基于社會風(fēng)險曲線的液氯泄漏事故后果分析研究*

吳子科 劉晉 齊東川 吳進(jìn) 王琦

(1.重慶市安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 重慶 401331； 2.重慶科技學(xué)院 重慶 401331；3.重慶市航空應(yīng)急救援總隊 重慶 401331)

0 引言

由于化工生產(chǎn)裝備多管道、多連接口的特性，“泄漏事故”是化工企業(yè)常見的安全事故之一[1-2]。一旦泄漏容易引發(fā)人員中毒，遇到明火或高溫會引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸等事故，是危害企業(yè)安全的主要因素，對化工企業(yè)造成了極大的困擾；對有毒有害氣體在不同情況下的泄漏進(jìn)行模擬，能夠讓企業(yè)了解各種生產(chǎn)狀態(tài)下事故發(fā)生的后果以及概率，進(jìn)而幫助企業(yè)找到生產(chǎn)與安全之間的平衡，使企業(yè)在追求生產(chǎn)效益的同時也能保障安全，具有突出的現(xiàn)實意義。

在各種企業(yè)風(fēng)險評價的方法中，運用社會風(fēng)險曲線(F-N)來衡量企業(yè)生產(chǎn)安全是主流的方式[3]。其原理是通過衡量某一事故發(fā)生群死群傷的概率是否在社會公眾的可接受范圍來確定該情況下生產(chǎn)是否合理。通常分為不可接受區(qū)、盡可能降低區(qū)以及可接受區(qū)，最理想的狀態(tài)是社會風(fēng)險在接受區(qū)范圍內(nèi)，表明系統(tǒng)的安全性較高。F-N曲線示意圖如圖1所示[4-5]。

圖1 社會風(fēng)險(F-N)曲線示意

1 某化工企業(yè)概況

2 事故后果模擬計算分析

2.1 模擬軟件介紹及模擬參數(shù)選取

事故后果模擬計算采用挪威船級社PHAST軟件。PHAST軟件是由挪威船級社(DNV)開發(fā)的，是專門用于石油石化領(lǐng)域危險分析與安全計算的軟件，已在許多國家廣泛運用并獲得認(rèn)可[6-7]。

氯氣(液氯)屬于劇毒危險化學(xué)品，一旦發(fā)生泄漏事故，將會導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的人員中毒、甚至死亡[8]。本文對廠區(qū)內(nèi)的鋼瓶、儲罐的液氯泄漏導(dǎo)致的事故后果進(jìn)行模擬計算。

(1)泄漏源參數(shù)的選取見表1。

表1 數(shù)值模擬計算選用參數(shù)

(2)泄漏場景及計算所用的設(shè)備失效頻率選取《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》(GB/T 37243—2019)中推薦的壓力設(shè)備的失效頻率值，其主要失效場景和設(shè)備失效頻率值見表2。

表2 壓力容器的失效頻率

(3)氣象參數(shù)，選取當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速1.9 m/s，大氣穩(wěn)定度D(在此穩(wěn)定度下，大氣處于中度穩(wěn)定狀態(tài)，有相對較大的危險性)，同時根據(jù)項目所在地風(fēng)玫瑰圖考慮16個風(fēng)向以及每個風(fēng)向的風(fēng)頻。

2.2 事故后果定量計算結(jié)果

氯氣泄漏后，擴(kuò)散階段主要分為在容器壓力作用下的被動擴(kuò)散和當(dāng)云團(tuán)壓力達(dá)到大氣壓時的主動擴(kuò)散。氯氣密度比空氣大，屬于重氣擴(kuò)散，需采用UDM擴(kuò)散模型進(jìn)行模擬。采用PHAST軟件將液氯鋼瓶、液氯儲罐作為壓力容器進(jìn)行建模計算，計算時間設(shè)置為3 600 s，關(guān)注高度為0 m。模擬了液氯鋼瓶、液氯儲罐在小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏、完全破裂4種事故情景下的氯氣體擴(kuò)散的影響范圍。擴(kuò)散時選擇的關(guān)注體積分?jǐn)?shù)分別為1×10-6、3×10-6、2×10-5、5×10-4。其中1×10-6、3×10-6、2×10-5為《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》(GB/T 37243—2019)表G.1中氯氣推薦的ERPGS影響閾值關(guān)注濃度，5×10-4為氯氣致死體積分?jǐn)?shù)。其基本含義為

①ERPG-1(氯氣體積分?jǐn)?shù)為1×10-6)：當(dāng)人員暴露在該體積分?jǐn)?shù)的環(huán)境中1 h時，除受到短暫的微弱不良健康影響，或惡劣氣味之外，不會有更嚴(yán)重的不良影響。

②ERPG-2(氯氣體積分?jǐn)?shù)為3×10-6)：人員暴露在該體積分?jǐn)?shù)的環(huán)境中1 h時，不會受到不可逆或嚴(yán)重健康影響，或者不會降低人員自身采取防護(hù)措施的能力。

礦區(qū)內(nèi)一組NNW向的褶皺和張扭性斷裂及伴生的近EW向張扭性斷裂，是廣西山字型構(gòu)造前弧西翼的一部分，是區(qū)內(nèi)最發(fā)育的一組構(gòu)造形跡。其組合特征：由南至北，走向由NW逐漸轉(zhuǎn)向NNW，再轉(zhuǎn)向NW，總體呈似反“S”形，呈兩個弧形分別稍向西和東突出。中部具有向NNW撒開，向南東逐漸收斂的趨勢。表明五圩地區(qū)曾受到區(qū)域性順時針扭力的作用[5]。五圩背斜核部中段箭豬坡一帶發(fā)育了一組扭性斷裂，這些斷裂控制了五圩地區(qū)內(nèi)生熱液礦產(chǎn)的分布。

③ERPG-3(氯氣體積分?jǐn)?shù)為2×10-5)：當(dāng)人員暴露在該體積分?jǐn)?shù)的環(huán)境中1 h時，不會產(chǎn)生危及生命健康的影響。

④致死濃度(氯氣體積分?jǐn)?shù)5×10-4)：當(dāng)人員暴露在該體積分?jǐn)?shù)的環(huán)境中5 min就會中毒死亡。

2.2.1 液氯鋼瓶泄漏事故后果模擬分析

(1)不同泄漏場景事故狀態(tài)下的影響距離。云團(tuán)最大足跡反映了發(fā)生泄漏時，關(guān)注的4種濃度下的氯氣能擴(kuò)散影響的最大距離(順風(fēng)方向)，表3匯總了4種事故狀態(tài)下，不同濃度的云團(tuán)能波及的水平最遠(yuǎn)距離。由表看出，中孔泄漏波及距離最遠(yuǎn)，其體積分?jǐn)?shù)1×10-6、3×10-6、2×10-5的云團(tuán)擴(kuò)散的距離均最大；大孔泄漏造成的死亡距離最大，為294 m。

表3 氯氣鋼瓶泄漏4種濃度下最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離 m

(2)不同泄漏場景事故狀態(tài)下的影響高度。氯氣云團(tuán)擴(kuò)散時會在高度上擴(kuò)散，由云團(tuán)擴(kuò)散側(cè)視圖動態(tài)圖像，可以看出4種事故情景下，云團(tuán)可以擴(kuò)散的最大高度，詳細(xì)情況見表4。

表4 氯氣鋼瓶泄漏4種濃度下云團(tuán)擴(kuò)散最大高度 m

綜合4種泄漏場景，發(fā)生泄漏事故時，體積分?jǐn)?shù)1×10-6云團(tuán)擴(kuò)散能影響的最大高度為100 m，體積分?jǐn)?shù)3×10-6云團(tuán)擴(kuò)散能影響的最大高度為62 m，場景均為中孔泄漏；體積分?jǐn)?shù)2×10-5云團(tuán)擴(kuò)散能影響的最大高度為23 m，場景為大孔泄漏；體積分?jǐn)?shù)5×10-4云團(tuán)擴(kuò)散能影響的最大高度為9.5 m，場景為災(zāi)難性破裂。

(3)不同泄漏場景事故狀態(tài)下的影響范圍。云團(tuán)發(fā)生擴(kuò)散時，不僅會順著風(fēng)向向前擴(kuò)散，還會向左右兩側(cè)擴(kuò)散，氯氣泄漏在某一水平面上的影響范圍，由兩個方向云團(tuán)擴(kuò)散的距離綜合決定[9]。

2.2.2 液氯儲罐泄漏事故模擬分析

(1)影響距離。表5匯總了液氯儲罐4中泄漏事故模型，氯氣擴(kuò)散產(chǎn)生的不同濃度可波及的水平最遠(yuǎn)距離。液氯儲罐大孔泄漏波及距離最遠(yuǎn)，體積分?jǐn)?shù)1×10-6、3×10-6、2×10-5、5×10-4的云團(tuán)影響的距離均最大；體積分?jǐn)?shù)1×10-6的云團(tuán)影響水平距離可達(dá)3 826 m，體積分?jǐn)?shù)3×10-6的云團(tuán)影響水平距離可達(dá)1 299 m，體積分?jǐn)?shù)2×10-5的云團(tuán)影響水平距離可達(dá)1 086 m，體積分?jǐn)?shù)5×10-4的云團(tuán)影響水平距離可達(dá)412 m。

表5 液氯儲罐4種泄漏模型的氯氣擴(kuò)散距離 m

(2)影響范圍。當(dāng)液氯儲罐發(fā)生泄漏，云團(tuán)擴(kuò)散時，不僅會順著風(fēng)向向前擴(kuò)散，還會向左右兩側(cè)擴(kuò)散，氯氣泄漏在同一水平面上的影響范圍，由兩個方向云團(tuán)擴(kuò)散距離決定。

(3)分析結(jié)論。由投射到地圖上的致死體積分?jǐn)?shù)5×10-4的云團(tuán)影響范圍可以看出，致死濃度主要影響區(qū)域為廠區(qū)，完全破裂時可能導(dǎo)致廠區(qū)外面的人員死亡，但在此影響范圍內(nèi)，沒有居民區(qū)等防護(hù)目標(biāo)。當(dāng)大孔泄漏、完全破裂時，由體積分?jǐn)?shù)2×10-5的云團(tuán)投射到地圖上影響范圍可以看出，羊叉菁組、青杠園組、養(yǎng)豬場屬于影響范圍內(nèi)，但羊叉菁組、青杠園組位于比廠區(qū)高出90 m的地方，結(jié)合云團(tuán)最大影響高度，可知體積分?jǐn)?shù)2×10-5云團(tuán)擴(kuò)散基本擴(kuò)散不到該高度位置。因此體積分?jǐn)?shù)2×10-5的云團(tuán)主要影響該區(qū)域內(nèi)的與廠區(qū)處于一個水平面上的人員。而大孔泄漏、完全破裂形成的體積分?jǐn)?shù)1×10-6的云團(tuán)會影響該地區(qū)的居民。

3 整體社會風(fēng)險計算

本文針對某化工企業(yè)兩處重大危險源(液氯鋼瓶和液氯儲罐區(qū))采取了3種不同狀態(tài)下的計算模型進(jìn)行了社會風(fēng)險模擬計算。由于搬遷周邊居民的經(jīng)濟(jì)合理性差，當(dāng)?shù)刈匀粭l件(包括風(fēng)向)不可控制，因此降低危險化學(xué)品最大儲量，是降低企業(yè)整體社會風(fēng)險的較好途徑。為此本文選取了3種模型來模擬分析計算。

(1)第一方案：300個液氯鋼瓶、3個液氯儲罐(55.5 m3)全部使用的情況。重大危險源社會整體風(fēng)險計算首次計算綜合考慮了企業(yè)存在的最大風(fēng)險，即300個液氯鋼瓶、3個液氯儲罐(55.5 m3)的整體社會風(fēng)險。第一方案的社會風(fēng)險曲線如圖2所示。

圖2 使用300個液氯鋼瓶和3個液氯儲罐(55.5 m3)社會風(fēng)險曲線

第一方案的重大危險源社會風(fēng)險曲線位于盡可能降低區(qū)內(nèi)，沒有進(jìn)入不可容許區(qū)，但需要盡可能采取安全措施，降低風(fēng)險。一次性事故死10人累計頻率大致為7×10-6，死100人累計頻率大致為2×10-6，死400人的頻率大致為5×10-7。死亡人員主要為廠區(qū)內(nèi)工作人員，因此建議廠區(qū)內(nèi)離鋼瓶儲存區(qū)與儲罐區(qū)該兩處重大危險源較近的工作場所工作人員應(yīng)相應(yīng)減少，且附近區(qū)域作業(yè)的工作人員必須采取個人防護(hù)措施；建議廠區(qū)外部安全防護(hù)距離內(nèi)不再新建人員密集的企業(yè)和居民住宅；建議調(diào)整區(qū)域規(guī)劃，逐步減少周邊人口密度。

(2)第二方案：只使用20個液氯鋼瓶、3個液氯儲罐(55.5 m3)的情況。按照應(yīng)急管理部門的要求，需要針對采取措施后的重大危險源整體社會風(fēng)險進(jìn)行計算。為此本文按照20個液氯鋼瓶、3個液氯儲罐(55.5 m3)作為第二方案來計算重大危險源社會風(fēng)險。第二方案重大危險源的社會風(fēng)險曲線如圖3所示。

圖3 只使用20個液氯鋼瓶和3個液氯儲罐(55.5 m3)的社會風(fēng)險曲線

由圖3可知，在只使用20個液氯鋼瓶和3個液氯儲罐(55.5 m3)下，一次性死亡1人的事故概率為5×10-4，該概率曲線位于F-N曲線圖的盡可能降低區(qū)。一次性死亡2人及以上的事故概率為6×10-5，完全位于F-N曲線圖的可容許區(qū)，因此企業(yè)在液氯儲罐區(qū)和液氯鋼瓶區(qū)采取了有毒氣體檢測報警控制和SIS獨立儀表控制系統(tǒng)后，目前第二方案重大危險源社會風(fēng)險較小，屬于可控范圍內(nèi)。

(3)第三方案：只使用20個液氯鋼瓶、1個液氯儲罐(55.5 m3)的情況。只使用20個液氯鋼瓶和1個液氯儲罐(55.5 m3)的社會風(fēng)險曲線見圖4。

圖4 只使用20個液氯鋼瓶和1個液氯儲罐(55.5 m3)的社會風(fēng)險曲線

由圖4可知，在只使用20個液氯鋼瓶和1個液氯儲罐(55.5 m3)下，該企業(yè)重大危險源社會風(fēng)險概率全部位于F-N曲線圖的可容許區(qū)，死亡1人的概率小于1×10-5。但是由于企業(yè)生產(chǎn)工藝要求使用3個液氯儲罐，因此只使用單個液氯儲罐不能滿足企業(yè)生產(chǎn)需求。

(4)風(fēng)險計算小結(jié)。由于第一種方案，重大危險源社會風(fēng)險100人以內(nèi)死亡概率均落入F-N曲線圖的盡可能降低區(qū)，未進(jìn)入不可接受區(qū)，但是社會風(fēng)險很大。

而第三種方案，重大危險源社會風(fēng)險很小，風(fēng)險概率曲線全部位于F-N曲線圖的可容許區(qū)，但是只使用單個液氯儲罐不能滿足生產(chǎn)工藝需求。

因此建議企業(yè)采取第二種方案，使用20個液氯鋼瓶和3個液氯儲罐(55.5 m3)，既滿足生產(chǎn)需求，而且重大危險源社會風(fēng)險較小，死亡2人以上風(fēng)險屬于可控范圍內(nèi)，企業(yè)可以承受該風(fēng)險。社會風(fēng)險曲線位于盡可能降低區(qū)是要求企業(yè)在經(jīng)濟(jì)技術(shù)許可時，盡量降低風(fēng)險。目前，企業(yè)在液氯儲罐區(qū)和液氯鋼瓶區(qū)采取了有毒氣體檢測報警控制和SIS獨立儀表控制系統(tǒng)，社會風(fēng)險處于可接受狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)通過對某使用液氯的化工企業(yè)事故后果模擬分析研究，設(shè)置了3個模型的計算，通過比較分析，并對企業(yè)的生產(chǎn)需求和整體風(fēng)險統(tǒng)籌考慮，在不改變廠區(qū)周邊居民分布的情況下，針對企業(yè)的安全生產(chǎn)提出了最優(yōu)控制方案。

(2)通過風(fēng)險計算，發(fā)現(xiàn)危險化學(xué)品的儲存量、周邊居民分布情況、當(dāng)?shù)刈匀粭l件(主要為風(fēng)向)這3個因素均為影響化工企業(yè)社會整體風(fēng)險的關(guān)鍵指標(biāo)，通過關(guān)鍵指標(biāo)的控制，可以降低化工企業(yè)整體社會風(fēng)險。

(3)由于搬遷周邊居民的經(jīng)濟(jì)合理性差，當(dāng)?shù)刈匀粭l件(包括風(fēng)向)不可控制，因此降低危險化學(xué)品儲量和提高危險化學(xué)品貯存系統(tǒng)的自動控制技術(shù)，是化工企業(yè)降低其風(fēng)險的最佳途徑。