360.76,546.28,171.3 m，代入ALOHA軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為1 400，545，171 m，擬合度達(dá)到0.96，預(yù)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，證明了擬合公式的實(shí)用性。

2.3 初始條件和大氣環(huán)境因素綜合影響

通過上述模擬結(jié)果，利用多元回歸分析擬合，得出初始條件和大氣環(huán)境因素綜合作用對(duì)泄漏擴(kuò)散傷害距離的關(guān)系式，

Z1=433.544+1.766T-146.826V+

43 636.458D-12.865H,

(8)

Z2=178.328+0.609T-58.639V+

17 339.583D-5.229H,

(9)

Z3=56.356+0.189T-18.319V+

5 422.917D-1.688H,

(10)

式中：Z1為ERPG-1傷害距離，m；Z2為ERPG-2傷害距離，m；Z為ERPG-3傷害距離，m；T為溫度，℃；V為風(fēng)速，m/s，D為泄漏孔徑大小，m；H為泄漏位置，m。

當(dāng)泄漏位置高度1 m、泄漏孔徑0.03 m，風(fēng)速2.8 m/s、溫度25 ℃時(shí)，代入式(8)～(10)進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的ERPGs傷害距離,分別為1 362.81,544.322 3,170.787 3 m，代入ALOHA軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為1 400，555，174 m，擬合度達(dá)到0.99，相對(duì)誤差2.65%，在所考慮的條件范圍內(nèi)該擬合公式能合理地反映出各因素與泄漏擴(kuò)散傷害距離的關(guān)系。

2.4 其他條件影響

2.4.1 地表粗糙度

選擇空曠地區(qū)與城市或森林區(qū)域做比較，保持表1中其他基本數(shù)據(jù)不變，如圖7所示。

圖7 不同地表粗糙度時(shí)的泄漏影響區(qū)域Fig.7 Leakage area maps for different surface roughness

由圖7可知，隨地表粗糙度的增加，擴(kuò)散危害范圍減小。由于障礙物的存在，阻礙了低濃度氣云的平流運(yùn)輸，地表粗糙度越大，阻礙效應(yīng)越明顯。為減小氨氣泄漏擴(kuò)散的危害范圍，可通過種植樹木來增加地表粗糙度。

2.4.2 時(shí)間

保持表1中其他基本數(shù)據(jù)不變，通過改變事故發(fā)生的時(shí)間段模擬液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散危害范圍。通過模擬發(fā)現(xiàn)，從太陽7∶00升起到19∶00落下，液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散影響區(qū)域如圖8(a)所示，夜間液氨儲(chǔ)罐泄漏擴(kuò)散影響區(qū)域如圖8(b)所示。

由圖8可知，即使在同一天發(fā)生液氨泄漏事故，晝夜之間的擴(kuò)散危害范圍也會(huì)有很大區(qū)別，夜間的擴(kuò)散范圍明顯比白天的大。在其他條件不變的情況下，夜晚的大氣穩(wěn)定度比白天的高，在白天，太陽照射使地表溫度升高，近地面的空氣受到溫度的影響，使近地面空氣密度降低，而高層大氣相對(duì)溫度較低，密度較大，易出現(xiàn)“頭重腳輕”現(xiàn)象，造成上下空氣層發(fā)生對(duì)流，這時(shí)大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，輸送的氨氣被稀釋，擴(kuò)散危害范圍減??；在夜間，剛好與白天相反，出現(xiàn)“腳重頭輕”現(xiàn)象，氣象學(xué)者稱之為“逆溫”，此時(shí)大氣穩(wěn)定度相對(duì)較高，近地面的氨氣越積越多，擴(kuò)散危害范圍增加，所以夜間發(fā)生氨氣泄漏的后果比白天更為嚴(yán)重。

圖8 晝夜液氨儲(chǔ)罐泄漏影響區(qū)域Fig.8 Day and night leakage impact area maps

3 最有利擴(kuò)散條件下液氨儲(chǔ)罐泄漏事故模擬

通過模擬結(jié)果，結(jié)合淮南市某電廠液氨儲(chǔ)罐區(qū)實(shí)地情況與當(dāng)?shù)卮髿鈼l件，選定液氨儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏的最有利擴(kuò)散條件。假定在夜里發(fā)生泄漏事故，泄漏孔徑3 cm，位置1 m，風(fēng)速2.6 m/s，東風(fēng)，溫度39 ℃，周圍環(huán)境空曠，將泄漏擴(kuò)散結(jié)果進(jìn)行實(shí)地?cái)M合，如圖9(a)所示。周圍居民區(qū)位于氨區(qū)的西面300 m處，事故發(fā)生時(shí)，擴(kuò)散區(qū)域直接波及到了該區(qū)，假設(shè)該區(qū)關(guān)注點(diǎn)的坐標(biāo)為(300，0)，圖9(b)為300 m處室內(nèi)外體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化。

如圖9所示，在60 min內(nèi)，第一警戒線區(qū)域內(nèi)為致命傷害區(qū)，該區(qū)域體積分?jǐn)?shù)超過ERPG-3水平，下風(fēng)向最遠(yuǎn)擴(kuò)散危害范圍420 m，此區(qū)域內(nèi)人員若無任何防護(hù)措施，暴露1 h會(huì)對(duì)生命造成威脅，為“死亡區(qū)域”。第二警戒區(qū)域內(nèi)為嚴(yán)重傷害區(qū)域，該區(qū)域體積分?jǐn)?shù)超過ERPG-2水平，下風(fēng)向最遠(yuǎn)擴(kuò)散危害范圍1 600 m，在此區(qū)域內(nèi)不采取防范措施，暴露1 h一般人群可能會(huì)經(jīng)歷不可逆轉(zhuǎn)的或其他更為嚴(yán)重的、持久的不良健康影響。第三警戒區(qū)域內(nèi)為輕度傷害區(qū)域，暴露在這一區(qū)域內(nèi)的人可能會(huì)有顯著的不適、刺激或某些無癥狀的非感染效應(yīng)。最外邊界區(qū)域是考慮了氨氣可能擴(kuò)散范圍。事故發(fā)生時(shí)關(guān)注點(diǎn)(300，0)正位于氨氣擴(kuò)散下風(fēng)向，室內(nèi)外體積分?jǐn)?shù)分別為1.330×10-3和2.75×10-3，此時(shí)該村莊的人員若無防護(hù)措施，則有可能危及到生命，氨區(qū)到村莊的安全防護(hù)距離明顯不足，應(yīng)擴(kuò)大安全距離。

圖9 氨氣泄漏后毒性危害范圍實(shí)地?cái)M合結(jié)果Fig.9 Field fitting results of toxicity range after ammonia leakage

4 結(jié) 論

(1)以淮南市某電廠為背景，運(yùn)用ALOHA軟件模擬在特定條件下發(fā)生液氨儲(chǔ)罐泄漏事故，結(jié)果表明：當(dāng)泄漏孔徑增大時(shí)，蒸汽云的擴(kuò)散危害范圍也隨之增大。當(dāng)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐有裂縫時(shí)，應(yīng)立即采取相應(yīng)的堵漏措施，防止孔隙變大；當(dāng)泄漏孔的位置距離罐體底部的位置上移時(shí)，泄漏的擴(kuò)散危害范圍隨之減小，這是因?yàn)樾孤毫﹄S著高度的增加而減小，當(dāng)處于氣相環(huán)境中時(shí)，擴(kuò)散危害范圍迅速縮小，所以當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)可以盡量使泄漏口朝上放置；風(fēng)速的增大加快了蒸汽云的的稀釋，進(jìn)而導(dǎo)致擴(kuò)散危害范圍減?。粶囟鹊纳呒觿×艘喊钡臄U(kuò)散；地表粗糙度越大，越阻礙氣體流動(dòng)，氨氣越難擴(kuò)散，為防止擴(kuò)散可以多種植樹木；夜間大氣穩(wěn)定度較白天要高，液氨儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏后，擴(kuò)散范圍比白天要廣，泄漏危害更大，企業(yè)應(yīng)該加強(qiáng)夜間巡查工作，保證各崗人員堅(jiān)守崗位。

(2)較為全面考慮到各因素對(duì)液氨泄漏擴(kuò)散的影響，擬合得到初始條件耦合因素和大氣條件耦合因素以及它們綜合作用對(duì)擴(kuò)散范圍的影響關(guān)系，并將擬合關(guān)系式進(jìn)行模擬，得到的擬合度分別為0.96，0.99和0.99，在應(yīng)急處置中可為相關(guān)工作人員的安全撤離提供參考依據(jù)。

(3)通過對(duì)液氨儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏后的規(guī)律研究，選取可能造成該企業(yè)液氨儲(chǔ)罐泄漏的最有利擴(kuò)散條件，根據(jù)實(shí)地?cái)M合結(jié)果可知，企業(yè)附近的村落與氨區(qū)的安全間距不足，應(yīng)該加大氨區(qū)與村落之間的距離，開展安全教育，加強(qiáng)宿舍員工自我保護(hù)意識(shí)，企業(yè)應(yīng)做好應(yīng)急救援規(guī)劃，定期進(jìn)行疏散逃生演練。

(4)通過ALOHA能快速劃分出液氨儲(chǔ)罐泄漏后的警戒范圍，它在?；饭芸嘏c應(yīng)急處置中起到非常重要的作用，可以推廣應(yīng)用。