基于ALOHA軟件對苯乙烯儲罐泄露事故的后果分析

(1.太原工業(yè)學(xué)院，山西太原，030008；2.河南心連心化肥有限公司，河南新鄉(xiāng)，453700)

經(jīng)驗(yàn)交流

基于ALOHA軟件對苯乙烯儲罐泄露事故的后果分析

盧亞菁1李林芳2

(1.太原工業(yè)學(xué)院，山西太原，030008；2.河南心連心化肥有限公司，河南新鄉(xiāng)，453700)

苯乙烯是一種危險(xiǎn)的合成高分子材料的重要原料，其儲罐發(fā)生泄漏會導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸和人員中毒事故，采用ALOHA軟件對儲罐泄露后果進(jìn)行模擬，定量得出了苯乙烯儲罐泄露導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、中毒事故后果的危害范圍。根據(jù)對儲罐工藝過程風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果從預(yù)防事故發(fā)生的可能性及控制事故后果的嚴(yán)重程度兩個(gè)方面，提出工藝過程風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

苯乙烯 泄露 風(fēng)險(xiǎn)分析 ALOHA模擬

苯乙烯是合成高分子材料的重要原料，是生產(chǎn)聚苯乙烯的主要原料，同時(shí)還可生產(chǎn)合成橡膠、離子交換樹脂等。苯乙烯是用苯取代乙烯的一個(gè)氫原子形成的有機(jī)化合物，其特點(diǎn)是暴露空氣中逐漸發(fā)生聚合和氧化作用，其蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物，其爆炸極限的范圍是1.1～6.1%(vo1)，屬于國家安全監(jiān)管總局首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品(安監(jiān)總管三[2011]95號)[1]。儲罐是苯乙烯生產(chǎn)和應(yīng)用中的重要設(shè)施，由于儲罐本身的失效或環(huán)境中的危險(xiǎn)因素，容易造成儲罐內(nèi)易燃、易爆、有毒物質(zhì)泄漏，導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)、爆炸和人員中毒事故，造成大量的財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡[2]。ALOHA軟件功能強(qiáng)大，操作簡單，目前已成為危險(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[3]。鑒于苯乙烯的特殊物化性質(zhì)和儲罐的重要性，本文以ALOHA軟件作為苯乙烯儲罐風(fēng)險(xiǎn)分析的工具，根據(jù)后果分析的結(jié)果，提出工藝過程風(fēng)險(xiǎn)控制措施同時(shí)為泄漏的救援與預(yù)防提供一定的指導(dǎo)。

1 危險(xiǎn)度分析

本文以遼寧華錦通達(dá)化工股份有限公司的“2.7×104t/a裂解汽油抽提苯乙烯”工程中苯乙烯儲罐進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。該儲罐是拱頂式常壓大型立式儲罐，基本參數(shù)如表1。

表1 苯乙烯儲罐的基本參數(shù)

利用危險(xiǎn)度法對儲罐單元進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果確定其危險(xiǎn)等級。從而確定是否需要對其進(jìn)行更詳細(xì)的分析。危險(xiǎn)度評價(jià)取值表是借鑒日本勞動省安全六段法的定量評價(jià)表，結(jié)合我國《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險(xiǎn)程度分類》等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，并對其做了部分修改后編制而成的定量打分評價(jià)表，再根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)行打分，可以得出相應(yīng)的危險(xiǎn)等級。本案例的危險(xiǎn)等級為I，危險(xiǎn)程度為高度，故需要對其進(jìn)行更詳細(xì)的分析。

2 泄露后果風(fēng)險(xiǎn)分析

本文采用ALOHA 軟件對苯乙烯儲罐泄漏情況進(jìn)行模擬，從而評估其后果的嚴(yán)重程度。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，泄漏事故發(fā)生的主要原因是設(shè)備失效，尤其是設(shè)備中密封墊片的失效，以及人為因素[4]。物質(zhì)泄露后的擴(kuò)散與物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，苯乙烯液體泄漏后，擴(kuò)散到地面，形成液池。因?yàn)楸揭蚁┮讚]發(fā)，且存儲溫度低于環(huán)境溫度，泄露后液體的蒸發(fā)量大，大量蒸發(fā)在液池上面后會形成蒸氣云，并擴(kuò)散到周圍空氣中。當(dāng)周圍環(huán)境中沒有點(diǎn)火源時(shí)，主要分析苯乙烯的毒性危險(xiǎn)區(qū)域。苯乙烯具有易燃易爆性，當(dāng)泄漏后遇到點(diǎn)火源，將發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，對于火災(zāi)、爆炸事故，主要考慮熱輻射危險(xiǎn)區(qū)域。

2.1 模擬環(huán)境的構(gòu)建

本文研究案例位于遼寧省盤錦市西北部，地理坐標(biāo)在北緯41°10′和東經(jīng)122°12′之間，海拔高度平均值為4m。案例中風(fēng)速分別取平均風(fēng)速和最大風(fēng)速進(jìn)行分析，風(fēng)向及溫度、濕度取當(dāng)?shù)叵募镜臍夂驐l件。對于云層覆蓋率選擇晴天，更具有代表性。根據(jù)企業(yè)提供的數(shù)據(jù)信息可知，該儲罐的直徑為6.7m，高度為7.1m。罐內(nèi)存放苯乙烯液體，存放溫度為10℃。儲罐內(nèi)液體容量參數(shù)，根據(jù)對事故后果的保守估計(jì)原則，以及儲罐中液體的存儲量規(guī)則，存儲量系數(shù)為0.8。即實(shí)際最大儲量是儲罐容積的80%，即197t。

2.2 中毒模型風(fēng)險(xiǎn)分析

2.2.1 傷害等級

ALOHA使用ERPGs(應(yīng)急規(guī)劃準(zhǔn)則)作為毒性標(biāo)準(zhǔn)，ERPG將危害程度分為三個(gè)等級:ERPG-3、ERPG-2和ERPG-1。ERPG-3是幾乎所有人暴露于有毒氣體環(huán)境1h而不會出現(xiàn)危害生命影響的最大容許濃度；ERPG-2 是員多數(shù)人暴露于有毒氣體環(huán)境1h而不會出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)或其他嚴(yán)重的健康危害或癥狀，或者削弱他們采取保護(hù)行動的能力，而沒有其他影響的最大容許濃度；ERPG-1 是多數(shù)人員暴露于有毒氣體環(huán)境1h，除了輕微的短暫的不良健康影響或明顯感到刺激性氣味之外不會有其他不良影響的最大容許濃度。苯乙烯的ERPG-1濃度是50 ppm，ERPG-2 濃度是250 ppm，ERPG-3濃度是1000 ppm。

2.2.2 泄露罐參數(shù)的確定

對泄露后果進(jìn)行評估時(shí)，根據(jù)保守估計(jì)的原則，即選擇可能發(fā)生的最嚴(yán)重泄露位置。本文選擇儲罐底部孔洞泄露，儲罐底部安裝有進(jìn)料管，出料管，存在著法蘭，閥門，焊接等可能發(fā)生失效危險(xiǎn)因素，且根據(jù)罐體設(shè)計(jì)情況，法蘭等密封接合部件直徑為80mm。另外，儲罐底部泄露的危險(xiǎn)性最大，因?yàn)楣摅w中物質(zhì)的重力作用將加快泄露過程的進(jìn)行。

2.2.3 模擬結(jié)果

苯乙烯蒸氣的密度大于空氣，因此氣團(tuán)將沿地面擴(kuò)散，選擇高斯模型，針對苯乙烯罐區(qū)是否存在著圍堰，應(yīng)用ALOHA 進(jìn)行估計(jì)，模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 毒性危險(xiǎn)區(qū)域

從圖1可以看出，設(shè)置圍堰中毒危險(xiǎn)區(qū)域與沒有圍堰時(shí)的相比，其毒性危險(xiǎn)區(qū)域距離下風(fēng)向的最大距離顯著減少。由此可得出，設(shè)置圍堰顯著降低中毒事故后果嚴(yán)重程度。

2.3 池火災(zāi)模型風(fēng)險(xiǎn)分析

2.3.1 事故等級

火災(zāi)通過熱輻射的方式破壞周圍環(huán)境，ALOHA 使用的標(biāo)準(zhǔn)，是根據(jù)60s內(nèi)熱輻射對人體危害程度，后果的嚴(yán)重程度是由作用到人體的熱通量和熱強(qiáng)度共同決定的，把熱輻射情況分為三個(gè)等級。三級(后果最嚴(yán)重)：10kW/m2(人員60秒內(nèi)可能死亡)；二級：5kW/m2(人員60秒內(nèi)二度燒傷)；一級：2kW/m2(人員60秒內(nèi)感到疼痛)。

2.3.2 模擬假設(shè)

假設(shè)苯乙烯從儲罐底部泄露，形成液池，遇到點(diǎn)火源，如雷擊，電火花等，苯乙烯燃燒形成池火災(zāi)。

2.3.3 模擬結(jié)果

根據(jù)ALOHA估計(jì)，熱輻射最嚴(yán)重的區(qū)域延伸到下風(fēng)向的最大距離為22m，二級區(qū)域延伸到下風(fēng)向最大距離為30m，一級區(qū)域延伸到下風(fēng)向的最大距離為43m。

熱輻射危險(xiǎn)區(qū)域不像毒性危險(xiǎn)區(qū)域，熱輻射危險(xiǎn)是向所有方向同時(shí)延伸。但整體擴(kuò)展偏向下風(fēng)向方向。這種差異的存在是因?yàn)槿紵鹧嫦蝻L(fēng)的方向傾斜，從而導(dǎo)致下風(fēng)向的熱輻射危險(xiǎn)更大。此外，池火災(zāi)還存在其他危險(xiǎn)，如可能引發(fā)二次火災(zāi)和爆炸。

2.4 爆炸模型風(fēng)險(xiǎn)分析

2.4.1 模擬假設(shè)

當(dāng)儲罐破裂，發(fā)生爆炸時(shí)，苯乙烯液體瞬間沸騰，形成蒸氣云。假設(shè)，泄露物質(zhì)全部都形成了BLEVE，沒有形成池火。

對BLEVE后果的評估中，ALOHA只估計(jì)火球的熱輻射強(qiáng)度。在大多數(shù)BLEVE事故中，熱輻射比沖擊波超壓，碎片等的影響范圍更大，更顯著。所以，從保守估計(jì)的角度，估計(jì)可能發(fā)生的最嚴(yán)重后果，即儲罐內(nèi)物質(zhì)的爆炸設(shè)置為100%時(shí)的模擬場景，利用熱輻射后果范圍研究BLEVE的事故后果。

2.4.2 模擬結(jié)果

ALOHA根據(jù)輸入的源強(qiáng)度信息，估計(jì)得到，BLEVE火球的直徑約為327 m，爆炸持續(xù)時(shí)間為19s。爆炸火球熱輻射危險(xiǎn)區(qū)域，三級區(qū)域，即危險(xiǎn)程度最嚴(yán)重的區(qū)域，在每個(gè)方向延伸到640m，二級域直徑為905m，一級區(qū)域直徑為1400m，另外在1400m以內(nèi)，物質(zhì)蒸發(fā)爆炸過程中，儲罐等周圍環(huán)境中的碎片將被拋射到很遠(yuǎn)距離，導(dǎo)致人員受傷、設(shè)備及建筑物破壞，甚至引發(fā)二次爆炸或火災(zāi)。

3 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

本文基于風(fēng)險(xiǎn)的角度，從降低事故發(fā)生的可能性和事故后果的嚴(yán)重程度兩個(gè)方面考慮上述風(fēng)險(xiǎn)的控制措施?？刂拼胧┑牟捎米裱到y(tǒng)安全優(yōu)先次序，優(yōu)先采用本質(zhì)安全措施。

3.1 減小事故發(fā)生的可能性措施

(1)事故發(fā)生的初始原因是物質(zhì)的泄露，物質(zhì)泄漏的主要原因是由于罐體本身的失效，可能性較大的失效情形有：進(jìn)料管和出料管與罐底連接法蘭發(fā)生失效，焊接處發(fā)生裂縫等。根據(jù)失效理論，首先可通過提高罐體本身及其附件的可靠性，即選用性能較好的部件；其次減小維修檢查周期從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱性失效，提高系統(tǒng)的可靠性，降低失效的可能性，降低泄露事件可能性。

(2)泄露事件發(fā)展為火災(zāi)、爆炸事故過程中，存在著很多后續(xù)事件，盡可能從最先發(fā)揮功能的安全功能著手，對報(bào)警器，安全閥連鎖等安全功能進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，從而可以在泄露初期采取堵漏或其他控制措施，從而降低事故發(fā)生的可能性。

(3)物質(zhì)發(fā)生泄露后，環(huán)境中存在點(diǎn)火源，可能導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸事故，故可以采取措施減小點(diǎn)火源作用的可能性。如安裝防雷電設(shè)施，設(shè)置禁火區(qū)域，對外來車輛的裝卸作業(yè)，現(xiàn)場監(jiān)督指導(dǎo)，設(shè)置安全標(biāo)志進(jìn)行警示等。

3.2 降低事故后果嚴(yán)重程度的措施

(1)根據(jù)本質(zhì)安全的理論，首先應(yīng)盡可能減少物質(zhì)的存儲量。

(2)進(jìn)行過程控制，如利用冷卻系統(tǒng)，保證罐體及周圍環(huán)境的溫度較低，利用液位控制裝置，防止液位過高，利用泄壓系統(tǒng)，防止裝置內(nèi)壓力過高。

(3)根據(jù)上文對儲罐周圍是否存在圍堰的毒性危險(xiǎn)區(qū)域分析情況可知，設(shè)置圍堰能夠顯著地減小儲罐內(nèi)有毒物質(zhì)泄露后的毒性區(qū)域。故有毒物質(zhì)儲罐區(qū)可以通過設(shè)置圍堰來降低泄露中毒事故的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)根據(jù)上面對池火災(zāi)發(fā)生時(shí)熱輻射區(qū)域的估計(jì)可知，緊急疏散區(qū)應(yīng)設(shè)置在距離危險(xiǎn)區(qū)43m以外。

(5)完善儲罐區(qū)安全管理，提高企業(yè)安全管理水平，對工作人員進(jìn)行安全培訓(xùn)，提高工作人員的安全素質(zhì)。

4 小結(jié)

運(yùn)用ALOHA軟件對苯乙烯泄露后果進(jìn)行模擬分析，后果計(jì)算模型采用高斯模型，模擬得出苯乙烯發(fā)生泄露后，物質(zhì)擴(kuò)散過程中的毒性危險(xiǎn)區(qū)域、遇到點(diǎn)火源，發(fā)生池火災(zāi)的熱輻射危險(xiǎn)區(qū)域，發(fā)生爆炸的熱輻射危險(xiǎn)區(qū)域。ERPG-3級中毒危險(xiǎn)區(qū)，下風(fēng)向的最大距離是13m；ERPG-2級中毒危險(xiǎn)區(qū)，距離下風(fēng)向的最大距離是28m；ERPG-1級中毒危險(xiǎn)區(qū)，距離下風(fēng)向的最大距離是116m。若發(fā)生池火災(zāi)，熱輻射最嚴(yán)重的區(qū)域(60s內(nèi)人可能死亡)延伸到下風(fēng)向的最大距離為22m，二級危險(xiǎn)區(qū)域距離延伸到下風(fēng)向最大距離為30m，一級級級危險(xiǎn)區(qū)域距離延伸到下風(fēng)向的最大距離為43m。若發(fā)生爆炸，危險(xiǎn)程度最嚴(yán)重的區(qū)域，在每個(gè)方向延伸到640m。苯乙烯儲罐泄露發(fā)生事故危害范圍大、事故后果嚴(yán)重，需從降低事故發(fā)生的可能性和事故后果的嚴(yán)重程度兩個(gè)方面采取安全措施減小苯乙烯儲罐的風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 安監(jiān)總管三[2011]95號. 國家安全監(jiān)管總局首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品名錄[Z]. 北京：國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2001.

[2] 袁毅. 儲罐危險(xiǎn)源網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用[D].北京：北京交通大學(xué),2008.

[3] 呂德超. 道路運(yùn)輸氣體類?；沸孤U(kuò)散及警戒范圍模型研究[D].北京：北京交通大學(xué),2013.

[4] 潘旭海,蔣軍成. 重(特)大泄漏事故統(tǒng)計(jì)分析及事故模式研究[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程,2002,(03):248-252+264.

SimulationandAnalysisofLeakageAccidentsofStyreneTankbyALOHA

LuYajing1,LiLinfang2

(1.TaiyuanInstituteofTechnology,Taiyuan030008,Shanxi,China;2.HenanXinlianxinFertilizerCo.LTD,Xinxiang453700,Henan,China)

Styrene is a danger of the important raw material for synthetic polymer materials, the tank leak, fire, explosion and poisoning accident of the tank leak consequences by using software simulation, obtained quantitative styrene tank leaked the dangers of fire, explosion, poisoning accident consequences. According to the results of the risk analysis in chemical process, some risk control measures has also been proposed.

styrene; leakage; risk analysis; ALOHA simulation

湖北楚星化工實(shí)施煤氣化節(jié)能技術(shù)升級改造項(xiàng)目

湖北楚星化工股份有限公司目前正在湖北省宜都市枝城鎮(zhèn)陽和嶺村實(shí)施煤氣化節(jié)能技術(shù)升級改造項(xiàng)目。該項(xiàng)目是楚星化工公司落實(shí)生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的具體行動和實(shí)施產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級重大部署項(xiàng)目，投資近20億元，現(xiàn)已完成所有土方回填、強(qiáng)夯及樁基施工招標(biāo)，即將進(jìn)入土建施工階段。此次升級改造項(xiàng)目包括煤氣化和凈化合成兩部分。項(xiàng)目核心技術(shù)特點(diǎn)是采用加壓氣化、蒸汽驅(qū)動。其中，水煤漿氣化技術(shù)能有效降低能耗和生產(chǎn)成本，提高原料煤的適應(yīng)性，使企業(yè)生產(chǎn)獲取更廣泛的原料來源，同時(shí)充分發(fā)揮設(shè)備能力，并通過對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)改造，優(yōu)化系統(tǒng)配置。合成氨工藝中的核心環(huán)節(jié)空分裝置將采用世界最先進(jìn)的德國曼透平公司的空壓機(jī)、增壓機(jī)、汽輪機(jī)，同等裝置能耗比國產(chǎn)機(jī)組低15%。煤氣化采用國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)、具有世界先進(jìn)水平的華東理工大學(xué)多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術(shù)，可使每噸合成氨的成本降低400元以上，全年可以實(shí)現(xiàn)效益1.7億元。該項(xiàng)目建設(shè)周期為2年，將于2018年正式建成投產(chǎn)。投產(chǎn)后，可實(shí)現(xiàn)年節(jié)約原料煤6.6萬噸，年節(jié)約蒸汽16.5萬噸，年節(jié)電990萬度，總節(jié)能量折標(biāo)煤近7萬噸。此外，本次升級改造環(huán)保設(shè)施配套齊全，設(shè)置有污水站、火炬、硫回收等環(huán)保裝置，將在原有裝置的基礎(chǔ)上大幅提升環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

(汪家銘)