應(yīng)用ALOHA對(duì)典型化學(xué)品事故的預(yù)測(cè)及分析

張子炎

(應(yīng)急管理部化學(xué)品登記中心，山東青島 266071)

典型化學(xué)品多為氣體和液體，氣體化學(xué)品如甲烷、液化氣、乙烯等，液體化學(xué)品如苯、甲苯等，一旦大面積泄漏就會(huì)發(fā)生引起損失慘重的爆炸事故[1-3]。ALOHA(Areal Location of Hazardous Atmosphere)是為了在緊急情況下迅速得到有效、合理的結(jié)果以供使用者使用的一款化學(xué)品泄漏模擬軟件，能模擬火災(zāi)和爆炸(沸騰的液體膨脹蒸汽爆炸、蒸汽云爆炸)等泄漏場(chǎng)景，并對(duì)這些情況下產(chǎn)生的易燃性、熱輻射和超壓進(jìn)行評(píng)估[4]。本文使用ALOHA軟件對(duì)典型化學(xué)品的池火、沸騰液體膨脹蒸汽爆炸進(jìn)行了模擬，分析了這幾種典型化學(xué)品事故危險(xiǎn)范圍的規(guī)律，分析結(jié)果可以為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、事故救援提供理論依據(jù)。

1 ALOHA簡(jiǎn)介

1.1 高斯及重氣擴(kuò)散模型

ALOHA會(huì)依據(jù)化學(xué)品物理屬性選擇高斯擴(kuò)散模型還是重氣擴(kuò)散模型進(jìn)行計(jì)算。一般而言，分子量比空氣大的氣體，在室溫下比空氣輕但儲(chǔ)存在低溫狀態(tài)下的氣體以及氣體云的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣密度的氣體被定義為重氣。高斯模型適用于非重氣云氣體，包括輕氣云和中性氣云氣體。使用高斯擴(kuò)散公式[5]進(jìn)行計(jì)算必須符合如下假設(shè):風(fēng)的平均流場(chǎng)穩(wěn)定，風(fēng)速均勻，風(fēng)向平直；污染物的濃度符合正態(tài)分布；污染物在輸送擴(kuò)散中質(zhì)量守恒；污染源的源強(qiáng)均勻、連續(xù)。高斯擴(kuò)散模型標(biāo)準(zhǔn)式為:

式中:C——空間點(diǎn)(x，y，z)的污染物的濃度，mg/m3；

σy、σz——分別為水平、垂直方向的標(biāo)準(zhǔn)差，m；

q——源強(qiáng)，即單位時(shí)間內(nèi)排放的污染物，μg/s；

u——平均風(fēng)速，m/s。

ALOHA使用重氣擴(kuò)散模型為DEGADIS模型[6]，DEGADIS模型主要基于分子量、泄漏規(guī)模和氣體云的溫度計(jì)算，其標(biāo)準(zhǔn)式為:

式中:C——濃度，kg/m3；

Cc——表面中心線(xiàn)濃度，kg/m3；

b——燃?xì)鉄熡鹚骄鶆蛑行膮^(qū)的1/2寬度，m；

Sy——水平濃度比例系數(shù)；

Sz——垂直濃度比例系數(shù)；

x、y、z——為擴(kuò)散下風(fēng)向的空間位置坐標(biāo)，m。

1.2 模擬計(jì)算參數(shù)

ALOHA根據(jù)表1中各影響因素所對(duì)應(yīng)的計(jì)算參數(shù)，模擬了每一種化學(xué)品擴(kuò)散濃度、擴(kuò)散形狀、影響范圍和其他信息。

表1 模擬計(jì)算主要參數(shù)

1.3 事故后定量分析

火災(zāi)強(qiáng)烈的熱輻射可以造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)于熱輻射的影響一般選用熱通量準(zhǔn)則進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定[7]。爆炸能量的釋放以熱輻射、超壓和容器殘余變形能量3種形式表現(xiàn)出來(lái)。

在使用ALOHA軟件模擬沸騰液體膨脹蒸汽爆炸時(shí)，主要計(jì)算爆炸形成的火球所具有熱輻射對(duì)周?chē)挠绊憽Ｒ虼嗽诔鼗鸺胺序v液體膨脹蒸汽爆炸計(jì)算中，ALOHA選定了3個(gè)熱輻射臨界值進(jìn)行標(biāo)定。分別是:①熱輻射＞10 kW/m2時(shí)可在60 s內(nèi)致死，該區(qū)域?yàn)榧t色危險(xiǎn)區(qū)域；②熱輻射＞5 kW/m2時(shí)在60 s內(nèi)造成二級(jí)燒傷，該區(qū)域?yàn)槌壬ｋU(xiǎn)區(qū)域?yàn)椋虎蹮彷椛洌? kW/m2時(shí)在60 s內(nèi)感覺(jué)到疼痛，該區(qū)域?yàn)辄S色危險(xiǎn)區(qū)域。

2 典型化學(xué)品事故模擬情況

2.1 池火災(zāi)

以正戊烷為例，在相同的地理位置、建筑類(lèi)型、天氣、濕度、溫度等條件下，不同泄漏尺寸對(duì)形成的池火的持續(xù)時(shí)間及危險(xiǎn)區(qū)域直徑的影響如表3所示。

表3 正戊烷池火模擬情況

由表3可得，池火火災(zāi)熱輻射所形成危險(xiǎn)區(qū)域與泄漏直徑有關(guān)，與泄漏深度無(wú)關(guān)；池火火災(zāi)熱輻射所形成危險(xiǎn)面積與風(fēng)速有關(guān)；火災(zāi)持續(xù)時(shí)間的影響與泄漏直徑及風(fēng)速有關(guān)。

2.1.1 風(fēng)速對(duì)火災(zāi)的影響

以正戊烷為例，當(dāng)泄漏直徑為5 m及20 m時(shí)，所形成危險(xiǎn)區(qū)域[8]如圖1所示。

根據(jù)圖1可得，相同泄漏直徑下，紅色、橙色危險(xiǎn)區(qū)域在一段風(fēng)速后呈現(xiàn)區(qū)域平穩(wěn)，但黃色危險(xiǎn)區(qū)隨風(fēng)速的波動(dòng)依舊較大；隨著泄漏直徑的增加，風(fēng)速對(duì)各危險(xiǎn)區(qū)域的影響變大，但均隨風(fēng)速的增加而先增大后減小的趨勢(shì)。

圖1 風(fēng)速對(duì)正戊烷危險(xiǎn)區(qū)域的影響情況

2.1.2 泄漏直徑對(duì)火災(zāi)的影響

由表4和表5可得，隨著泄漏源直徑的增加，危險(xiǎn)區(qū)域越來(lái)越大。只含有C、H的烷烴最容易發(fā)生池火且危險(xiǎn)區(qū)域最大，其他類(lèi)別物質(zhì)發(fā)生火災(zāi)情況主要與所含有基團(tuán)有關(guān)，若是含有鹵元素、硝基、胺基、硫化物等，就不易發(fā)生火災(zāi)，若含有苯環(huán)、氧基就易發(fā)生火災(zāi)。

表4 泄漏直徑5 m時(shí)各種化學(xué)品模擬情況

表5 泄漏直徑20 m時(shí)各種化學(xué)品模擬情況

2.2 沸騰液體蒸汽爆炸

以正戊烷為例，在相同的地理位置、建筑類(lèi)型、天氣、濕度、溫度等條件下，不同泄漏尺寸對(duì)形成的沸騰液體蒸汽爆炸(以下簡(jiǎn)稱(chēng)BLEVE)的持續(xù)時(shí)間及危險(xiǎn)區(qū)域直徑的影響見(jiàn)表6。

根據(jù)表6，對(duì)于BLEVE而言，危險(xiǎn)區(qū)域大小主要與泄漏直徑與泄漏深度有關(guān)，與風(fēng)速關(guān)系不大。爆炸持續(xù)時(shí)間主要與泄漏體積有關(guān)。泄漏直徑越大、泄漏深度越深，危險(xiǎn)區(qū)域越大。

由表7所得，對(duì)于BLEVE而言，其產(chǎn)生的輻射熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于池火。對(duì)于只含有C、H的烴類(lèi)、醇類(lèi)、酯類(lèi)而言，其爆炸范圍與鏈的長(zhǎng)度有關(guān)，爆炸區(qū)域隨著碳鏈長(zhǎng)度的增加而增加。不單含有C、H的化學(xué)品，各基團(tuán)對(duì)輻射熱的影響未曾現(xiàn)明顯規(guī)律，但含有羧基(-COOH)和硝基(-NO3)的化學(xué)品的爆炸影響相對(duì)最小。

表6 正戊烷爆炸模擬情況匯總

表7 泄漏直徑5 m(深度0.5 m)時(shí)各種化學(xué)品模擬情況

3 典型化學(xué)品事故數(shù)據(jù)分析

3.1 池火事故的分析

同等條件下，將甲烷至己烷隨泄漏直徑而變化的最大危險(xiǎn)區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行了整合，得到曲線(xiàn)如圖2。

對(duì)于只含有C、H的烷烴來(lái)說(shuō)，相同碳數(shù)的烷烴危險(xiǎn)區(qū)域面積相似；隨著碳鏈的增長(zhǎng)，輻射熱強(qiáng)度越大；輻射熱所產(chǎn)生的危險(xiǎn)區(qū)域隨泄漏直徑的增加而呈現(xiàn)線(xiàn)性增長(zhǎng)。

在同等條件下，將同系列物質(zhì)最大危險(xiǎn)區(qū)域隨泄漏直徑的變化進(jìn)行了曲線(xiàn)繪制，見(jiàn)圖3。

圖2 烷烴類(lèi)系列物質(zhì)危險(xiǎn)區(qū)域分析曲線(xiàn)

圖3 同系列物質(zhì)危險(xiǎn)區(qū)域

各化學(xué)品輻射熱所產(chǎn)生的危險(xiǎn)區(qū)域均隨泄漏直徑的增加而呈現(xiàn)線(xiàn)性增長(zhǎng)。對(duì)于所有化學(xué)品而言，只含有C、H化學(xué)品輻射熱最強(qiáng)，且烷烴～烯烴＞炔烴。各基團(tuán)對(duì)輻射熱的影響可大致歸納為:醛基(-CHO)～醚(C-O-C)＞羥基(-OH)＞羧基(-COOH)＞硝基(-NO3)的化學(xué)品，其中含有硝基的化學(xué)品輻射熱最小，氨基(NH3-)對(duì)熱輻射的影響隨化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化而變化。

3.2 沸騰液體蒸汽爆炸事故分析

對(duì)于只含有C、H的烷烴、醇類(lèi)、酯類(lèi)而言，爆炸區(qū)域隨著碳鏈長(zhǎng)度的增加而增加；由圖4可見(jiàn)，輻射熱所影響的面積與泄漏直徑不呈線(xiàn)性規(guī)律。不只含有C、H的化學(xué)品，各基團(tuán)對(duì)輻射熱的影響未呈現(xiàn)明顯規(guī)律。BLEVE輻射熱所引起的危險(xiǎn)區(qū)域約為池火的15～20倍。

圖4 烷烴類(lèi)BLEVE情況

4 結(jié)論

a)池火火災(zāi)熱輻射所形成危險(xiǎn)區(qū)域與泄漏直徑、風(fēng)速有關(guān)，與泄漏深度、風(fēng)向無(wú)關(guān)。BLEVE事故產(chǎn)生的危險(xiǎn)區(qū)域主要與池漏深度有關(guān)，與風(fēng)速及風(fēng)向關(guān)系不大。

b)化學(xué)品發(fā)生池火事故時(shí)，各化學(xué)品輻射熱所產(chǎn)生的危險(xiǎn)區(qū)域均隨泄漏直徑的增加而呈現(xiàn)線(xiàn)性增長(zhǎng)，危險(xiǎn)區(qū)域隨碳鏈的增加而增大。只含有C、H化學(xué)品輻射熱最強(qiáng)，含有羥基(-OH)、鹵素(-Cl)、羧基(-COOH)、酯基(R-COO-R)、羰基(-C ＝0)、醛基(-CHO)、胺基(-NH2)、硝基(-NO3)的化學(xué)品所產(chǎn)生的輻射熱均低于只含有C、H的化學(xué)品，各基團(tuán)對(duì)輻射熱的影響可大致歸納為:醛基(-CHO)～醚(C-O-C)＞羥基(-OH)＞羧基(-COOH)＞硝基(-NO3)的化學(xué)品，氨基(NH3-)對(duì)熱輻射的影響隨化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化而變化。

c)化學(xué)品發(fā)生BLEVE爆炸事故時(shí)，其產(chǎn)生的輻射熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于池火，輻射熱所引起的危險(xiǎn)區(qū)域約為池火的15～20倍；輻射熱所影響的面積與泄漏直徑不呈線(xiàn)性規(guī)律?；瘜W(xué)品含有其他基團(tuán)對(duì)輻射熱的影響未曾現(xiàn)明顯規(guī)律，但含有羧基(-COOH)和硝基(-NO3)的化學(xué)品的輻射熱相對(duì)最小。