基于ALOHA 軟件的某化工企業(yè)苯泄漏擴(kuò)散模擬研究

讓淑領(lǐng)

（北京中礦基業(yè)安全防范技術(shù)有限公司山東省分公司，山東 東營(yíng) 257100）

0 引 言

隨著我國(guó)石油化學(xué)工業(yè)的迅猛發(fā)展，化工企業(yè)的數(shù)量和規(guī)模逐漸增大，生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用，以及銷(xiāo)毀的危險(xiǎn)化學(xué)品的數(shù)量快速增多，其中相當(dāng)一部分是易燃、易爆、有毒及有害的化學(xué)品。

危險(xiǎn)化學(xué)品發(fā)生泄漏，不但會(huì)引發(fā)中毒、火災(zāi)甚至爆炸事故，還會(huì)引起民眾的恐慌情緒。危險(xiǎn)化學(xué)品泄露之后其擴(kuò)散范圍的確定直接影響現(xiàn)場(chǎng)人員的疏散。危險(xiǎn)化學(xué)品發(fā)生泄漏后應(yīng)在最短的時(shí)間內(nèi)確定有毒物質(zhì)的擴(kuò)散范圍，并將受威脅區(qū)域內(nèi)的人員進(jìn)行疏散，避免造成人員傷亡事故。

因此，如何根據(jù)危險(xiǎn)化學(xué)品的泄漏情況和事故情景，確定合理可信的影響區(qū)域，是危險(xiǎn)化學(xué)品事故疏散決策中需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

苯是一種碳?xì)溆袡C(jī)化學(xué)物，具有很大的揮發(fā)性質(zhì)，一旦暴露在空氣中很容易擴(kuò)散，人和動(dòng)物吸入或皮膚接觸大量苯進(jìn)入體內(nèi)，可能會(huì)造成慢性或急性苯中毒，同時(shí)苯對(duì)皮膚有刺激作用，能誘發(fā)人的染色體畸變，是致癌物質(zhì)。短期接觸苯、二甲苯會(huì)出現(xiàn)頭痛、惡心、嘔吐、神志模糊、知覺(jué)喪失、昏迷和抽搐等癥狀。

因此，在化工企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，一旦發(fā)生苯泄漏擴(kuò)散事故，極容易引起重大人員傷亡事故。

2015 年11 月5 日，浙江衢州巨化集團(tuán)苯庫(kù)4#苯槽的槽頂開(kāi)裂，蒸汽夾帶殘余苯泄漏，事故造成2 人死亡。

山東某新能源公司主要以生產(chǎn)柴油、汽油、丙烷、丙烯、氫和液化石油氣等，該公司在西北廠區(qū)北部建有成品油質(zhì)量升級(jí)項(xiàng)目配套罐區(qū)，罐區(qū)涉及的物質(zhì)有原油、石腦油、汽油、柴油、苯、甲苯、二甲苯和煤油。

本文以山東某新能源公司儲(chǔ)罐區(qū)的苯罐為研究對(duì)象，在特定的事故場(chǎng)景下，分析苯罐中的苯泄漏及擴(kuò)散過(guò)程及其影響范圍。

1 泄漏擴(kuò)散理論模型

易燃、易爆、有毒及有害的化學(xué)品一旦泄漏，在外部風(fēng)和內(nèi)部濃度梯度的作用下會(huì)沿地表面擴(kuò)散，擴(kuò)散模式可分為煙團(tuán)擴(kuò)散和煙羽擴(kuò)散兩種模式，氣體擴(kuò)散過(guò)程中在事故現(xiàn)場(chǎng)形成燃燒爆炸或毒害危險(xiǎn)區(qū)，變化或擴(kuò)大的危險(xiǎn)區(qū)增加了現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)救援工作的難度，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。大部分危險(xiǎn)化學(xué)品的泄漏都屬于瞬時(shí)泄漏，在瞬時(shí)泄漏過(guò)程中，常用的數(shù)學(xué)模型包括高斯模型和盒子模型，由于在處置危險(xiǎn)化學(xué)品事故應(yīng)急疏散過(guò)程中需要快速確定威脅區(qū)域，并不需要特別復(fù)雜和精確的擴(kuò)散模型。

因此，本文選擇高斯模型對(duì)苯在大氣中擴(kuò)散過(guò)程的模擬。

有毒有害氣體擴(kuò)散后果如圖1 所示。

圖1 有毒有害氣體擴(kuò)散后果Fig.1 Consequence of poisonous and harmful gas diffusion

當(dāng)泄漏氣體在平整的地面上方擴(kuò)散時(shí)，若不考慮化學(xué)反應(yīng)，危險(xiǎn)化學(xué)品也不發(fā)生沉降等現(xiàn)象時(shí)，則瞬時(shí)泄漏可以用高斯云團(tuán)模型來(lái)描述。在風(fēng)速、風(fēng)向不變的情況下，以風(fēng)向?yàn)閤 軸建立坐標(biāo)系，則氣體的濃度分布滿(mǎn)足方程式如下：

式中：C（x,y,z,t） 為空間坐標(biāo)系中一點(diǎn)（x,y,z） 在t時(shí)刻濃度，kg/m3；Q0為泄漏量，kg；u為環(huán)境風(fēng)速，m/s；σx、σy、σz為大氣擴(kuò)散參數(shù)，且σx =σy。若氣體在地面擴(kuò)散時(shí)，可以取z=0 平面，此時(shí)危險(xiǎn)化學(xué)品的濃度分布為：

因此，已知危險(xiǎn)化學(xué)品的泄漏量和環(huán)境參數(shù)，即可利用高斯云團(tuán)模型來(lái)計(jì)算平面內(nèi)任意一點(diǎn)（x,y） 和任意時(shí)間對(duì)應(yīng)的有毒有害氣體的濃度。

2 ALOHA 仿真模擬

2.1 ALOHA 軟件簡(jiǎn)介

有害大氣空中定位（Areal Locations of Hzadous Atmospheres，ALOHA） 是由美國(guó)環(huán)保署化學(xué)制品突發(fā)事件和預(yù)備辦公室、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理辦公室聯(lián)合開(kāi)發(fā)，可進(jìn)行由于危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏造成的有毒氣體云、可燃?xì)怏w云、噴氣火、池火和蒸氣云爆炸事故的風(fēng)險(xiǎn)建模，廣泛應(yīng)用于危險(xiǎn)化學(xué)品的事故應(yīng)急救援與處置。

ALOHA 的模型中包含有源強(qiáng)模型、毒性氣體擴(kuò)散模型、蒸氣云爆炸模型和熱輻射模型，并且軟件自帶大約1 000 種常用?；窋?shù)據(jù)庫(kù)，采用成熟的各類(lèi)火災(zāi)、爆炸等數(shù)學(xué)模型，可以模擬危險(xiǎn)化學(xué)品火災(zāi)、爆炸和中毒等事故后果，根據(jù)特定的事故場(chǎng)景預(yù)測(cè)事故的影響范圍，模擬得到火災(zāi)、爆炸或中毒事故的影響區(qū)域和嚴(yán)重程度。

對(duì)于特定的敏感點(diǎn)，可以根據(jù)建筑物的類(lèi)型、預(yù)測(cè)室內(nèi)或室外的有毒有害氣體濃度變化，了解事故的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

2.2 事故案例情景設(shè)定

ALOHA 軟件可以在特定的事故情境下，模擬危險(xiǎn)化學(xué)品的泄漏擴(kuò)散過(guò)程，并分析和評(píng)估收到危險(xiǎn)化學(xué)品威脅的區(qū)域。

本文設(shè)定的事故案例情景為山東某新能源公司成品油儲(chǔ)罐區(qū)的苯罐由于閥門(mén)破裂而發(fā)生苯泄漏事故，該企業(yè)的地理坐標(biāo)為（118.445 567，37.125 489），海拔為8.8 m。

事故發(fā)生的時(shí)間為2020 年5 月10 日上午10:00，天氣為晴轉(zhuǎn)多云，云層的覆蓋率約為25%，溫度為25 ℃，濕度為50%，風(fēng)速為3 m/s，風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)。

泄漏的苯罐擺放方式為豎直放置，苯罐的容積為5 000 m3，尺寸為直徑21 m、高度16.5 m，事故發(fā)生時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)的苯重量為3 000 t。

苯罐的泄漏點(diǎn)尺寸為2 cm 的圓形孔，泄漏點(diǎn)的位置為距離底部2 m。

此外，在廠區(qū)出后位置的值班室作為敏感點(diǎn)，用于分析值班室位置處的室內(nèi)、室外苯濃度變化規(guī)律，值班室相對(duì)于泄漏點(diǎn)的坐標(biāo)為（200，300）。

2.3 參數(shù)的設(shè)置

利用ALOHA 軟件對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品的泄漏擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行仿真建模時(shí)，需要在軟件中輸入關(guān)于氣體泄漏的各項(xiàng)細(xì)節(jié)信息如泄露孔徑、位置、容器形狀和容量、風(fēng)速、天氣濕度和地表形狀等。

本文根據(jù)設(shè)定的事故情景案例，在ALOHA 軟件中設(shè)置的具體參數(shù)如下。

（1） SiteData-Location Information：選擇SP，CHINA。

（2） SiteData-BuildingType：選擇SingleStoried building 和Unsheltered surroundings。

（3） SiteData-Date&Time：選擇Set a constant time，并在Input a constant date and time 中輸入2020.5.10 10：00。

（4） Setup-Chemical：選擇Pure Chemicals，在化學(xué)物質(zhì)列表中選中BENZENE 后，點(diǎn)擊Select選項(xiàng)；在Ground Roughness is 中，選擇Open Country，在Select Cloud Cover 中選擇partly cloudy。

（5） Setup-Atmospheric-User Input：風(fēng)速設(shè)置為3，單位選擇m/s，風(fēng)向設(shè)置為北風(fēng)，測(cè)量高度為3 m。

在Atmospheric Options 2 中，設(shè)置溫度為25，單位為 ℃， Inversion Height Options 選擇No Inversion，濕度設(shè)置為50%。

（6） Setup-Source-Tank：在Select tank type and orientation 中選擇Vertical 選項(xiàng)，在Enter two of three values 選項(xiàng)中，輸入罐體的直徑和長(zhǎng)度分別為21 和16.5，單位選擇meters。

在Chemical State and Temperature 對(duì)話(huà)框中，化學(xué)品的狀態(tài)選擇Tank contains liquid，在罐體溫度設(shè)置為Chemical stored at ambient temperature。

在Liquid Mass or Volume 對(duì)話(huà)框中，輸入儲(chǔ)罐中苯的體積為3000，單位選擇tons。

在Type of Tank Failure 選項(xiàng)中選擇Leaking tank, chemical is not burning and forms an evaporating puddle。

在Area and Type of leak 對(duì)話(huà)框中，選擇Circular Opening，在Opening diameter 中 輸 入50，單位選擇meters，并選擇泄漏方式為Hole。

在Heigh of the Tank Opening 對(duì)話(huà)框中，在The bottom of the leak is 中輸入2，單位為m。

在Puddle Parameters 對(duì)話(huà)框中，Select ground type 選擇Concrete。

（7） Setup-Calculation Options：選擇Use Heavy Gasdispersion only選項(xiàng)。

（8） Display-DsipalyOptions：選擇Metric units。

（9） Display-Threat at point：選擇Fixed Corrdinates，敏感點(diǎn)的坐標(biāo)為West（200），South（300）。

2.4 仿真模擬結(jié)果

對(duì)于特定的事故情景，在ALOHA 軟件中可以對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品事故的影響范圍進(jìn)行仿真模擬，在ALOHA 軟件中，危險(xiǎn)化學(xué)品事故對(duì)人員造成的傷害分3 個(gè)級(jí)別，分別是輕度傷害、嚴(yán)重傷害和重度傷害，不同危害程度對(duì)應(yīng)的極限值不同。

根據(jù)輕度傷害、嚴(yán)重傷害和中毒傷害3 種危害程度，從疏散的角度出發(fā)，將受威脅區(qū)域從內(nèi)到外劃分為緊急避難區(qū)、協(xié)助疏散區(qū)、引導(dǎo)疏散區(qū)和自主疏散區(qū)。

在事故的應(yīng)急救援過(guò)程中，可以根據(jù)仿真模擬結(jié)果確定應(yīng)急疏散方案，指揮受威脅人員有序撤離事故現(xiàn)場(chǎng)。

2.4.1 受威脅區(qū)域

本文針對(duì)特定事故情境下苯泄漏的過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，得到了如圖2 所示的泄漏擴(kuò)散威脅區(qū)域。受威脅區(qū)域范圍如圖2 所示。

圖2 受威脅區(qū)域范圍Fig.2 Scope of threatened area

由圖2 可以看出，緊急避難區(qū)的最大范圍與泄漏點(diǎn)的距離約為1.8 km，協(xié)助疏散區(qū)的最大范圍與泄漏點(diǎn)的距離約為5 km，引導(dǎo)疏散區(qū)的最大范圍與泄漏點(diǎn)的距離約為8.5 km，不同的威脅區(qū)域?qū)?yīng)的危險(xiǎn)有害氣體的最大濃度也不同。此外，考慮到風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和日照等條件的影響，使危害去發(fā)生偏移，在ALOHA 中采用虛線(xiàn)，顯示了偏移的范圍。

在苯泄漏事故發(fā)生之后，可以觀察苯泄漏整個(gè)過(guò)程中的變化強(qiáng)度，泄露源強(qiáng)度變化如圖3 所示。

圖3 泄露源強(qiáng)度變化Fig.3 Variation of leakage source intensity

由圖3 可以看出，從苯泄漏事故發(fā)生后的一個(gè)小時(shí)內(nèi)，苯濃度隨著蔓延距離之間的變化情況，由此可以判斷苯泄漏源的強(qiáng)度大小。

2.4.2 敏感點(diǎn)苯濃度變化規(guī)律

為了分析此次苯泄漏事故過(guò)程對(duì)某一局部地點(diǎn)的苯濃度變化情況，在距離泄漏點(diǎn)位置（90，200）方位的廠區(qū)門(mén)衛(wèi)室，設(shè)置一個(gè)苯濃度觀測(cè)點(diǎn)，觀察門(mén)衛(wèi)室內(nèi)外的苯濃度變化情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)苯濃度變化情況如圖4 所示。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)苯濃度變化情況Fig.4 Change of benzene concentration at monitoring points

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述的實(shí)例分析，可知ALOHA 軟件可以根據(jù)特定背景條件下危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏事故的危害程度進(jìn)行仿真模擬，得到該危險(xiǎn)化學(xué)品的泄漏范圍和影響區(qū)域，以及監(jiān)測(cè)指定地點(diǎn)的危險(xiǎn)有害氣體的濃度變化范圍。

通過(guò)改變不同的參數(shù)設(shè)置得到不同的仿真模擬結(jié)果，當(dāng)事故發(fā)生之后可以通過(guò)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，得到事故可能的影響范圍，為事故的人群疏散和應(yīng)急救援決策的制定提供技術(shù)指導(dǎo)，最大可能的降低事故造成的人員傷亡數(shù)量和經(jīng)濟(jì)損失。