基于ALOHA后果模擬的液氨泄漏事故應(yīng)急策略研究

郝騰騰 鄭 欣副教授 王慧宇

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

0 引言

液氨作為冷凍劑，常常被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的制冷系統(tǒng)中。隨著近幾年國(guó)內(nèi)工業(yè)迅速發(fā)展，使用液氨作為制冷劑的企業(yè)高達(dá)70%。可是由于我國(guó)涉氨企業(yè)在安全技術(shù)及安全管理等方面的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于氨制冷系統(tǒng)的擴(kuò)建速度，從而導(dǎo)致了液氨泄漏事故的頻繁發(fā)生。2010年福建寧德一制冷廠液氨泄漏引發(fā)中毒事故，采取泄漏點(diǎn)堵漏和水霧稀釋的應(yīng)急策略并對(duì)下風(fēng)向500人緊急疏散；2013年寶源豐禽業(yè)液氨泄漏引起火災(zāi)和爆炸，導(dǎo)致121人死亡，因存在中毒和爆炸隱患而擴(kuò)大警戒線，方圓1 000m人員緊急疏散。因此，開展液氨泄漏事故的應(yīng)急策略研究，對(duì)減少事故損失具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者利用有害大氣空中定位軟件(Areal Locations of Hazardous Atmospheres，ALOHA)對(duì)液氨泄漏事故進(jìn)行模擬。焦姣等利用ALOHA軟件對(duì)液氨泄漏造成的大氣擴(kuò)散、爆炸和火災(zāi)事故后果進(jìn)行模擬，得到各事故場(chǎng)景下的危害范圍；Sanchez等利用ALOHA軟件模擬液氨泄漏事故毒性危害區(qū)；Anjana等利用ALOHA來模擬氨泄漏事故，預(yù)測(cè)毒性危害距離，并結(jié)合GIS軟件進(jìn)行可視化處理。也有諸多學(xué)者針對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏事故應(yīng)急策略理論方面展開研究。胡憶偽對(duì)丙烯槽車突發(fā)泄漏事故進(jìn)行應(yīng)急處置分析，提出一套危險(xiǎn)化學(xué)品槽車泄漏應(yīng)急處置方法；楊春生等對(duì)化學(xué)品泄漏事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變程序進(jìn)行研究，結(jié)合CSTI和HAZMAT構(gòu)建出我國(guó)化學(xué)品泄漏應(yīng)變程序；周錦山對(duì)劇毒化學(xué)品泄漏事故應(yīng)急處置進(jìn)行了研究，對(duì)成立應(yīng)急救援組織和制定應(yīng)急救援預(yù)案有一定指導(dǎo)作用。

上述研究在開展ALOHA軟件模擬或危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏應(yīng)急處置時(shí)，很少有學(xué)者綜合考量液氨泄漏中毒和爆炸事故模擬結(jié)果并提出相應(yīng)的危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏事故應(yīng)急策略。本文利用ALOHA軟件模擬某化工廠液氨泄漏造成的中毒和爆炸事故后果，結(jié)合模擬及可視化結(jié)果進(jìn)行警戒區(qū)域劃分，提出應(yīng)急救援隊(duì)伍管控方案和下風(fēng)向居民應(yīng)急疏散的處置措施。研究結(jié)果可為今后液氨泄漏的應(yīng)急救援處置乃至其他危險(xiǎn)化學(xué)品的應(yīng)急救援策略提供理論依據(jù)。

1 基于ALOHA軟件的液氨泄漏模擬

ALOHA軟件自帶強(qiáng)大的化學(xué)品性質(zhì)數(shù)據(jù)庫以及用于評(píng)估化學(xué)品泄漏和蒸發(fā)速率的模型，能夠協(xié)助應(yīng)急人員預(yù)測(cè)與化學(xué)品泄漏有關(guān)的化學(xué)品泄漏危害區(qū)域、源強(qiáng)動(dòng)態(tài)變化以及敏感點(diǎn)的濃度變化。同時(shí)可以將模擬結(jié)果導(dǎo)入MARPLOT軟件中，該軟件可以在地圖上直觀地顯示有毒有害氣體泄漏危害影響范圍。因此，為了能夠快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)?；吩诖髿庵械臄U(kuò)散范圍和實(shí)際區(qū)域，有效地組織受影響區(qū)域人員疏散，避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，本文采取ALOHA軟件模擬和MARPLOH軟件圖像處理相結(jié)合方法。

液氨泄漏對(duì)人員造成傷害的主要是中毒事故，同時(shí)液氨爆炸和火災(zāi)事故中沸騰液體擴(kuò)展蒸汽爆炸(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion，BLEVE)事故造成的危害最為嚴(yán)重。因此，本文在研究液氨泄漏時(shí)同時(shí)考慮中毒和BLEVE事故，利用ALOHA軟件對(duì)某化工廠進(jìn)行液氨泄漏事故模擬。

1.1 參數(shù)設(shè)置與場(chǎng)景假設(shè)

ALOHA軟件含有的評(píng)估化學(xué)品泄漏和蒸發(fā)速率的模型包括高斯模型、蒸汽云爆炸、BLEVE火球等成熟的大氣擴(kuò)散、火災(zāi)、爆炸等模型。根據(jù)本文研究對(duì)象選擇高斯模型和BLEVE火球模型。

液氨泄漏事故的地理位置和周圍環(huán)境狀況按照實(shí)際情況設(shè)置，泄漏物質(zhì)選擇氨氣，狀態(tài)為液化氣，假設(shè)化工廠內(nèi)有2個(gè)同類型液氨儲(chǔ)罐，液氨充裝量為3t，儲(chǔ)罐基本參數(shù)，見下表。氣象條件參數(shù)參照當(dāng)?shù)亟?年夏季氣象數(shù)據(jù)設(shè)置，因?yàn)檫@些參數(shù)取值會(huì)直接影響到模擬結(jié)果的影響范圍大小。具體數(shù)值設(shè)置，見下表。

表 泄漏事故模擬基本參數(shù)表Tab. The based parameter table of leakage accident simulation

假設(shè)其中一個(gè)液氨儲(chǔ)罐罐體出現(xiàn)破裂導(dǎo)致大量液氨泄漏，氨氣與空氣混合形成可燃蒸汽云團(tuán)向下風(fēng)向擴(kuò)散引發(fā)中毒事故，若擴(kuò)散云團(tuán)遇火源導(dǎo)致廠內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故，從而導(dǎo)致另一罐體受熱發(fā)生BLEVE事故，考慮泄漏后即刻發(fā)生BLEVE事故和泄漏發(fā)生30min后發(fā)生BLEVE事故2種場(chǎng)景。其中小尹家窩堡位于距離液氨泄漏事故點(diǎn)下風(fēng)向2 000m處。

1.2 液氨泄漏后果模擬分析

1.2.1 大氣擴(kuò)散模擬

液氨泄漏后蒸發(fā)形成的氨氣與空氣混合形成有毒蒸汽云團(tuán)向下風(fēng)向擴(kuò)散，可能造成廠區(qū)內(nèi)部人員及下風(fēng)向的居民中毒。利用ALOHA軟件模擬大氣擴(kuò)散事故，選擇緊急響應(yīng)計(jì)劃指導(dǎo)濃度(Emergency Response Planning Guidelines，ERPG)作為毒性危險(xiǎn)區(qū)域圖的臨界濃度標(biāo)準(zhǔn)，并將圖像導(dǎo)入MARPLOH軟件得到毒性危險(xiǎn)區(qū)域可視化圖，如圖1。

圖1 毒性危害區(qū)域可視化Fig.1 Visualization of toxic hazard areas

通過模擬結(jié)果可知，致命傷害區(qū)(ERPG-3)擴(kuò)散至下風(fēng)向316m，嚴(yán)重傷害區(qū)(ERPG-2)擴(kuò)散至下風(fēng)向1 200m，輕度傷害區(qū)(ERPG-1)擴(kuò)散至下風(fēng)向3 000m。最外層邊界線區(qū)域考慮了氣體在風(fēng)力作用下可能轉(zhuǎn)移擴(kuò)散的范圍。其中，工廠和下風(fēng)向的農(nóng)田處于致命傷害區(qū)和嚴(yán)重傷害區(qū)范圍內(nèi)，下風(fēng)向的小尹家窩堡部分區(qū)域處于輕度傷害區(qū)范圍內(nèi)，但是整個(gè)村莊都處于最外層邊界區(qū)域內(nèi)。

1.2.2 BLEVE事故模擬

BLEVE事故會(huì)造成熱輻射、沖擊波和碎片等危害，其中對(duì)人體生命健康影響最嚴(yán)重的是熱輻射產(chǎn)生的傷害。因此，本文模擬了BLEVE事故熱輻射危害后果，如圖2。

圖2 BLEVE熱輻射危害區(qū)域可視化Fig.2 Visualization of thermal radiation hazard areas

通過模擬結(jié)果可知，BLEVE事故的致命傷害區(qū)半徑為120m，此區(qū)域60s內(nèi)火球產(chǎn)生的熱輻射值高于10Kw/m，會(huì)造成人員死亡；嚴(yán)重傷害區(qū)半徑為173m，此區(qū)域60s內(nèi)火球產(chǎn)生的熱輻射值在5～10Kw/m之間，會(huì)造成皮膚燒傷；輕度傷害區(qū)半徑為274m，此區(qū)域內(nèi)輻射值低于5Kw/m，但是長(zhǎng)時(shí)間停留在此區(qū)域會(huì)使人員有灼燙感。其中，致命傷害區(qū)主要在工廠內(nèi)部，嚴(yán)重傷害區(qū)涉及到廠外的農(nóng)田及長(zhǎng)德大街，輕度傷害區(qū)范圍擴(kuò)大至尚德大街。

蒸汽云團(tuán)在擴(kuò)散過程中會(huì)由于風(fēng)力和空氣的稀釋作用導(dǎo)致氨濃度值降低，選擇距離泄漏點(diǎn)下風(fēng)向120m處為目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)，利用ALOHA軟件模擬得到此點(diǎn)處氨濃度變化曲線，如圖3?？梢缘贸觯涸谛孤?0min后，該測(cè)試點(diǎn)的氨濃度值降低至輕度傷害值之下，其他目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)同樣出現(xiàn)此變化。則此時(shí)綜合考量中毒和爆炸事故類型時(shí)應(yīng)以BLEVE爆炸事故帶來的后果影響為主。

圖3 目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)氨濃度變化曲線Fig.3 Ammonia concentration change curve at the target test point

2 液氨泄漏事故應(yīng)急策略

2.1 事故現(xiàn)場(chǎng)管制劃分原則

事故現(xiàn)場(chǎng)通常劃分為冷區(qū)、暖區(qū)、熱區(qū)和除污區(qū)。以ALOHA軟件事故模擬結(jié)果為依據(jù)，綜合考量中毒和爆炸事故后果提出該企業(yè)氨泄漏事故現(xiàn)場(chǎng)警戒區(qū)劃分和應(yīng)急隊(duì)伍安排策略，指導(dǎo)氨泄漏應(yīng)急救援工作的有效開展，并根據(jù)事故傷害形式進(jìn)行人員防護(hù)工作指導(dǎo)。

(1)根據(jù)ALOHA模擬結(jié)果，將事故現(xiàn)場(chǎng)氨濃度值達(dá)到致命傷害值的區(qū)域設(shè)置為第一警戒區(qū)域，目的是保護(hù)事故現(xiàn)場(chǎng)，撤離現(xiàn)場(chǎng)人員以及處理泄漏源。此區(qū)域內(nèi)的搶險(xiǎn)救援工作由搶險(xiǎn)組承擔(dān)，搶險(xiǎn)組應(yīng)包括消防官兵及專業(yè)搶險(xiǎn)隊(duì)員。此區(qū)域具有的高蒸汽壓、高毒性化學(xué)物質(zhì)和熱輻射會(huì)致人死亡，因此搶險(xiǎn)組成員在此區(qū)域救援時(shí)要實(shí)施一級(jí)個(gè)體防護(hù)。搶險(xiǎn)組主要任務(wù)是設(shè)置第一警戒區(qū)隔離帶，進(jìn)行人員解救和疏散及泄漏設(shè)備搶修，并用水稀釋中和事故現(xiàn)場(chǎng)泄漏物質(zhì)，防止高濃度氨氣繼續(xù)向下風(fēng)向擴(kuò)散。

(2)事故現(xiàn)場(chǎng)氨濃度值到達(dá)嚴(yán)重傷害值的區(qū)域設(shè)置為第二警戒區(qū)域，目的是控制污染物傳播。此區(qū)域的人員疏散和洗消工作應(yīng)由治安組成員承擔(dān)，下風(fēng)向泄漏物質(zhì)稀釋中和由搶險(xiǎn)組成員承擔(dān)。此區(qū)域氨濃度和熱輻射值相對(duì)降低但仍會(huì)對(duì)人體造成重大傷害，因此治安組成員要實(shí)施二級(jí)個(gè)體防護(hù)。此區(qū)域及第一警戒區(qū)的傷員和應(yīng)急救援人員需進(jìn)行洗消處理后才可離開，防止人員攜帶污染物造成污染擴(kuò)散。

(3)事故現(xiàn)場(chǎng)氨濃度值達(dá)到輕度傷害值的區(qū)域設(shè)置為第三警戒區(qū)域，目的是阻止無關(guān)人員及車輛進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)，避免救援作業(yè)受到影響。因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域相對(duì)安全，所以在泄漏點(diǎn)的上風(fēng)向和兩側(cè)風(fēng)向位置建立現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮部以及院前急救點(diǎn)。此區(qū)域人員不直接接觸有害液體且氨濃度值只會(huì)使人員產(chǎn)生輕微的不良健康反應(yīng)，因此應(yīng)急人員采取三級(jí)個(gè)人防護(hù)。院前急救點(diǎn)的主要任務(wù)是對(duì)中毒人員進(jìn)行急救處理，之后送至醫(yī)院進(jìn)行全面治療。

(4)治安組要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)指揮部的命令設(shè)置第二、三警戒區(qū)域的標(biāo)志牌和隔離帶。建立交通管制點(diǎn)，對(duì)進(jìn)出事故現(xiàn)場(chǎng)的人員和車輛逐一登記，并阻止無關(guān)人員和車輛進(jìn)出警戒區(qū)域。監(jiān)督進(jìn)入警戒區(qū)內(nèi)人員佩戴個(gè)人防護(hù)用品，同時(shí)公安部門還應(yīng)負(fù)責(zé)下風(fēng)向居民的緊急避難疏散工作，減少人員中毒。后勤組要保障水、個(gè)人防護(hù)用品等物品供給。

2.2 應(yīng)急處置措施

結(jié)合事故現(xiàn)場(chǎng)管制劃分原則和ALOHA軟件模擬事故后果，繪制液氨泄漏事故現(xiàn)場(chǎng)管制示意圖，如圖4。

圖4 事故現(xiàn)場(chǎng)管制圖Fig.4 Accident site control map

當(dāng)中毒事故與BLEVE事故同時(shí)發(fā)生時(shí)，綜合考量事故模擬結(jié)果，根據(jù)劃分原則，第一警戒區(qū)為下風(fēng)向擴(kuò)散半徑316m和上風(fēng)向BLEVE事故半徑173m范圍內(nèi)區(qū)域，第二警戒區(qū)為第一警戒區(qū)外下風(fēng)向擴(kuò)散半徑1 200m和BLEVE事故半徑274m范圍內(nèi)的區(qū)域，第三警戒區(qū)是第一、二警戒區(qū)域外半徑為3 000m范圍內(nèi)的區(qū)域，根據(jù)毒性危害區(qū)域的最外層邊界確定疏散區(qū)范圍。

根據(jù)1.2節(jié)分析，中毒事故30min后發(fā)生BLEVE事故，則在綜合考量下第一警戒區(qū)為半徑120m范圍內(nèi)區(qū)域，第二警戒區(qū)為第一警戒區(qū)外半徑173m范圍區(qū)域，第三警戒區(qū)為第一、二警戒區(qū)域外半徑為274m范圍內(nèi)的區(qū)域，其事故管制圖在圖4基礎(chǔ)修改即可。

搶險(xiǎn)組除了進(jìn)行人員搶救和工程救險(xiǎn)外，還要做好現(xiàn)場(chǎng)防火工作，避免二次火災(zāi)和爆炸事故發(fā)生。如圖4所示，為提高應(yīng)急救援效率，事故現(xiàn)場(chǎng)指揮部設(shè)置在上風(fēng)向龍翔賓館處，院前急救點(diǎn)分別設(shè)置在上風(fēng)向宏鑫賓館處和側(cè)風(fēng)向尚德大街上。事故現(xiàn)場(chǎng)救援時(shí)，治安組應(yīng)在第三警戒區(qū)邊界與長(zhǎng)德大街和尚德大街的交會(huì)位置設(shè)置交通管制點(diǎn)，將洗消通道布置在第二警戒區(qū)域內(nèi)的2條大街上。由于液氨泄漏具有可燃性和爆炸性，治安組應(yīng)嚴(yán)禁煙火、非防爆以及摩擦撞擊火花設(shè)備進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)。

2.3 應(yīng)急疏散措施

搶險(xiǎn)組負(fù)責(zé)第一警戒區(qū)內(nèi)人員疏散任務(wù)，將中毒人員通過洗消通道迅速疏散至上風(fēng)向或側(cè)風(fēng)向的院前急救點(diǎn)進(jìn)行急救處理。治安組及其他相關(guān)部門負(fù)責(zé)疏散第二、三警戒區(qū)域內(nèi)人員。利用ALOHA軟件可以得到毒性擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)某位置處的氨氣濃度變化曲線，從而采取應(yīng)急疏散措施。通過圖4可以看出，下風(fēng)向第二警戒區(qū)內(nèi)為農(nóng)田區(qū)，若事故發(fā)生時(shí)為農(nóng)忙時(shí)節(jié)，需要對(duì)務(wù)農(nóng)人員進(jìn)行緊急疏散。由于農(nóng)田區(qū)沒有房屋建筑，因此該區(qū)域內(nèi)人員無法進(jìn)入室內(nèi)避難，只能緊急撤離。選擇距離泄漏點(diǎn)下風(fēng)向500m處為目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)，得到大氣氨氣濃度變化曲線，如圖5。由圖5可知，大氣中的氨氣濃度迅速超過ERPG-2，并持續(xù)15min，在此時(shí)間段內(nèi)會(huì)對(duì)此區(qū)域內(nèi)人員造成嚴(yán)重中毒傷害，因此，治安組人員要實(shí)施二級(jí)個(gè)體防護(hù)，指導(dǎo)農(nóng)田區(qū)的務(wù)農(nóng)人員向泄漏點(diǎn)兩側(cè)風(fēng)向位置迅速撤離并到院前急救點(diǎn)進(jìn)行身體檢查。

圖5 第二警戒區(qū)目標(biāo)處氨濃度變化曲線圖Fig.5 The change curve of ammonia concentrationat the target point in the second warning area

由圖4可知小尹家窩堡處于第三警戒區(qū)域內(nèi)，由圖1可知，小尹家窩堡處于有毒氣體擴(kuò)散的輕傷區(qū)。選取小尹家窩堡內(nèi)距離泄漏點(diǎn)下風(fēng)向2 000m處作為目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行模擬，如圖6。通過分析曲線變化，可知擴(kuò)散前15min內(nèi)，房間內(nèi)的氨氣體積分?jǐn)?shù)一直增加，增加到9.16ppm后開始逐漸降低，但是一直處于ERPG-1之下；而戶外氨氣體積分?jǐn)?shù)在最初時(shí)間內(nèi)增加很快，約3min超過了ERPG-1并迅速增加到51.4ppm，但沒有超過ERPG-2和ERPG-3，15min后才降低至ERPG-1之下。

圖6 第三警戒區(qū)目標(biāo)處氨濃度變化曲線圖Fig.6 The change curve of ammonia concentrationat the target point in the third warning area

因此，在此次液氨意外泄漏的危機(jī)情況下，前15min內(nèi)是避難疏散的關(guān)鍵時(shí)間，應(yīng)將泄漏擴(kuò)散輕度傷害區(qū)的居民緊急安排到室內(nèi)進(jìn)行緊急避難，避難時(shí)要緊閉門窗，用濕毛巾捂住口鼻，然后在30min后室外氨濃度幾乎為0時(shí)進(jìn)行室內(nèi)通風(fēng)換氣，排除室內(nèi)有毒氣體。

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)設(shè)定液氨泄漏事故模擬可知，氨泄漏中毒影響范圍最遠(yuǎn)可達(dá)3 000m處；BLEVE事故主要引起熱輻射傷害，以爆炸處為中心，影響范圍半徑可達(dá)274m。

(2)對(duì)液氨泄漏事故應(yīng)急策略進(jìn)行研究，基于ALOHA軟件模擬后果，綜合考量中毒和爆炸事故后果提出事故現(xiàn)場(chǎng)管制區(qū)劃分原則：事故現(xiàn)場(chǎng)氨濃度值大于致命傷害值的區(qū)域設(shè)置為第一警戒區(qū)域；事故現(xiàn)場(chǎng)氨濃度值達(dá)到嚴(yán)重傷害值的區(qū)域設(shè)置為第二警戒區(qū)域；事故現(xiàn)場(chǎng)氨濃度值達(dá)到輕度傷害值的區(qū)域設(shè)置為第三警戒區(qū)域。同時(shí)提出各警戒區(qū)域應(yīng)急救援隊(duì)伍安排策略。

(3)當(dāng)中毒事故與BLEVE事故同時(shí)發(fā)生時(shí)，綜合考量中毒和爆炸事故模擬結(jié)果，第一警戒區(qū)是下風(fēng)向半徑316m和上風(fēng)向BLEVE事故半徑120m范圍內(nèi)的區(qū)域，第二警戒區(qū)最遠(yuǎn)可達(dá)1 200m，第三警戒區(qū)最遠(yuǎn)至3 000m；當(dāng)液氨泄漏30min后發(fā)生BLEVE事故，則可設(shè)置第一警戒區(qū)域半徑為120m，第二警戒區(qū)最遠(yuǎn)至173m，第三警戒區(qū)最遠(yuǎn)至274m。

(4)利用ALOHA軟件可模擬得到各個(gè)警戒區(qū)域內(nèi)的氨濃度變化曲線圖，觀察2個(gè)測(cè)試點(diǎn)室內(nèi)外氨濃度隨時(shí)間變化情況可知前15min是避難疏散的關(guān)鍵時(shí)間段。在此時(shí)間段內(nèi)，農(nóng)田區(qū)室外濃度會(huì)致人重傷，人員應(yīng)迅速撤離此區(qū)；小尹家窩堡室內(nèi)濃度一直低于輕傷濃度值，居民應(yīng)進(jìn)入室內(nèi)緊急避難。以此來指導(dǎo)避難疏散工作，可為現(xiàn)場(chǎng)指揮部節(jié)省決策時(shí)間并提高應(yīng)急救援效率。