基于ALOHA軟件的某化工廠選址合理性評估

郭 婷 丁曉強

(首都經(jīng)濟貿(mào)易大學 管理工程學院，北京 100070)

0 引言

化學工業(yè)過程復雜，材料易燃易爆、有毒有害，且通常在高(低)溫和高壓工作環(huán)境中使用?；瘜W品在生產(chǎn)、運輸、存儲和使用過程中，極易發(fā)生泄漏、爆炸等意外事故，造成嚴重的生命危險、財產(chǎn)損失和環(huán)境污染[1]。化工廠的位置是化學工業(yè)中最重要以及最基本的組成部分，對化學品安全生產(chǎn)有重大影響。近年來由多個化工項目組成的化學工業(yè)區(qū)正以較快的速度增加，傳統(tǒng)的商業(yè)選址方法更多的是靠經(jīng)營者的主觀經(jīng)驗[2]，相對應(yīng)的化工區(qū)的選址評價沒有較完善的定量評估體系，造成了化工區(qū)選址評價結(jié)果相對保守，缺乏客觀性和科學性[3]。因此，深入研究對化工廠選址的合理性評估是非常重要的。

軟件模擬方法具有全面的考慮因素，簡單快速的計算和形象直觀的結(jié)果[4]。有害大氣空中定位軟件(Areal Locations of Hazardous Atmospheres，ALOHA)是由美國環(huán)保署(EPA)化學制品突發(fā)事件、預備辦公室(CEPPO)、美國國家海洋、大氣管理局(NOAA)應(yīng)急和恢復辦公室聯(lián)合開發(fā)的應(yīng)用程序[5]，常用于危險化學品泄漏后有毒氣體、火災(zāi)、爆炸等擴散產(chǎn)生的毒性、熱輻射和沖擊波等的模擬計算。梁虎等[6]利用ALOHA軟件以圖形形象地表示擴散濃度、影響范圍和其他信息，幫助應(yīng)急指揮人員更加有效地組織救援和疏散。陳紅燕、趙小進等人[7]以ALOHA軟件作為研究工具，在不同氣象參數(shù)下(大氣穩(wěn)定度、風速、溫度和濕度)分析和篩選了液氯擴散的影響情況。焦姣，張靜等[8]利用ALOHA軟件模擬了可能事故場景下的事故影響范圍，指出液氨火災(zāi)爆炸事故中沸騰液體擴散蒸氣云爆炸(Boiled Liquid Evaporate Vapor Explosion，BLEVE)事故危害范圍最廣。目前ALOHA已被廣泛應(yīng)用于危險化學品泄漏事故的應(yīng)急響應(yīng)、應(yīng)急管理、毒氣泄漏事故疏散指揮等領(lǐng)域[9-11]。

本文以山東省煙臺市某化工廠選址為例，利用ALOHA軟件對該廠區(qū)有毒物質(zhì)泄露事故進行定量分析，結(jié)合廠區(qū)周圍環(huán)境、人口等因素，得到該化工廠選址是否合理的評價結(jié)論，以期為化工廠選址合理性評估提供參考。

1 環(huán)氧乙烷基本理化特性及事故類型分析

1.1 環(huán)氧乙烷基本特性

環(huán)氧乙烷是繼甲醛之后的二代化學消毒劑。作為最好的冷消毒劑之一，環(huán)氧乙烷(EO)屬于雜環(huán)類化合物，是一種簡單的環(huán)醚。低溫下呈無色透明液體狀態(tài)，在常溫下則表現(xiàn)為無色且具有醚類刺激性氣味的氣體，蒸氣壓高，30℃時可達到141kPa。

環(huán)氧乙烷具有爆炸性和易燃性，空氣中濃度超過3%即會引起燃燒爆炸。此外，環(huán)氧乙烷比常見的四氯化碳和氯仿對人和動物的傷害性更大，毒性類似于氨。低濃度時會引起煩燥不安、顫抖、流淚、流鼻涕、呼吸急促等癥狀，高濃度時可能引起死亡。與環(huán)氧乙烷液體或溶液過度接觸會引起皮膚的灼燒感、水皰、皮炎等，如果經(jīng)皮膚吸收可能引起全身反應(yīng)，甚至可能導致癌癥。

CAMEO化學品數(shù)據(jù)庫中查得環(huán)氧乙烷基本物理化學性質(zhì)，見表1。

表1 環(huán)氧乙烷理化特性Tab.1 The physicochemical property of EO

1.2 環(huán)氧乙烷儲罐泄漏事故分析

環(huán)氧乙烷化學性質(zhì)活潑，可與眾多化合物進行開環(huán)加成反應(yīng)，在金屬鹽類或氧存在時易分解。一旦環(huán)氧乙烷發(fā)生泄漏，它就會極易揮發(fā)，與空氣形成爆炸性氣體，引起火災(zāi)與爆炸，造成十分嚴重的財產(chǎn)損失、人員傷亡和環(huán)境污染。

某化工廠儲罐區(qū)平均氣溫為25℃。環(huán)境溫度高于環(huán)氧乙烷的沸點。因此，環(huán)氧乙烷在泄漏后，將迅速蒸發(fā)，產(chǎn)生的事故類型與周圍環(huán)境密切相關(guān)，也就是說與現(xiàn)場是否存在火源、是否立即點燃或延遲點燃有直接關(guān)系。如泄漏后的環(huán)氧乙烷遇火源，立即被點燃后則可能產(chǎn)生BLEVE火球；若泄漏汽化后被延遲點燃，則可能引發(fā)閃火或蒸氣云爆炸；若大量泄漏后環(huán)氧乙烷未蒸發(fā)的液體遇火燃燒則形成池火災(zāi)；若擴散過程中未遇火源，環(huán)氧乙烷在空氣中擴散，將引發(fā)中毒事故?；馂?zāi)危害受熱輻射通量影響，爆炸危害則受爆炸超壓的影響。

相艷景等[12]學者通過模擬中毒、閃火、蒸氣云爆炸、池火災(zāi)及BLEVE火球5種環(huán)氧乙烷泄漏后可能發(fā)生的事故，指出由環(huán)氧乙烷泄漏擴散造成的毒性影響范圍明顯大于其他事故的危害范圍，在人員的應(yīng)急疏散中應(yīng)以毒性影響范圍作為依據(jù)進行疏散。因此本文利用ALOHA軟件對環(huán)氧乙烷泄漏造成的毒氣擴散事故進行模擬。

2 ALOHA軟件模擬及結(jié)果分析

2.1 ALOHA參數(shù)設(shè)置

該化工廠的環(huán)氧乙烷儲罐位于東經(jīng)119°7′，北緯37°11′，儲罐類型為臥式，直徑3.1m，長12.35m，儲量約為93m3。環(huán)氧乙烷儲存溫度-5℃，儲存壓力0.2MPa，充裝系數(shù)為60%。罐區(qū)為水泥地面，儲罐底部連接管突然破裂并導致連續(xù)性泄漏，泄漏孔距離地面0.3m，當量直徑為10cm。

ALOHA采用的數(shù)學模型有：高斯模型、DEGADI重氣擴散模型、蒸氣云爆炸和BELEVE火球模型等。由于環(huán)氧乙烷的分子量大于空氣的平均分子量，因此泄漏后能與空氣混合形成大型薄霧云并擴散，故模擬時選用DEGADIS重氣擴散模型。事故發(fā)生時，廠區(qū)周邊環(huán)境因素，見表2。

表2 事故發(fā)生時環(huán)境因素Tab.2 Atmospheric data and location of the accident

2.2 環(huán)氧乙烷毒氣擴散事故模擬結(jié)果

2.2.1 泄漏源強度

在ALOHA的模擬計算過程中，有毒氣體擴散的濃度與泄漏源強度成正相關(guān)，且源的強度不受風速等環(huán)境因素影響。模擬結(jié)果顯示，該事故情境下環(huán)氧乙烷的泄漏源強度約為344kg/min。圖1為1h內(nèi)泄漏源強度的變化。

圖1 1h內(nèi)泄漏源強度隨時間變化Fig.1 The source strength of release in 1 hour

2.2.2 受影響區(qū)域

ALOHA軟件采用美國應(yīng)急行動計劃指南(ERPG)中給出的ERPG-1(關(guān)注水平-1)、ERPG-2(關(guān)注水平-2)及ERPG-3(關(guān)注水平-3)標準體積分數(shù)值來確定影響范圍。若有毒氣體的體積分數(shù)介于ERPG-1值和ERPG-2值之間，則人暴露在該環(huán)境下1h便會造成輕度傷害，應(yīng)設(shè)置警戒線；若有毒氣體的體積分數(shù)介于ERPG-2值和ERPG-3值之間，人暴露在該環(huán)境下1 h則會嚴重影響身體健康，某些器官將受到損害，該區(qū)域則屬于出入管制區(qū)域；若毒氣體積分數(shù)達到甚至超過ERPG-3值，人暴露于此環(huán)境下1h便會導致嚴重的、持久的、危及生命的嚴重后果，所以此區(qū)域禁止人員停留。

在未遇到明火的狀況下，考慮風向等環(huán)境因素的影響，環(huán)氧乙烷毒性危害距離及影響范圍，如圖2，環(huán)氧乙烷毒性風險致死區(qū)(ERPG-3)在泄漏點下風向的擴散距離可達459m，該區(qū)域環(huán)氧乙烷濃度可達500mg/L甚至更高。未采取任何防護措施的人員若暴露在該區(qū)域內(nèi)，將在短時間內(nèi)造成嚴重的身體傷害，因此一旦發(fā)生泄漏，為防止人員中毒傷亡，應(yīng)嚴禁人員在該范圍內(nèi)存留。重傷區(qū)(ERPG-2)的擴散距離可達1.7km，該區(qū)域內(nèi)環(huán)氧乙烷的濃度可達到50mg/L，處于相對危險的水平，應(yīng)盡可能避免人員在此區(qū)域內(nèi)逗留，并制定相應(yīng)的進出管理制度。圖2中虛線標識區(qū)域表示環(huán)氧乙烷氣體與空氣混合所形成的云團可能影響到的區(qū)域，主要受風向、大氣穩(wěn)定度等因素的影響。

圖2 環(huán)氧乙烷毒氣擴散區(qū)域Fig.2 The toxic threat zone of EO release and diffusion

2.2.3 敏感點濃度隨時間變化

該環(huán)氧乙烷制備化工廠周邊的人員聚集處為正東方向1.1km處，選取該區(qū)域作為下風向敏感點，如圖3。在擴散后1h內(nèi)，該處室內(nèi)環(huán)氧乙烷濃度緩慢增加，但始終低于ERPG-2值；室外環(huán)氧乙烷濃度在擴散前5min無明顯變化，5～10min毒氣濃度迅速超過ERPG-2值，后緩慢增加至最大濃度114 ppm。即在擴散前1h內(nèi)，室內(nèi)人員接觸的環(huán)氧乙烷總劑量隨時間推移而不斷增加，劑量低于室外，但其毒性濃度已可能造成人體輕度傷害;室外有毒氣體濃度達到人體中等傷害值，短短幾分鐘內(nèi)便能嚴重影響人體健康。根據(jù)此結(jié)果分析，在環(huán)氧乙烷泄漏擴散且沒有遇到明火的狀態(tài)下，應(yīng)首先對該區(qū)域內(nèi)受影響的室外工作人員進行緊急疏散。

圖3 廠區(qū)正東方向1.1km處毒氣濃度變化Fig.3 Variations of EO concentration at 1.1km away the plant

3 基于ALOHA軟件的化工廠選址分析

3.1 化工廠周圍壞境

該化工廠面積約為960m2，位置及周邊環(huán)境，如圖4。該化工廠的正北方向為萊州灣，距離海岸線5.5km，正西和正南方向為大量農(nóng)田，正東和東南方向存在大量村莊，包括大李村、海鄭村、鄭家村、海鄭張家村等12個村莊。經(jīng)測量，工廠與東南方向的后劉村距離最近，距離為920m，距離交通主干道的最近距離為2800m，距離正東方向的海鄭張家村1100m，海鄭張家村地靠海濱，常年存在大量流動旅客。

圖4 工廠選址及周圍環(huán)境Fig.4 Site of the chemical plant and surroundings

3.2 化工廠選址合理性評估

將ALOHA軟件與GoogleEarth運用相結(jié)合，環(huán)氧乙烷儲罐泄漏后毒氣擴散的影響區(qū)域，如圖5。

圖5 毒氣擴散的影響區(qū)域?qū)嵉財M合結(jié)果Fig.5 The toxic threat zone of the accident using GoogleEarth

毒氣濃度在500ppm以上的擴散區(qū)域?qū)儆谥滤绤^(qū)(ERPG-3)，影響區(qū)域最遠距離泄漏點459m，該區(qū)域內(nèi)的人員會受到嚴重的、持久的生命威脅，應(yīng)禁止人員存留在該范圍內(nèi)；毒氣濃度在50～500ppm之間的區(qū)域?qū)儆趥^(qū)域(ERPG-2)，擴散距離為1700m，處于該區(qū)域內(nèi)人員健康會受到嚴重影響，主要影響到人體某些重要內(nèi)臟器官，應(yīng)盡量避免人員在該區(qū)域活動，并在必要時采取適當?shù)陌踩雷o和保障措施；最大擴散范圍為濃度在50ppm以下的區(qū)域，此區(qū)域為有可能造成危害的區(qū)域，應(yīng)對該區(qū)域的人員進行疏散，避免傷害事故的發(fā)生。從圖5可以看出，化工廠內(nèi)的環(huán)氧乙烷儲罐泄漏后，毒氣濃度在50～500ppm之間的區(qū)域?qū)U散到周圍的村莊(海鄭張家村及鄭家村部分區(qū)域)，對當?shù)卮迕竦娜松戆踩斐芍卮笸{。此時，距離較近的海鄭張家村室外有毒氣體濃度可達114ppm，會引起當?shù)鼐用衲承┲饕鞴俚膫Γ瑖乐厍趾ι眢w健康。

該化工廠選址雖符合國家相關(guān)標準，但現(xiàn)行的選址方法有著一定的局限性，不能準確判定化工廠發(fā)生事故后的影響范圍。因此該化工廠目前的選址存在不合理之處，如果事故發(fā)生，有可能造成重大人員傷亡，產(chǎn)生無法承受的嚴重后果。根據(jù)安全規(guī)劃方法和選址原則，應(yīng)對該廠區(qū)周邊進行布局的調(diào)整，并提出如下調(diào)整建議：確定化工廠生產(chǎn)情況，調(diào)整廠區(qū)內(nèi)儲罐位置，加強日常安全管理；位于廠區(qū)1.1km處的海鄭張家村全部居民進行搬遷，鄭家村處于傷害區(qū)域內(nèi)的居民進行搬遷。

4 結(jié)論

(1)化工廠的選址對化工安全產(chǎn)生有著重大影響，本文通過ALOHA軟件對化工企業(yè)的選址問題進行定量化處理，計算出危害影響范圍，以及泄漏方向人群聚集處環(huán)氧乙烷濃度的變化，使選址問題更加直觀、有效，可為今后的化工廠選址提供一個參考和指導作用。

(2)利用ALOHA軟件對化工廠選址合理性進行分析時，只能對單一危險源進行定量研究，且不能模擬出化工事故的連鎖反應(yīng)，導致結(jié)論只是理論上的數(shù)值，有待進一步的研究與探討。