液氨儲罐泄露事故模擬分析與定量風(fēng)險評估

液氨儲罐泄露事故模擬分析與定量風(fēng)險評估*

周玉希1， 蔡治勇1， 王文松2**

(1.重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶401331；2.重慶大學(xué) 資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶400030)

摘要：以重慶市雙陽食品有限公司液氨儲罐為工程實(shí)例，采用重大危險源區(qū)域定量風(fēng)險評價軟件CASST-QRA V2.0，對液氨泄露事故后果進(jìn)行模擬計算，定量分析其對周邊環(huán)境所造成的風(fēng)險大小和可接受程度;研究成果不僅可對公司的安全管理和相關(guān)行政管理部門的安全監(jiān)督提供指導(dǎo)與依據(jù)，而且可為其他液氨儲罐的管理運(yùn)行提供借鑒。

關(guān)鍵詞：液氨；泄露；事故；定量風(fēng)險評估；模擬分析

doi:10.16055/j.issn.1672-058X.2015.0012.018

收稿日期：2015-05-06；修回日期：2015-07-22.

基金項(xiàng)目：*重慶科技學(xué)院研究生科技創(chuàng)新計劃項(xiàng)目(YKJCX2013015).

作者簡介：周玉希(1991-)，女，四川眉山人，碩士研究生，從事安全工程相關(guān)研究.

通訊作者：**王文松(1989-)，男，山東聊城人，博士研究生，從事安全工程、礦業(yè)工程相關(guān)研究.E-mail：sdgxwws@163.com.

中圖分類號：X506文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

液氨作為重要的工業(yè)原料和制冷劑，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。由于其使用條件惡劣，泄漏事故頻頻發(fā)生，加之液氨特有的理化性質(zhì)，常常導(dǎo)致人員傷亡、財產(chǎn)損失、環(huán)境污染和社會恐慌[1]。液氨儲罐等危化品儲存裝置日益增多，與此同時，重特大事故也不斷發(fā)生[2]。近年來，液氨泄露事故發(fā)生起數(shù)與傷亡人數(shù)都有顯著升高。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，2009年到2013年9月，發(fā)生液氨泄漏造成人員傷亡的事故達(dá)到16起，死亡140人，重傷21人，輕傷207人。其中，長春市寶源豐禽業(yè)有限公司液氨泄露爆炸事故，共造成121人死亡、76人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失1.82億元[3]。安監(jiān)總局將液氨列為首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險化學(xué)品[4]。因此，針對液氨儲罐泄漏而進(jìn)行的事故后果模擬和風(fēng)險評估分析具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，針對液氨泄露的研究已經(jīng)取得一些成果。杜喜臣[5]、孟凡亭[6]采用事故樹方法對液氨泄露原因進(jìn)行了分析，陳杰[7]對氨泄漏事故的后果進(jìn)行了分類研究，孫東亮[8]對液氨泄露擴(kuò)散模型進(jìn)行了分析與改進(jìn)，張杰[9]、顧建偉[10]對液氨儲罐泄露事故的影響范圍進(jìn)行了模擬分析，王洪德[11]分析了風(fēng)速、地表粗糙度、大氣穩(wěn)定度、泄漏速率等因素對液氨擴(kuò)散的影響。

定量風(fēng)險評價(簡稱QRA)也稱為概率風(fēng)險評價(PRA)，是一種對風(fēng)險進(jìn)行量化評估的技術(shù)[12-15]。方法以事故發(fā)生頻率和事故后果的乘積來對風(fēng)險進(jìn)行定量描述。目前，定量風(fēng)險分析已經(jīng)應(yīng)用在LPG[16]、LNG[17]等危險化學(xué)品儲罐的風(fēng)險評價中。

以重慶市雙陽食品有限公司液氨儲罐為工程實(shí)例，在現(xiàn)場勘查檢查和相關(guān)技術(shù)資料分析的基礎(chǔ)上，明確可能產(chǎn)生的事故類型和事故后果，采用重大危險源區(qū)域定量風(fēng)險評價軟件CASST-QRAV2.0，計算事故影響范圍，定量分析其對周邊環(huán)境所造成的風(fēng)險大小和可接受程度。研究成果不僅可對該公司的安全管理和相關(guān)行政管理部門的安全監(jiān)督提供指導(dǎo)與依據(jù)，而且可為其他液氨儲罐的管理運(yùn)行提供借鑒。

1工程概況

雙陽食品公司位于重慶市綦江區(qū)，凍庫面積約600m2，采用液氨制冷，制冷系統(tǒng)液氨采用常溫高壓儲存，儲罐設(shè)置在冷凍機(jī)房內(nèi)，儲罐容積為2 m3，最大使用儲存量為500 kg，使用壓力為1.8 MPa，設(shè)計壓力為2.0 MPa。凍庫位于場鎮(zhèn)內(nèi)部，周邊人口密集，周邊除分布有公司辦公樓、食品加工區(qū)、員工宿舍外，還有小學(xué)、初中、商業(yè)集市、銀行網(wǎng)點(diǎn)與普通居民區(qū)等人員密集場所。冷凍機(jī)房周邊50 m范圍內(nèi)約有130人，50～100 m范圍內(nèi)約有850人，100～250 m范圍內(nèi)約有650人。由于雙陽食品公司周邊人口較為密集，且存在中小學(xué)等環(huán)境敏感建筑物，液氨一旦泄露，造成的后果將非常嚴(yán)重。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，企業(yè)的應(yīng)急救援預(yù)案未進(jìn)行評審備案，預(yù)案內(nèi)容不符合相關(guān)規(guī)定要求，預(yù)案未與當(dāng)?shù)卣嚓P(guān)預(yù)案銜接，也未進(jìn)行演練，不能有效地控制液氨泄漏事故影響范圍和防止事故后果擴(kuò)大。

2液氨管道和儲罐泄露事故后果計算

2.1事故計算條件

液氨屬于無色有刺激性惡臭的氣體，泄漏后因自身熱量、地面?zhèn)鳠?、太陽輻射、氣流運(yùn)動等迅速蒸發(fā)，立即隨風(fēng)向向下風(fēng)向擴(kuò)散，可導(dǎo)致大面積內(nèi)人員、牲畜中毒事故。其短時間接觸容許濃度為30mg/m3，急性中毒濃度為500~700 mg/m3，死亡濃度為3 500~7 500 mg/m3。計算針對的危險源為液氨儲罐和管道，儲罐最大容積2 m3，計算儲存量500 kg，計算壓力1.8 MPa，附屬管道內(nèi)徑50 mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場考察結(jié)果，極端情況下的事故情景模式為靜風(fēng)條件下的管道完全破裂和容器整體破裂，最可能發(fā)生的事故情景模式為管道小孔泄露。小孔泄露一般是指孔徑管徑比小于0.2的泄露事故，其影響范圍隨孔徑的增大而增大[18-20]。從工程安全角度考慮，故小孔泄露計算孔徑為10mm。

2.2事故后果計算與分析

采用重大危險源區(qū)域定量風(fēng)險評價軟件CASST-QRAV2.0，對不同氣象條件下不同事故情景模式的后果進(jìn)行計算，得到以泄漏點(diǎn)為中心的人群死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑，見表1。

表1　液氨泄露事故影響范圍一覽表

事故后果隨事故情景和氣象條件的變化呈現(xiàn)出不同的影響范圍。液氨泄漏事故后果最嚴(yán)重將形成242 m的死亡半徑、294 m的重傷半徑和350 m的輕傷半徑，但發(fā)生的可能性小。發(fā)生事故可能性較大的事故模式為管道小孔泄漏。在靜風(fēng)條件下的死亡半徑為26 m、重傷半徑為39 m、輕傷半徑為53 m。死亡區(qū)域包括制冷機(jī)房、冷庫、周圍道路和南面的民居(約有居民30人)，重傷區(qū)域包括更遠(yuǎn)處的道路、公司辦公樓、食品加工區(qū)和部分民居，如圖1所示。

圖1　管道小孔泄漏事故后果圖

3液氨泄露事故區(qū)域定量風(fēng)險評估

3.1定量風(fēng)險評估的指標(biāo)和容許標(biāo)準(zhǔn)

定量風(fēng)險評估的指標(biāo)分為個人風(fēng)險和社會風(fēng)險[12-17]。個人風(fēng)險是指危險源造成某一固定位置人員死亡的概率，體現(xiàn)為風(fēng)險等值線，如圖2(a)所示。社會風(fēng)險為危險源引起大于等于N人死亡的所有事故的累積頻率F，用社會風(fēng)險曲線(F-N曲線)表示，如圖2(b)所示[21]。

圖2　定量風(fēng)險評估指標(biāo)示意圖

根據(jù)安監(jiān)總局相關(guān)規(guī)定，采用個人風(fēng)險容許標(biāo)準(zhǔn)和社會風(fēng)險容許標(biāo)準(zhǔn)分別見表2和圖3。社會風(fēng)險容許標(biāo)準(zhǔn)采用ALARP(As Low As Reasonable Practice)原則[22]，將風(fēng)險劃分為3個區(qū)域，即不可容許區(qū)、盡可能降低區(qū)(ALARP區(qū))和可容許區(qū)。

表2　個人風(fēng)險容許標(biāo)準(zhǔn)

圖3　社會風(fēng)險容許標(biāo)準(zhǔn)

3.2區(qū)域定量風(fēng)險計算

采用CASST-QRA V2.0進(jìn)行個人風(fēng)險和社會風(fēng)險的定量計算。具體模擬計算的條件見危險源描述圖(圖4)和氣象條件圖(圖5)。

圖4　危險源描述

圖5　氣象條件

3.3風(fēng)險計算結(jié)果

3.3.1個人風(fēng)險計算結(jié)果

雙陽食品公司液氨使用、儲存對周邊環(huán)境所導(dǎo)致的個人風(fēng)險計算結(jié)果如圖6所示。根據(jù)個人風(fēng)險容許標(biāo)準(zhǔn)，對處于個人風(fēng)險等值線1×10-6覆蓋范圍內(nèi)的居民區(qū)、辦公場所、集市、小型飯店內(nèi)的居民，其個人風(fēng)險不可接受。對于處于個人風(fēng)險等值線3×10-7覆蓋范圍內(nèi)的重慶市綦江區(qū)土臺學(xué)校小學(xué)部和初中部，其個人風(fēng)險不可接受。

3.3.2 社會風(fēng)險計算結(jié)果

雙陽食品公司液氨使用、儲存對周邊環(huán)境所造成的社會風(fēng)險曲線如圖7所示。社會風(fēng)險曲線處于可容許區(qū)和ALARA區(qū)，沒有進(jìn)入不可容許區(qū)。項(xiàng)目周邊居民發(fā)生400人以下死亡事故的累積風(fēng)險約為1×10-6/a，400～550人死亡事故的累積風(fēng)險約為5×10-7/a，550～600人死亡事故的累積風(fēng)險約為8×10-8/a，存在發(fā)生大量人員傷亡的重大事故風(fēng)險，但概率相對較低。

雙陽食品公司液氨使用、儲存對周邊環(huán)境所導(dǎo)致的社會風(fēng)險處于可容許的范圍之內(nèi)，但處于盡可能降低區(qū)，須采取相應(yīng)的安全措施，以降低社會風(fēng)險。

圖6　個人風(fēng)險計算結(jié)果

圖7　社會風(fēng)險曲線計算結(jié)果

4結(jié)論與建議

4.1評估結(jié)論

公司液氨泄漏事故后果最嚴(yán)重將形成242 m的死亡半徑、294 m的重傷半徑和350 m的輕傷半徑。發(fā)生事故可能性較大的事故模式為管道小孔泄漏，在靜風(fēng)條件下的死亡半徑為26 m、重傷半徑為39 m、輕傷半徑為53 m。處于個人風(fēng)險等值線1×10-6覆蓋范圍內(nèi)的居民區(qū)、辦公場所、集市、小型飯店內(nèi)的居民，其個人風(fēng)險不可接受；處于個人風(fēng)險等值線3×10-7覆蓋范圍內(nèi)的重慶市綦江區(qū)土臺學(xué)校小學(xué)部和初中部，其個人風(fēng)險不可接受。液氨泄露事故的社會風(fēng)險曲線處于可容許區(qū)和ALARA區(qū)，沒有進(jìn)入不可容許區(qū)，存在發(fā)生大量人員傷亡的重大事故風(fēng)險，但概率相對較低。

4.2建議

雙陽食品公司周邊敏感目標(biāo)較多，距離不足的問題是隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)的發(fā)展而逐漸形成的。對公司液氨使用、儲存系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模改造和整改不會明顯降低其個人風(fēng)險值。鑒于以上原因，建議雙陽食品公司計劃搬遷。在雙陽食品公司完成搬遷之前，應(yīng)采取相應(yīng)的工程技術(shù)措施和安全管理措施，尤其是事故應(yīng)急措施，以降低生產(chǎn)安全事故風(fēng)險。建議相關(guān)監(jiān)管部門在雙陽食品公司完成搬遷之前，對雙陽食品公司應(yīng)采取的有關(guān)安全措施的落實(shí)情況進(jìn)行監(jiān)督檢查，督促雙陽食品公司對事故應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行修訂、備案與演練。

參考文獻(xiàn)：

[1] 柳紅衛(wèi),黃沿波.液氨泄漏風(fēng)險評估和風(fēng)險分級方法[J].安全與環(huán)境工程,2010,17(1):70-74

[2] 曾小紅,畢海普,甘元慶.灰色理論在我國化工園區(qū)事故預(yù)測中的應(yīng)用[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011,28(2):186-190

[3] 趙慶躍.輕視安全必嘗惡果!——吉林省長春市寶源豐禽業(yè)有限公司“6·3”特別重大火災(zāi)爆炸事故案例分析[J].吉林勞動保護(hù),2013(7):32-35

[4] 國家安全監(jiān)管總局監(jiān)管三司.突出重點(diǎn)加強(qiáng)管理——《首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險化學(xué)品名錄》解讀[J].勞動保護(hù),2011(8):16-17

[5] 杜喜臣,蔡敏琦.液氨泄漏事故樹分析及風(fēng)險預(yù)測[J].環(huán)境工程學(xué)報,2008,10(2):1430-1432

[6] 孟凡亭,吳欣甜,張苗,等.液氨泄漏爆炸的模糊事故樹分析研究[J].南開大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2014(4):14-20

[7] 陳杰,李文,鄧?yán)?，?工藝流程中氨泄漏事故后果分類研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2011,7(1):157-160

[8] 孫東亮,蔣軍成,張明廣.液氨儲罐泄漏擴(kuò)散模型的改進(jìn)研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2011,37(1):27-29

[9] 張杰,趙明.液氨泄漏事故的定量風(fēng)險評價研究[J].安全與環(huán)境工程,2012,19(1):69-72

[10] 顧建偉,張小平,王穎.電廠脫硝工程液氨儲罐泄漏環(huán)境風(fēng)險分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2012(6):108-112

[11] 王洪德,莫朝霞.基于高斯模型的液氨儲罐泄漏擴(kuò)散仿真分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2012,22(9):102-106

[12] 宋占兵,于立見,多英全,等.定量風(fēng)險評價在煉化一體化項(xiàng)目中的應(yīng)用[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2011,7(5):91-95

[13] 多英全,魏利軍,于立見,等.基于風(fēng)險的重大危險源選址規(guī)劃研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2007,3(6):20-23

[14] 吳宗之,多英全,魏利軍,等.區(qū)域定量風(fēng)險評價方法及其在城市重大危險源安全規(guī)劃中的應(yīng)用[J].中國工程科學(xué),2006,8(4):46-49

[15] 翁韜,朱霽平,麻名更,等.城市重大危險源區(qū)域風(fēng)險評價研究[J].中國工程科學(xué),2006,8(9):80-84

[16] BOULT M.Risk Management of LPG Transport Activities in Hong Kong[J].Journal of Hazardous Materials,2000,71:85-100

[17] ELSAYED T,LEHETA H,SHEHADEH M.Multi-attribute Risk Assessment of LNG Carriers During Loading/offloading at Terminals[J].Ships and Offshore Structures,2009,4(2):127-131

[18] 王新.天然氣管道泄漏擴(kuò)散事故危害評價[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010

[19] 馮云飛,吳明,閆明龍,等.燃?xì)夤艿佬孤┠Ｐ偷难芯窟M(jìn)展[J].當(dāng)代化工,2011,40(12):1255-1257

[20] 馮文興,王兆芹,程五一.高壓輸氣管道小孔與大孔泄漏模型的比較分析[J].安全與環(huán)境工程,2009,16(4):108-110

[21] 張毅,沈郁,于安峰,等.油品碼頭定量風(fēng)險評估方法及應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2014,40(1):79-81

[22] 高建明,王喜奎,曾明榮.個人風(fēng)險和社會風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展及啟示[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2007,3(3):29-34

Simulation Analysis and Quantitative Risk Assessment of LiquidAmmonia Tank Leakage Accidents

ZHOU Yu-xi1, CAI Zhi-yong1, WANG Wen-song2*

(1.Chongqing Safety Engineering Institute，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331,

China；2.College of Resources and Environmental Science，Chongqing University，Chongqing 400030, China)

Abstract：Based on the major hazard quantitative risk assessment software CASST-QRA V2.0, liquid ammonia storage tank of Shuangyang Foods Co., Limited in Chongqing is taken as the project case by this paper, liquid ammonia leakage accident result is calculated by simulation, and the risk and acceptability on the surrounding environment is quantitatively analyzed. Research results provide not only guidance and basis for safety management of the company and safety supervision of the relevant administrative departments, but also reference for management and operation of other liquid ammonia tank.

Key words： liquid ammonia；leakage；accidents；quantitative risk assessment；simulation analysis