典型液氯泄漏危害的ALOHA軟件估算

閆潔潔，向曉東，霍艷霞

（1. 武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2. 南京南化建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210044）

典型液氯泄漏危害的ALOHA軟件估算

閆潔潔1，向曉東1，霍艷霞2

（1. 武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2. 南京南化建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210044）

以瞬時(shí)泄漏和連續(xù)泄漏兩種典型液氯泄漏事故為例，分別運(yùn)用ALOHA軟件和公式計(jì)算兩種方法對液氯泄漏危害進(jìn)行量化評估。估算結(jié)果表明：ALOHA軟件對泄漏毒物的危害區(qū)域和敏感點(diǎn)毒物濃度的預(yù)測結(jié)果均具有良好的精度；軟件模擬與公式計(jì)算的結(jié)果對于液氯瞬時(shí)泄漏的相對誤差僅為7%，對于連續(xù)泄漏的相對誤差為8%，二者均在可接受范圍內(nèi)。ALOHA軟件計(jì)算過程簡單、表達(dá)形象直觀，在泄漏事故應(yīng)急中具實(shí)用性。

ALOHA軟件模擬；液氯泄漏；危害區(qū)域分布

氯氣是化工生產(chǎn)的重要原料，可廣泛用于鹽酸、農(nóng)藥、炸藥、塑料、橡膠、造紙、染料等生產(chǎn)工藝過程［1］。但氯氣是高毒性氣體，在使用、儲(chǔ)存過程中易發(fā)生泄漏，如處理不及時(shí)，將導(dǎo)致人員中毒甚至死亡。2000年至2004年國家安監(jiān)局發(fā)布的69起液氯泄漏事件報(bào)道中，急性中毒事故55起，占79.7%，中毒人數(shù)高達(dá)3 073人［2］。為了預(yù)防液氯泄漏危害，開展液氯泄漏風(fēng)險(xiǎn)的量化評估是必要的。

泄漏危害的量化分析方法有2種：公式計(jì)算和軟件模擬。軟件模擬具有快捷、方便、濃度場分布表達(dá)直觀等優(yōu)點(diǎn)，正得到越來越多的應(yīng)用［3］。實(shí)際上，軟件模擬結(jié)果是否可信一直是人們普遍關(guān)心的問題。

本工作以典型液氯泄漏事故為例，通過對ALOHA軟件模擬和公式估算結(jié)果的比較分析，檢驗(yàn)軟件模擬的可行性，以期為液氯泄漏事故的應(yīng)急處理提供依據(jù)。

1 泄漏危害的量化分析方法

1.1 公式計(jì)算法

1.1.1 瞬時(shí)泄漏估算模型

瞬時(shí)液氯泄漏危害區(qū)域采用世界銀行提供的地面點(diǎn)源瞬時(shí)排放模型進(jìn)行估算［4］，見式（1）。

式中：t為污染物的泄漏時(shí)間，s；x為下風(fēng)向距離，m；y為橫風(fēng)向距離，m；z為離地面的距離，m；ρ（x，y，z，t）為給定地點(diǎn)（x，y，z）和時(shí)間t的污染物質(zhì)量濃度，mg/m3；m為瞬時(shí)排放的物料質(zhì)量，mg；u為平均風(fēng)速，m/s；π為圓周率，3.14；δx，δy，δz分別為x，y，z軸方向的擴(kuò)散參數(shù)。

當(dāng)鋼瓶破裂時(shí)，瓶內(nèi)壓力降至大氣壓，處于過熱狀態(tài)的液氯的溫度迅速降至沸點(diǎn)并放出熱量，設(shè)物料泄漏時(shí)放出的熱量全部用于液體的蒸發(fā)，可得式（2）［4］。

式中：m0為容器中液氯充裝量即液氯泄露量，kg；T為泄漏時(shí)的環(huán)境溫度，K；T0為液氯的沸點(diǎn)，238.55 K；q為液氯的汽化熱，289 kJ/kg；c為液氯的比熱容，0.96 kJ/（kg·K）。

若只考察擴(kuò)散可能到達(dá)的軸方向最遠(yuǎn)點(diǎn)，即令y=z=0，且忽略在平均風(fēng)速下氯氣的自由擴(kuò)散，此時(shí)污染物的泄漏時(shí)間t=x/u，則式（1）可簡化為：

1.1.2 連續(xù)泄漏估算模型

由于液氯的沸點(diǎn)為238.55 K，且連續(xù)泄漏的泄漏量小，在環(huán)境溫度下可視為液氯泄漏后將瞬間氣化，其泄漏量可按照氣體的泄漏量計(jì)算［5］，計(jì)算式為：

式中：Qc為泄漏源強(qiáng)，kg/s；K為絕熱系數(shù)，1.330；Cd為氣體泄漏系數(shù)，1.00；A為裂口面積，m2；M為液氯的摩爾質(zhì)量，70.09 g/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；Tc為氣體溫度，K；Y為流出系數(shù)，1.0；p為容器內(nèi)介質(zhì)壓強(qiáng)，Pa。

由于液氯泄漏屬地面源，其排放高度（H，m）可視為0。取泄漏點(diǎn)為原點(diǎn)，與風(fēng)向平行方向?yàn)檩S線，有界高斯擴(kuò)散模型為［5］：

令H=0，得地面源的擴(kuò)散模式為：

令y=z=0，得泄漏點(diǎn)下風(fēng)向軸線濃度擴(kuò)散式為：

1.2 軟件模擬法

目前用于泄漏事件模擬的軟件主要有CFX，F(xiàn)LUENT，PHOENICS，SAFETI，SLAB，ALOHA等。其中，CFX，F(xiàn)LUENT，PHOENICS軟件均屬于CFD模型，側(cè)重于泄漏過程的模擬，計(jì)算過程較復(fù)雜［6］；SAFETI軟件在石油化工、油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)中應(yīng)用較多［7］；SLAB軟件適用于瞬時(shí)泄漏模擬，使用簡單、計(jì)算快速，但未考慮建筑物對濃度變化的影響［8］。與上述軟件相比，ALOHA軟件更適用于事故應(yīng)急處理研究，并且具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫支撐，操作相對簡便。

ALOHA軟件［9］是由美國環(huán)境保護(hù)署化學(xué)制品突發(fā)事件和預(yù)備辦公室、美國國家海洋大氣管理局共同開發(fā)的專門用于模擬危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏后果的軟件，現(xiàn)已成為危險(xiǎn)化學(xué)品領(lǐng)域事故災(zāi)害后果預(yù)測和事故應(yīng)急救援的重要工具。它具有包含近千種常見危險(xiǎn)化學(xué)品的數(shù)據(jù)庫，能夠預(yù)測化學(xué)品泄漏危害區(qū)域、敏感點(diǎn)毒物濃度和泄漏源強(qiáng)隨時(shí)間的變化［10］。1.2.1 泄漏危害區(qū)域預(yù)測

ALOHA軟件根據(jù)事故地點(diǎn)信息、危險(xiǎn)化學(xué)品自身理化性質(zhì)和泄漏源狀況來模擬泄漏事故危害區(qū)域分布，模擬前期所需參數(shù)包括：地理位置信息（事故發(fā)生地的經(jīng)緯度、海拔高度）、周圍建筑類型及其覆蓋物、危險(xiǎn)化學(xué)品理化性質(zhì)、氣象條件（風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、云層覆蓋量、濕度等）、泄漏狀況、毒物的關(guān)注濃度等。

在ALOHA軟件中，毒物的關(guān)注濃度有急性暴露水平指南濃度（AEGL）、應(yīng)急反應(yīng)指南濃度（ERPG）、立即危害生命和健康濃度（IDLH）3種指標(biāo)［11］。AEGL是由美國國家咨詢委員會(huì)與國家研究委員會(huì)共同制定的急性暴露指標(biāo)，適用于突發(fā)性、短時(shí)間泄漏事故的危害影響評估；ERPG是由美國工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會(huì)針對空氣中有毒物質(zhì)制定的應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃中的指導(dǎo)濃度，是評估事故防范措施和應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃的工具；IDLH是由美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所針對工作場所工人防護(hù)用品的選用而制定的職業(yè)暴露濃度限值。此外，該軟件的用戶還可以根據(jù)需要自行設(shè)定關(guān)注濃度，對危害區(qū)域進(jìn)行預(yù)測。

ALOHA軟件中的預(yù)測模型包括高斯預(yù)測模型和重氣體模型兩部分，根據(jù)模擬氣體不同，用戶可自行選擇；用戶不確定時(shí)，可由軟件根據(jù)用戶設(shè)定的物質(zhì)來選擇。液氯擴(kuò)散屬于重氣體擴(kuò)散，軟件中以重氣體大氣擴(kuò)散的DEGADIS模型為基礎(chǔ)，其表達(dá)式為［12］：

式中：x，y，z為三維坐標(biāo)值，m；ρ為污染物質(zhì)量濃度，mg/m3；ρ0為表面中心線的污染物質(zhì)量濃度，mg/m3；b為煙羽水平均勻中心區(qū)的半寬度，m；Sy為水平濃度比例系數(shù)；Sz為垂直濃度比例系數(shù)；α為風(fēng)速廓線常數(shù)；z0為風(fēng)速廓線基準(zhǔn)高度，m；u為沿x軸方向的風(fēng)速，m/s；u0為z=z0時(shí)的風(fēng)速，m/s。

1.2.2 敏感點(diǎn)毒物濃度預(yù)測

敏感點(diǎn)是指泄漏源周圍的人員密集場所，如村莊、學(xué)校、醫(yī)院等。ALOHA軟件在用戶前期輸入所需參數(shù)、選取擴(kuò)散模型后，以泄漏點(diǎn)為圓心、下風(fēng)向方向?yàn)闄M坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，顯示指定濃度下危害區(qū)域分布情況，危害區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)濃度隨時(shí)間的變化也會(huì)相應(yīng)給出，用戶只需選擇該點(diǎn)坐標(biāo)即可。

2 算例與對比分析

軟件模擬法考慮因素全面，計(jì)算過程快捷，結(jié)果直觀形象、信息量大，能夠模擬一個(gè)連續(xù)完整的過程。現(xiàn)以液氯瞬時(shí)泄漏事故和連續(xù)泄漏事故模型為例，分別用公式計(jì)算和ALOHA軟件模擬兩種方法對危害距離及危害濃度進(jìn)行估算并作分析比較，以闡明ALOHA軟件模擬的有效性。

2.1 瞬時(shí)泄漏時(shí)危害區(qū)域的比較

選取某地液氯泄漏事故作為案例。該地點(diǎn)位于東經(jīng)115°0′、北緯31°22′，云層覆蓋量25%，環(huán)境溫度25 ℃，大氣濕度50%，西風(fēng)，風(fēng)速2.50 m/s，大氣穩(wěn)定度級別為D類。以m0=500 kg液氯鋼瓶泄漏為例，分別運(yùn)用瞬時(shí)泄漏估算模型和ALOHA軟件計(jì)算液氯半致死質(zhì)量濃度850 mg/m3的下風(fēng)向最大擴(kuò)散距離。

2.1.1 公式計(jì)算法

由式（2）計(jì)算可得，m=98 kg；將m=98 kg和ρ=850 mg/m3代入式（3），得到δy2δz=1.46×104m3；查Briggs擴(kuò)散參數(shù)表得到D類大氣穩(wěn)定度下的擴(kuò)散參數(shù)表達(dá)式δy=0.08x（1+0.000 1x）0.5，δy=0.06x（1+0.001 5x）0.5；利用試差法求得下風(fēng)向距離x=437 m。即當(dāng)泄漏量為500 kg時(shí)，由公式計(jì)算得到的半致死質(zhì)量濃度850 mg/m3的下風(fēng)向最大擴(kuò)散距離為437 m。

2.1.2 軟件模擬法

ALOHA軟件不僅可以確定危險(xiǎn)距離，而且可以確定危險(xiǎn)邊界。依上例，用ALOHA軟件模擬可得泄漏量500 kg時(shí)半致死濃度850 mg/m3的分布區(qū)域，得危害區(qū)域分布圖，見圖1。由圖1可見，在近似橢圓形的紅色區(qū)域內(nèi)，氯氣的濃度均大于關(guān)注濃度。圖1中的外輪廓線為置信度邊界［13］，表示在擴(kuò)散過程中，風(fēng)向可能發(fā)生一定程度的偏移，使影響范圍有所擴(kuò)大。ALOHA軟件模擬得到的下風(fēng)向最大擴(kuò)散距離為462 m，僅比公式計(jì)算結(jié)果高約5%。

圖1 危害區(qū)域分布圖

為進(jìn)一步判定ALOHA軟件的準(zhǔn)確性，分別用公式計(jì)算法和軟件模擬法得到不同泄漏量時(shí)的下風(fēng)向最大擴(kuò)散距離，見圖2。

圖2 不同泄漏量時(shí)的下風(fēng)向最大擴(kuò)散距離

由圖2可見，ALOHA軟件模擬值與公式計(jì)算值非常接近，平均相對誤差為7%。對于事故應(yīng)急危害區(qū)域劃分而言，該偏差在可接受范圍內(nèi)。

2.2 連續(xù)泄漏時(shí)下風(fēng)向濃度的比較

算例參數(shù)為：東經(jīng)115°0′、北緯31°22′，云層覆蓋量25%，環(huán)境溫度25 ℃，大氣濕度50%，西風(fēng)，風(fēng)速2.75 m/s，大氣穩(wěn)定度級別為C類，泄漏直徑5 mm，泄漏質(zhì)量1 000 kg。

根據(jù)式（4）計(jì)算出連續(xù)泄漏源強(qiáng)Qc=1.619 kg/ s，根據(jù)Briggs擴(kuò)散參數(shù)表求得泄漏源下風(fēng)向500 m處的質(zhì)量濃度為137.4 mg/m3。

在ALOHA軟件中設(shè)定連續(xù)泄漏源強(qiáng)Qc=1.619 kg/s，泄漏時(shí)間10 min，其他條件在模擬前期用戶自行輸入，得到下風(fēng)向500 m處氯氣質(zhì)量濃度隨液氯泄漏時(shí)間的變化趨勢，見圖3。

圖3 下風(fēng)向500 m處氯氣質(zhì)量濃度隨液氯泄漏時(shí)間的變化

由圖3可見，最大質(zhì)量濃度為153.0 mg/m3，且持續(xù)時(shí)間與排放時(shí)間相接近；該模擬值略大于公式計(jì)算值，對液氯事故應(yīng)急是有利的。

上述事故條件不變，采用公式計(jì)算法和軟件模擬法得到不同下風(fēng)向距離的氯氣質(zhì)量濃度，見圖4。

圖4 不同下風(fēng)向距離的氯氣質(zhì)量濃度

由圖4可見：在下風(fēng)向2 000 m范圍之內(nèi)，ALOHA軟件模擬值略大于公式計(jì)算值；此后，隨下風(fēng)向距離的增大逐漸變?yōu)檐浖M值略小于公式計(jì)算值；ALOHA軟件模擬值與公式計(jì)算值的平均相對誤差為8%。事故應(yīng)急泄漏源下風(fēng)向2 000 m之內(nèi)一般為重點(diǎn)考慮防護(hù)區(qū)域，模擬值偏大更能確保危害區(qū)域內(nèi)的人員安全。

3 結(jié)論

a）ALOHA軟件對泄漏毒物的危害區(qū)域和敏感點(diǎn)毒物濃度的預(yù)測結(jié)果均具有良好的精度。計(jì)算實(shí)例表明：對于液氯瞬時(shí)泄漏，軟件模擬與公式計(jì)算結(jié)果的相對誤差僅為7%；對于連續(xù)泄漏的相對誤差為8%。二者均在可接受范圍內(nèi)，即無論是瞬時(shí)泄漏還是連續(xù)泄漏，ALOHA軟件的模擬結(jié)果都具有很好的準(zhǔn)確性。

b）與公式計(jì)算相比，ALOHA軟件有數(shù)據(jù)庫支撐，操作簡單，更為準(zhǔn)確快捷。模擬前期只需輸入氣象條件及泄漏基本條件，受主觀因素影響較小，結(jié)果形象直觀，在液氯泄漏事故應(yīng)急中更具實(shí)用性。

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（編輯 魏京華）

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Hazard Estimation of Typical Liquid Chlorine Leakage by ALOHA Software

Yan Jiejie1，Xiang Xiaodong1，Huo Yanxia2
（1. School of Resource and Environmental Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430081，China；2. Nanjing Chemical Construction Co. Ltd.，Nanjing Jiangsu 210044，China）

Taking instantaneous leakage and continuous leakage，the two typical liquid chlorine leakage accidents，as examples，the hazard of liquid chlorine leakage was quantitatively estimated by ALOHA software simulation and formula calculation respectively. The estimation results show that：ALOHA software simulation on leakage hazard has high accuracy in determining the hazard region and the sensitive point toxicant concentration values；The relative errors of ALOHA software simulation results to formula calculation results are only 7% for instantaneous leakage and 8% for continuous leakage，both of the results are within an acceptable range. In addition，because the calculation process is simple and the result expression is visual，ALOHA software is more applicable in the leakage accident emergency response.

ALOHA software simulation；liquid chlorine leakage；hazard region distribution

X507

A

1006 - 1878（2015）01 - 0069 - 05

2014 - 09 - 15；

2014 - 11 - 18。

閆潔潔（1990—），女，河南省濮陽市人，碩士生，電話 13667289475，電郵 981995890@qq.com。聯(lián)系人：向曉東，電話 15927613679，電郵 drxxd@163.com。