ALOHA軟件在氯乙烯泄漏事故中的應(yīng)用與分析

黃浩祎，謝建林

(1.太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

我國的化工行業(yè)發(fā)展迅猛,其中化工行業(yè)所涉及的原料產(chǎn)品中易燃易爆的有毒有害物質(zhì)較多，在產(chǎn)品生產(chǎn)、儲存及原材料運輸過程中由于某些原因使得有毒有害物質(zhì)泄漏，造成人員中毒傷亡，引發(fā)火災(zāi)爆炸等事故時有發(fā)生。利用軟件模擬進行預(yù)測是一種有效且節(jié)省成本的方法，許多學(xué)者利用ALOHA軟件對事故進行模擬分析,模擬結(jié)果對現(xiàn)場的安全疏散工作有指導(dǎo)作用[1]。

ALOHA軟件最先應(yīng)用于美國，由美國環(huán)保署(EPA)及美國海洋大氣管理局(NOAA)聯(lián)合共同開發(fā)，在模擬化學(xué)品泄漏事故的范圍此軟件發(fā)揮了優(yōu)勢[2]。2000年起國內(nèi)學(xué)者開始引進ALOHA軟件方法，梁虎利用ALOHA軟件進行預(yù)測危險化學(xué)品在大氣中的擴散形狀和區(qū)域面積，并以圖的形象表示出擴散的濃度、影響范圍和其他信息[3]。相艷景等在環(huán)氧乙烷儲罐泄漏事故中使用ALOHA軟件模擬，分析了5種危險事故如中毒、閃火及火災(zāi)爆炸等，得出5種事故定量的傷害范圍[4]。閆潔潔等運用ALOHA軟件模擬結(jié)合公式計算的方法分別對液氯泄漏進行評估，結(jié)果表明ALOHA軟件在預(yù)測危害區(qū)域和敏感點濃度方面精度較高[5]。田水承、王春華、邵輝、焦姣、朱云峰等[6-10]分別針對氯乙烯、液氯、苯、液氨及環(huán)氧乙烷發(fā)生的泄漏事故使用ALOHA軟件進行不同事故的數(shù)值模擬，并根據(jù)結(jié)果對危險區(qū)域進行劃分，對廠區(qū)的布置規(guī)劃和應(yīng)急救援決策有著重要意義。N.S.Anjana等[11]使用ALOHA軟件預(yù)測氨泄漏的有毒性氣體影響距離，并結(jié)合GIS數(shù)據(jù)庫制定了相應(yīng)的救援方案。

本文以河北省某化工廠氯乙烯泄漏事故為背景，結(jié)合事故報告的信息對氯乙烯泄漏過程中所引起3種事故：有毒氣體擴散、蒸氣云爆炸熱輻射與沖擊波超壓范圍及沸騰液體擴展蒸氣云爆炸(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosions，BLEVE)范圍進行分析。通過Google Earth將泄漏危害區(qū)域在地圖中呈現(xiàn)出來，得到泄漏事故的傷害范圍。針對泄漏事故影響范圍提出風(fēng)險控制措施及建議，以期通過預(yù)測事故的范圍提高風(fēng)險管控的能力。

1 氯乙烯的性質(zhì)與泄漏事故類型

1.1 氯乙烯的性質(zhì)

氯乙烯是可燃性氣體，無色有特殊芳香氣味，液化氯乙烯屬于甲A液化烴類可燃物質(zhì)，爆炸極限范圍是3.6%～33%[12]。氯乙烯具有毒性，吸入該氣體后會產(chǎn)生麻醉作用，濃度過高可致人立即死亡[13]。氯乙烯的性質(zhì)如下表1所示。

表1 氯乙烯的性質(zhì)

1.2 氯乙烯儲罐泄漏事故類型

氯乙烯儲罐在發(fā)生泄漏后，泄漏物質(zhì)與空氣迅速結(jié)合，在未遇到火源的情況下，毒性氣體擴散造成中毒事故；若混合氣體在擴散途中遇到明火，會發(fā)生火災(zāi)爆炸事故[14]。本文背景事故中未發(fā)生池火災(zāi)與噴射火事故，因此對于池火災(zāi)與噴射火事故本文不予考慮,文章僅對有毒氣體擴散、蒸氣云爆炸范圍及沸騰液體擴展蒸氣云爆炸(BLEVE)3種事故范圍進行分析。

2 數(shù)學(xué)模型介紹

通過對廠區(qū)內(nèi)氯乙烯泄漏事故進行分析，主要研究泄漏過程引發(fā)的氣體擴散、蒸氣云爆炸以及沸騰液體擴展蒸氣云爆炸事故，所涉及的數(shù)學(xué)模型有流體力學(xué)的相關(guān)數(shù)學(xué)模型、重氣擴散模型、氣體爆炸模型以及沸騰液體擴展蒸氣云爆炸模型，以下將詳細介紹文章所涉及的數(shù)學(xué)模型。

2.1 氣體擴散過程中的數(shù)學(xué)模型

本文中氯乙烯氣體擴散遵循無化學(xué)反應(yīng)的單項氣體多組分擴散的規(guī)律，在擴散的過程中涉及的流體力學(xué)方程主要包括：連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程、及組分守恒方程[15]。

(1)

(2)

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(4)

式中：ρ為氣體密度，uj為x、y、z方向速度分量，P為壓力，ut為流體湍流粘度，gi為x、y、z方向重力加速度，T為流體的溫度，σT為常數(shù)，一般取0.9～1.0，cp為混合物的定壓比熱，cpx為泄漏物的定壓比熱，cpa為大氣環(huán)境定壓比熱，D1為湍流的擴散系數(shù)。

2.2 重氣擴散模型

當氯乙烯儲罐處于特定的壓力和溫度下發(fā)生泄漏時，具有氣液二相流特征，在泄漏口附近會發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，液化的氯乙烯快速蒸發(fā)使得周圍空氣的溫度下降，與空氣形成混合物，混合氣體的密度大于空氣，氯乙烯的泄漏擴散會受到重力的作用，表現(xiàn)為重氣擴散。因此選用重氣擴散模型進行分析，其表達式如下所示:

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式中：c為泄漏物質(zhì)的質(zhì)量濃度，c0為中心位置泄漏物的質(zhì)量濃度m，b為水平范圍寬度m；Sy為大氣水平濃度比率，Sz為大氣垂直濃度比率，α為風(fēng)速廓線常數(shù)，z0為風(fēng)速廓線高度m，u0為z0高度上的實際風(fēng)速m/s，ux為x軸正方向的實際風(fēng)速m/s。

2.3 氣體爆炸模型

典型的蒸氣云爆炸傷害模型包括有TNT當量模型、TNO模型、CAM模型等[16]。本文選取TNT當量模型，模型計算式如下所示：

(8)

式中：WTNT為蒸氣云的TNT當量，wf為蒸氣云燃料的總質(zhì)量，a為蒸氣云爆炸效率因子，Qf為蒸氣云燃燒熱，QTNT為TNT的爆炸熱，取值為4.5 MJ/kg。

氣體爆炸后的沖擊波是以被引燃處為中心向四周擴散，氣體爆炸沖擊波超壓值計算式為：

(9)

(10)

式中：L為R處的爆炸特征長度；R為到火球中心的距離，Pi為R處的爆炸沖擊波的超壓值。

其中蒸氣云爆炸產(chǎn)生的熱輻射，計算模型如下所示：

(11)

式中：Q為熱劑量，bG為常量，取值2.04×104，M為火球消耗的燃料質(zhì)量。θ為火球的溫度，r為火球半徑，R為到火球中心的距離。

2.4 沸騰液體擴展蒸氣云爆炸

沸騰液體擴展蒸氣云爆炸事故發(fā)生的原因是裝有化學(xué)品的儲罐發(fā)生泄漏，導(dǎo)致液體泄漏，內(nèi)部的液體快速噴射至空中，并且一部分液體瞬間變?yōu)闅怏w，膨脹為由可燃液體蒸汽和未氣化的液滴組成的蒸氣云團，此時點燃會形成火球[17]。本文采用沸騰液體擴展蒸氣云爆炸火球靜態(tài)計算模型：

火球直徑：

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(13)

(14)

式中：mf為燃料質(zhì)量，Hc為單位質(zhì)量燃燒熱，R為燃燒熱輻射系數(shù)，τa為大氣傳輸率，干燥晴朗的天氣τa=1。

3 ALOHA軟件介紹及參數(shù)設(shè)置

3.1 ALOHA 模擬軟件簡介

ALOHA軟件是一款主要用于危險化學(xué)品泄漏事故后果風(fēng)險分析研究的軟件，軟件的數(shù)據(jù)庫包含近千種化學(xué)品信息，根據(jù)泄漏物質(zhì)、泄漏位置、大氣情況等信息，軟件通過對話框的形式，對輸入的場景信息進行提示，可以模擬化學(xué)品泄漏后的有毒氣體擴散、爆炸、閃火、噴射火等危險事故，在模擬結(jié)束后以圖表和文本的形式輸出相應(yīng)的計算結(jié)果，軟件主要操作步驟如下圖1所示。

圖1 ALOHA軟件模擬流程

3.2 ALOHA模擬參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)當?shù)貧庀蟛块T發(fā)布的數(shù)據(jù)，室外氣溫為-8 ℃，西北風(fēng)，風(fēng)速4 m/s,相對濕度18%。發(fā)生泄漏的氯乙烯儲罐為雙層鐘罩型結(jié)構(gòu)，儲罐底部水槽內(nèi)徑、中節(jié)內(nèi)徑及上段鐘罩內(nèi)徑分別為24.5、23.5、22.5 m，容積為5 000 m3，儲罐結(jié)構(gòu)尺寸示意如圖2所示。

圖2 氯乙烯儲罐尺寸示意圖

在模擬前，需要判斷泄漏類型是屬于連續(xù)泄漏還是瞬時泄漏，連續(xù)泄漏形成的氣云稱為云羽，瞬時泄漏形成的氣云稱為云團。根據(jù)事故的資料可判斷本文中的泄漏類型屬于連續(xù)泄漏，在軟件模擬時選擇連續(xù)泄漏類型作為模擬的前提。

假設(shè)泄漏發(fā)生位置為儲罐距離地面8.5 m處，泄漏孔徑為15 cm，充裝系數(shù)為80%。儲罐內(nèi)氯乙烯常溫儲存，儲存壓力為3 kPa。儲罐在軟件內(nèi)置的化學(xué)品數(shù)據(jù)庫中選擇氯乙烯。由于氯乙烯在實際的儲存中以液化后的形態(tài)儲存在儲罐中，當儲罐發(fā)生泄漏后，氯乙烯會以液態(tài)和氣態(tài)的混合狀態(tài)存在，本文僅研究氯乙烯泄漏后氣化的氣體擴散過程。

針對氯乙烯泄漏過程的有毒氣體擴散影響的范圍、蒸氣云爆炸熱輻射作用和沖擊波超壓范圍及沸騰液體擴展蒸氣云爆炸事故熱輻射范圍運用ALOHA軟件進行模擬，事故模擬結(jié)果結(jié)合Google Earth進行定量分析，針對泄漏事故影響范圍提出合理的警戒區(qū)域。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 有毒氣體擴散事故影響范圍模擬

氯乙烯氣體在泄漏后迅速與空氣結(jié)合，在未遇到火源的情況下形成大面積的有毒氣體區(qū)域，本文使用急性暴露指導(dǎo)濃度(Acute Exposure Guideline Level，AEGL)指標對氯乙烯儲罐泄漏過程產(chǎn)生的有毒氣體影響范圍進行劃分。急性暴露指導(dǎo)濃度值分3個等級：AEGL-1為輕度中毒區(qū)域，該區(qū)域中人員會出現(xiàn)不適等某些無癥狀喪失感覺的現(xiàn)象，但這種現(xiàn)象是暫時的，撤離該區(qū)域后身體可恢復(fù)正常；AEGL-2式中度毒性區(qū)域，暴露于這一毒氣環(huán)境的人員中會出現(xiàn)嚴重的對健康有害的影響，AEGL-3是高毒性區(qū)域，此區(qū)域的人員暴露于這一毒氣環(huán)境會出現(xiàn)危及生命的影響或者死亡[18]。泄漏孔徑的尺寸為15 cm，對有毒氣體擴散范圍進行模擬分析如圖3(a)所示，將有毒氣體擴散范圍在Google Earth進行擬合，結(jié)果如圖3(b)所示。

圖3 中毒事故影響范圍

氯乙烯儲罐泄漏點下風(fēng)側(cè)483 m范圍內(nèi)為三級致毒區(qū)(AEGL-3),該區(qū)域氯乙烯濃度高達13 392.86 mg/m3(4 800 ppm)以上，若無任何防護措施人員暴露于該區(qū)域，會產(chǎn)生麻醉感、重度中毒甚至因呼吸衰竭而死亡，故一旦發(fā)生泄漏事故，此范圍禁止人員停留，防止人員發(fā)生中毒死亡事故。二級致毒區(qū)域(AEGL-2)的邊界是下風(fēng)側(cè)1 000 m，該區(qū)域內(nèi)氯乙烯濃度達到3 348.21 mg/m3(1 200 ppm)以上，處于較危險水平，若不及時撤離暴露在該區(qū)域的人員會產(chǎn)生嘔吐、眩暈等中毒癥狀，該區(qū)域內(nèi)的人員需及時疏散撤離。一級致毒區(qū)域(AEGL-1)的影響范圍廣闊，邊界為下風(fēng)側(cè)2 500 m，應(yīng)設(shè)置警戒線禁止無關(guān)人員進入。

通過Google Earth將模擬結(jié)果進行擬合，如圖3(b)所示，嚴重傷害區(qū)域中泄漏儲罐南側(cè)20 m處有某省道,車輛來往密集，應(yīng)當立即禁止其他車輛進入此區(qū)域，避免攜帶火源造成不可逆轉(zhuǎn)事故。輕度傷害區(qū)域范圍大，其中包括村莊、農(nóng)田等區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)可能造成人員身體不適的情況，其中可能由于風(fēng)速、風(fēng)向及泄漏孔徑的增大使傷害區(qū)域范圍擴大，因此該區(qū)域內(nèi)應(yīng)當加強防范措施。

本文以下風(fēng)向500 m處人員密集場所為敏感點，研究氯乙烯氣體擴散對下風(fēng)向500 m處濃度變化如下圖4所示，其中紅色實線表示敏感點室內(nèi)外的濃度，黑色虛線表示敏感點室內(nèi)的濃度變化。

圖4 500 m處敏感點濃度變化

由圖4可見，從事故發(fā)生后，敏感點處的室外氯乙烯濃度在3 min 到10 min內(nèi)急劇上升，濃度約為12 555.80 mg/m3(4 500 ppm)，人員若暴露在此環(huán)境下會對身體造成嚴重損傷。該敏感點處室內(nèi)的氯乙烯濃度隨時間增加呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，約在32 min時達到AEGL-2等級對應(yīng)的3 348.81 mg/m3(1 200 ppm)。因此當氯乙烯泄漏時，處于這一區(qū)域的人員應(yīng)做好防護措施后進行撤離，以減少有毒氣體的造成的傷害。

4.2 蒸氣云爆炸熱輻射與沖擊波超壓范圍模擬

蒸氣云爆炸事故伴隨有沖擊波超壓和熱輻射這兩種破壞作用，沖擊波超壓的危險系數(shù)大于熱輻射。蒸氣云爆炸事故的熱輻射作用在ALOHA軟件模擬結(jié)果如圖5(a)所示，將模擬數(shù)據(jù)在Google Earth進行擬合，得到結(jié)果如圖5(b)所示。

圖5 蒸氣云爆炸事故熱輻射影響范圍

紅色警戒線約為231 m×200 m的扇形區(qū)域，氣體濃度大于60 267.86 mg/m3(21 600 ppm)，遇到火源會發(fā)生爆炸事故。橙色警戒區(qū)域約為面積561 m×280 m的區(qū)域，范圍超過氯乙烯儲罐所在的廠區(qū)，氣體濃度高于10 044.64 mg/m3(3 600 ppm)屬于爆炸事故潛在危險區(qū)。黃色警戒線范圍較大，最遠距離可達810 m，與第一警戒線和第二警戒線區(qū)域的氯乙烯濃度相比發(fā)生爆炸事故的可能性較小。圖中最外層的虛線范圍是由于一些不確定因素如風(fēng)速、風(fēng)向等會導(dǎo)致事故后果發(fā)生偏移，此界限的區(qū)域可能會受到影響，應(yīng)做好相應(yīng)的防護措施。

氯乙烯氣體泄漏后與空氣迅速發(fā)生混合，達到滿足爆炸的條件后，遇到火源即發(fā)生爆炸事故，沖擊波超壓區(qū)域會產(chǎn)生的強大氣流，具有強烈的破壞作用，其破壞程度見表2。ALOHA軟件對氣體爆炸沖擊波超壓范圍進行模擬分析，如圖6(a)所示，模擬結(jié)果在Google Earth中擬合，結(jié)果如圖6(b)所示。

表2 沖擊波超壓對人體傷害與建筑物破壞程度表

圖6 蒸氣云爆炸事故沖擊波影響范圍

紅色區(qū)域警戒線為r≈214 m 的圓形區(qū)域，覆蓋廠區(qū)及公路，超壓沖擊波超過 8.0 psi(1 psi=6.895 kPa)，會造成建筑物鋼筋骨架結(jié)構(gòu)和混凝土建筑物破壞，同時對人體會產(chǎn)生骨折等身體危害。橙色警戒線是以r≈298 m 為半徑的圓形區(qū)域，沖擊波壓力大于等于3.5 psi，此區(qū)域覆蓋部分農(nóng)田及村莊沖擊波壓力會使得部分建筑物破壞。黃色警戒線覆蓋面積較大，呈現(xiàn)以r≈621 m 為半徑的圓形區(qū)域，沖擊波壓力達到 1.0 psi以上，會引起建筑物玻璃破碎以致發(fā)生不安全事件發(fā)生。

4.3 沸騰液體擴展蒸氣云爆炸(BLEVE)范圍模擬

ALOHA軟件可以模擬沸騰液體擴展蒸氣云爆炸(BLEVE)事故發(fā)生后熱輻射的破壞范圍。其中導(dǎo)致人員死亡的熱輻射強度為10 kW/m2、重傷的熱輻射強度為5.0 kW/m2、輕傷的熱輻射強度2.0 kW/m2。由ALOHA軟件模擬結(jié)果如圖7(a)所示，將模擬結(jié)果在Google Earth進行擬合，結(jié)果如圖7(b)所示。

由模擬結(jié)果可得，發(fā)生事故后以泄漏點為中心，致命危險區(qū)域的范圍是800 m，該區(qū)域內(nèi)人員接觸熱輻射后可能會在發(fā)生死亡，可能造成燒傷的范圍為1 100 m，在2 000 m范圍內(nèi)人員接觸熱輻射60 s便會產(chǎn)生疼痛感。由于BLEVE爆炸產(chǎn)生的熱輻射傷害破壞力最強，因此罐區(qū)應(yīng)加強對儲罐的檢查。若發(fā)生泄漏事故，處置過程中禁止火源，將發(fā)生爆炸事故的可能性降到最低。

5 結(jié)論

通過ALOHA軟件對化工廠氯乙烯泄漏事故模擬分析，以本文在軟件中設(shè)定的基本參數(shù)為前提，得到以下結(jié)論：

(1)氯乙烯儲罐泄漏，有毒氣體擴散事故影響范圍劃分為3個級別：一級致毒區(qū)域(AEGL-1)的范圍為下風(fēng)側(cè)1 000～2 500 m;二級致毒區(qū)域(AEGL-2)的邊界為下風(fēng)側(cè)483 ～1 000 m;三級致毒區(qū)(AEGL-3)氯乙烯儲罐泄漏點下風(fēng)側(cè)483 m的范圍內(nèi)。

(2)蒸氣云爆炸事故熱輻射影響范圍的第1警戒線區(qū)域約占面積231 m×200 m，此區(qū)域遇到火源必然會發(fā)生爆炸事故；第2警戒線屬于潛在爆炸事故危險區(qū)面積為561 m×280 m；第3警戒線內(nèi)氯乙烯濃度低，發(fā)生爆炸事故的概率較小。蒸氣云爆炸的沖擊波影響范圍，紅色警戒線內(nèi)半徑約為214 m，橙色警戒線內(nèi)半徑約298 m 圓形區(qū)域覆蓋農(nóng)田及村莊，黃色警戒線半徑約621 m區(qū)域覆蓋面積較大。

(3)沸騰液體擴展蒸氣云爆炸事故，氯乙烯泄漏儲罐周圍800 m范圍內(nèi)的人員接觸熱輻射后有致命危險，可能造成人員燒傷的事故范圍為1 100 m，在2 000 m范圍內(nèi)人員接觸熱輻射60 s會產(chǎn)生疼痛感。