基于PHAST 的危險(xiǎn)化學(xué)品壓力儲(chǔ)罐泄漏模擬分析

張光生 楊日麗 劉偉杰(隴東學(xué)院能源工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

0 引言

近年來，隨著我國化工企業(yè)生產(chǎn)規(guī)?？焖侔l(fā)展，危化品種類、所需數(shù)量急劇增多，且大多數(shù)往往具有易燃易爆、有毒危險(xiǎn)特性。若在生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存過程中由于管理不當(dāng)或者操作不慎往往會(huì)造成?；反竺娣e的泄露，就有可能發(fā)生災(zāi)難性后果。因此，加強(qiáng)對?；饭茴A(yù)控理就顯得意義重大。因此，針對危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏事故展開深入研究，同時(shí)建立有效的應(yīng)急機(jī)制十分必要[1]。

截止目前為止，國內(nèi)外一些學(xué)者對危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏擴(kuò)散模型的相關(guān)研究主要包括理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用3 個(gè)方面。至今已出現(xiàn)數(shù)以百計(jì)的典型事故后果模型，如高斯模型、BM 模型、Sutton 模型、FEM3 模型、箱及相似模型、P-G 模型等[2-7]。每個(gè)模型都有其各自的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，為試驗(yàn)研究提供了大量的理論依據(jù)。而國內(nèi)學(xué)者著重在重氣煙羽擴(kuò)散的風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)，氣體在風(fēng)洞擴(kuò)散行為[8]、兩相界流泄露模型[9]進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究等。結(jié)合不同的泄露后果模型開發(fā)了相關(guān)的軟件、其中應(yīng)用較為普遍的軟件，比如：PHAST、SAFETI、ALOHA等軟件，對不同類型的?；沸孤赌M。

本文選取某工業(yè)園區(qū)丙烷制丙烯腈項(xiàng)目為背景，利用PHAST軟件對其可能的泄露擴(kuò)散事故后果進(jìn)行模擬分析，得出定量危害影響范圍對提高罐區(qū)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及整體防范提供指導(dǎo)。

1 項(xiàng)目基本情況

1.1 生產(chǎn)概況

本項(xiàng)目位于某工業(yè)園區(qū)內(nèi)，作為一個(gè)1200 萬t 原油加工項(xiàng)目下屬的子項(xiàng)目?？傉嫉?.5 萬m2，其平面布置圖如圖1 所示。該區(qū)域內(nèi)無大河流，河流徑流量短。流量的季節(jié)性變化大。地上基巖裂隙水和沉積沖積層孔隙潛水量有限。儲(chǔ)罐區(qū)主要為立式柱形罐儲(chǔ)存。該項(xiàng)目儲(chǔ)罐區(qū)分為產(chǎn)品儲(chǔ)罐區(qū)及汽車裝卸區(qū)，產(chǎn)品區(qū)有2 個(gè)氫氰酸儲(chǔ)罐、4 個(gè)丙烯腈儲(chǔ)罐、2 個(gè)乙腈儲(chǔ)罐。

圖1 廠區(qū)平面布置圖

1.2 儲(chǔ)存系統(tǒng)

本項(xiàng)目物質(zhì)儲(chǔ)存情況及儲(chǔ)罐信息見表1 和表2。

表1 物質(zhì)儲(chǔ)存情況表

表2 儲(chǔ)罐容量、數(shù)量表

2 儲(chǔ)存系統(tǒng)重大危險(xiǎn)源辨識

2.1 儲(chǔ)存系統(tǒng)重大危險(xiǎn)源辨識理論

式中：q1,q2,…,qn為每種危險(xiǎn)物質(zhì)實(shí)際存在或者以后將要存在的量(t)；Q1,Q2,…,QN為各危險(xiǎn)物質(zhì)相對應(yīng)的臨界量(t)。

2.2 危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源分級標(biāo)準(zhǔn)

(1)分級指標(biāo)：經(jīng)校正系數(shù)校正后的比值之和R作為分級指標(biāo)。

(2)R的計(jì)算方法：

式中：β1,β2,…,βn為與各危險(xiǎn)化學(xué)品相對應(yīng)的校正系數(shù)；α為該危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源廠區(qū)外暴露人員的校正系數(shù)。

對照校正系數(shù)表，該項(xiàng)目中危險(xiǎn)化學(xué)品氫氰酸、氫氰酸、乙腈的校正系數(shù)β分別取值4、1.5、1.5，區(qū)外暴露人員校正系數(shù)取值為2。

2.3 危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源指標(biāo)計(jì)算

本項(xiàng)目危險(xiǎn)化學(xué)品R 計(jì)算指標(biāo)，見表3。

表3 本項(xiàng)目危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源指標(biāo)計(jì)算表

2.4 重大危險(xiǎn)源辨識結(jié)果

綜合以上分析結(jié)果，儲(chǔ)罐區(qū)危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源級別為一級，為保證安全生產(chǎn)的要求，采用PHAST 軟件模擬對儲(chǔ)罐區(qū)進(jìn)行了安全評估。因條件限制，僅對丙烯腈儲(chǔ)罐區(qū)泄漏事故進(jìn)行后果模擬分析。

3 應(yīng)用PHAST軟件對丙烯腈泄漏事故模擬

3.1 參數(shù)設(shè)定

本次模擬的事故情景為：丙烯腈儲(chǔ)罐區(qū)中丙烯腈儲(chǔ)罐因腐蝕穿孔而導(dǎo)致筒體破壞，在罐體高度4m 處產(chǎn)生孔洞造成丙烯腈泄漏，形成液池，發(fā)生連續(xù)蒸發(fā)擴(kuò)散。假設(shè)泄漏事故在20min內(nèi)得到有效控制。

(1)設(shè)定氣象條件：假定周圍大氣環(huán)境為1.5/F、3/F、5/F、1.5/D。

(2)設(shè)定天氣數(shù)據(jù)：假定該地區(qū)夏季平均氣溫28.1℃，相對濕度70%，擴(kuò)散計(jì)算的地表溫度30.7℃。

(3)設(shè)定地形條件：在PHAST 中地面粗糙度被指定為“30mm，開闊平坦的草地，少量孤立的物體”。選中這類表面類型，是因?yàn)樗a(chǎn)生了一個(gè)下風(fēng)向距離的保守估計(jì)，減少了對側(cè)風(fēng)距離過高的估計(jì)。釋放位置海拔7m。圍堰高度0.4m。

(4)泄漏源參數(shù)：泄漏源高度：4m。泄漏類型：連續(xù)泄漏。泄漏時(shí)間：20min。

(5)模型設(shè)定：5000m3丙烯腈儲(chǔ)罐，充裝系數(shù)為71%，罐內(nèi)最高允許工作壓力111.4kPa，丙烯腈液態(tài)時(shí)密度為0.8004kg/m3，氣態(tài)時(shí)密度為1.830kg/m3，罐體直徑23.7m，罐體高度12.53m。分別以泄漏當(dāng)量直徑為7mm(小孔泄漏)、25mm(中孔泄漏)和50mm(大孔泄漏)的孔洞為對象。

液體和易揮發(fā)氣體的釋放被建立為一個(gè)“隨時(shí)間變化釋放”的模型，假定泄漏位置在液面以下。釋放開始時(shí)的液體流速高于最后。在釋放開始時(shí)，罐內(nèi)的液位對泄漏的孔洞口能產(chǎn)生極大壓力。當(dāng)液位按照模擬的情況排空儲(chǔ)罐時(shí)，泄漏速率也同樣下降。

(6)濃度設(shè)定：在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測過程中需要對危害界限(或標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行合理選擇，PHAST 定義了幾個(gè)與作用時(shí)間相關(guān)的濃度，選擇美國工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會(huì)所指定的ERPG(緊急響應(yīng)計(jì)劃指南)作為繪制下風(fēng)向距離等濃度線的依據(jù)，因?yàn)樵趯?shí)際生活當(dāng)中，ERPG-3 更具有現(xiàn)實(shí)作用，它規(guī)定了大氣環(huán)境中最高的毒氣濃度值，在低于此濃度標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境中暴露1h，絕大多數(shù)人不會(huì)受到生命威脅，最終可以避難。丙烯腈ERPG 濃度分為三級，具體參數(shù)如表4 所示。

表4 緊急響應(yīng)計(jì)劃指南(ERPG)濃度

(7)風(fēng)險(xiǎn)后果分析：對于低壓常溫液體儲(chǔ)罐，在泄漏后不會(huì)發(fā)生閃蒸，泄漏后的液體會(huì)在地面形成液池，在未達(dá)到邊界時(shí)液池的大小隨時(shí)間增加而增加。液池以質(zhì)量蒸發(fā)為主，蒸發(fā)后以氣體形式迅速擴(kuò)散，質(zhì)量蒸發(fā)速率隨液池面積增加而增加，待液體流至邊界后，液池面積不再增加，質(zhì)量蒸發(fā)速率也不再增加。

由于罐體內(nèi)液體71%充滿狀態(tài)，當(dāng)儲(chǔ)罐下部出現(xiàn)孔洞引發(fā)泄漏時(shí)，孔洞處溫度發(fā)生變化，最終達(dá)到環(huán)境溫度，此時(shí)罐內(nèi)氣液平衡遭到了破壞，罐內(nèi)液體迅速從孔口溢出。論文中設(shè)定孔洞內(nèi)徑較小，罐內(nèi)溫度變化未達(dá)到急速狀態(tài)，因此，在沒有明火及高熱的情況下不會(huì)發(fā)生蒸氣爆炸，所以在進(jìn)行儲(chǔ)罐泄漏風(fēng)險(xiǎn)模擬時(shí)，主要考慮有毒氣體泄漏擴(kuò)散。

根據(jù)緊急響應(yīng)計(jì)劃指南，我們最關(guān)注的潛在死亡區(qū)域是高于75ppm 以上的丙烯腈濃度區(qū)域。下一個(gè)關(guān)注的區(qū)域是高于35ppm 以上濃度的丙烯腈，該濃度下可以對人體造成不良傷害。最后一個(gè)關(guān)注的區(qū)域?yàn)楦哂?0ppm 以上濃度丙烯腈，該濃度下會(huì)對人體產(chǎn)生短暫的不良反應(yīng)。

3.2 模擬結(jié)果

3.2.1 風(fēng)速的影響

圖2 表示的是在泄漏孔徑相同，而風(fēng)速不同的條件下，丙烯腈泄漏擴(kuò)散范圍俯視圖。在本次模擬中，三條曲線分別代表了三種不同風(fēng)速下丙烯腈泄漏的擴(kuò)散邊界范圍。在大氣穩(wěn)定度均為F 的條件下，藍(lán)色實(shí)線代表風(fēng)速1.5m/s 時(shí)的擴(kuò)散范圍，綠色長劃線代表風(fēng)速3.0m/s 時(shí)的擴(kuò)散范圍，紅色點(diǎn)劃線代表風(fēng)速5.0m/s 時(shí)的擴(kuò)散范圍。風(fēng)速越大，危險(xiǎn)區(qū)域越小。反之，風(fēng)速越小，危險(xiǎn)區(qū)域越大。也就是說高風(fēng)速有利于氣體的擴(kuò)散。

圖2 7mm孔洞泄漏擴(kuò)散范圍俯視圖

3.2.2 泄漏孔徑的影響

如圖3，圖4，圖5 所示，藍(lán)色實(shí)線代表ERPG-1(10ppm)，綠色長劃線代表ERPG-2(35ppm)，紅色點(diǎn)劃線代表ERPG-3(75ppm)。7mm 孔洞泄漏ERPG-1 濃度順風(fēng)距離約為1736m，云團(tuán)最大單側(cè)寬度103m；25mm 孔洞泄漏ERPG-1 濃度順風(fēng)距離約為7297m，云團(tuán)最大單側(cè)寬度408m；100mm 孔洞泄漏ERPG-1濃度順風(fēng)距離約為21925m，云團(tuán)最大單側(cè)寬度2427m?？梢钥闯隹讖酱笮∮绊懶孤┝?，因此在天氣條件相同的情況下，孔徑越大，危險(xiǎn)區(qū)域越大。

圖3 大氣環(huán)境1.5/F時(shí)，7mm孔洞泄漏擴(kuò)散范圍俯視圖

圖4 大氣環(huán)境1.5/F時(shí)，25mm孔洞泄漏擴(kuò)散范圍俯視圖

圖5 大氣環(huán)境1.5/F時(shí)，50mm孔洞泄漏擴(kuò)散范圍俯視圖

3.2.3 大氣穩(wěn)定度的影響

如圖6 所示，直徑7mm 的孔洞，在風(fēng)速1.5m/s 和大氣穩(wěn)定度分別為F、D 的條件下(藍(lán)色實(shí)線代表1.5/F，綠色點(diǎn)劃線代表1.5/D)，大氣穩(wěn)定度為F 時(shí)的云團(tuán)面積明顯大于大氣穩(wěn)定度為D時(shí)的云團(tuán)面積。

圖6 大氣環(huán)境1.5/F和1.5/D時(shí)，7mm孔洞泄漏擴(kuò)散范圍俯視圖

然而，這些關(guān)鍵距離的丙烯腈濃度和相關(guān)的擴(kuò)散范圍會(huì)隨著當(dāng)時(shí)的主導(dǎo)風(fēng)向而變化。同時(shí)，為了對現(xiàn)場應(yīng)急救援進(jìn)行實(shí)際的指導(dǎo)，通過PHAST 軟件，將當(dāng)?shù)氐牡乩硇畔⒕_的與CAD廠區(qū)布置圖相結(jié)合，在PHAST 中成功導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)，形成了圖7。

如圖7 所示，三種線型的圖形為常年主導(dǎo)風(fēng)向上的10ppm丙烯腈濃度擴(kuò)散濃度范圍。三種線型的圓環(huán)線分別為三種氣象條件下(藍(lán)色實(shí)線代表1.5/F，綠色長虛線代表3/F，紅色短點(diǎn)劃線代表5/F)各風(fēng)向丙烯腈濃度擴(kuò)散的最遠(yuǎn)點(diǎn)的連線。由于和地理信息系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)合，我們可以清楚的看到10ppm 丙烯腈濃度在不同氣象條件下的最大影響范圍，并了解其擴(kuò)散的寬度。在夏季的1.5F 的風(fēng)速條件下，10ppm 丙烯腈濃度區(qū)會(huì)影響到污水預(yù)處理車間、裝卸區(qū)和泡沫站，并超出了南部和西部的廠區(qū)邊界。在西南風(fēng)向的情況下，丙烯腈儲(chǔ)罐區(qū)和泡沫站均會(huì)處于濃度，但不會(huì)波及氫氰酸及乙腈儲(chǔ)罐區(qū)。從圖7 也可以看出，發(fā)生事故后，沿橫風(fēng)向向兩邊撤離能夠在最短時(shí)間內(nèi)逃離事故污染區(qū)域。

3.2.4 風(fēng)速對池火熱輻射的影響

當(dāng)丙烯腈儲(chǔ)罐失效產(chǎn)生孔洞泄漏后，泄漏到地面的液體便會(huì)向四周流淌、擴(kuò)展，若受到防火堤、隔堤等的阻擋，發(fā)生池火災(zāi)。在氧氣供應(yīng)充足的開放空氣環(huán)境中池火災(zāi)對周圍環(huán)境的主要傷害是熱輻射。

模擬結(jié)果顯示，風(fēng)速5m/s 時(shí)輻射值為4kW/m2的傷害半徑為6.9m；風(fēng)速1.5m/s 時(shí)輻射值為4kW/m2的傷害半徑為6m。如圖8，給事故控制帶來不確定性因素。

圖7 10ppm丙烯腈濃度地理信息系統(tǒng)分布圖

圖8 不同風(fēng)速下池火災(zāi)熱輻射影響距離

4 結(jié)語

本文通過PHAST 軟件模丙烯腈項(xiàng)目中的低壓丙烯腈儲(chǔ)罐泄漏的擴(kuò)散后果，用UDM 模型模擬液體蒸發(fā)擴(kuò)散的過程，評估泄漏造成的中毒區(qū)域。結(jié)果表明，PHAST 軟件能很好地定量風(fēng)險(xiǎn)模擬與評估石油、化工等裝置中各種事故，并以圖表的形式直觀的表達(dá)出來。

對同一孔徑的泄漏源來說，風(fēng)速越大，氣體越易揮發(fā)擴(kuò)散；風(fēng)速較低時(shí)，氣體因受大氣湍流的影響，氣體擴(kuò)散速度就越慢，危險(xiǎn)區(qū)域就越大。

在夏季的1.5F 的風(fēng)速條件下，10ppm 丙烯腈濃度區(qū)會(huì)影響到污水預(yù)處理車間、裝卸區(qū)和泡沫站，并超出了南部和西部的廠區(qū)邊界。其中，在主導(dǎo)風(fēng)向(西南風(fēng))的作用下，丙烯腈儲(chǔ)罐區(qū)和泡沫站均會(huì)處于濃度，但不會(huì)波及氫氰酸及乙腈儲(chǔ)罐區(qū)。從丙烯腈濃度地理信息系統(tǒng)分布圖可以看出，發(fā)生事故后，沿橫風(fēng)向向兩邊撤離能夠在最短時(shí)間內(nèi)逃離事故污染區(qū)域。

由池火災(zāi)輻射影響距離圖可以看出，若丙烯腈儲(chǔ)罐泄漏發(fā)生池火災(zāi)事故，不同風(fēng)速下的熱輻射半徑均處于丙烯腈罐區(qū)范圍之內(nèi)，且熱輻射半徑均未達(dá)到輕傷半徑。