界區(qū)內(nèi)有毒氣體泄漏安全距離判定基準的探討

王 娟 蒲子超

中海油石化工程有限公司 青島 266101

近年來，高毒泄漏源與人員集中場所的安全距離逐步引起重視。在工程設(shè)計中，多數(shù)情況下的安全距離僅考慮防火、防爆安全距離的要求，對防毒還停留在原則要求的層面。而石油化工廠儲存有毒物質(zhì)量較大，一旦有毒物質(zhì)泄漏，對廠內(nèi)人員的健康產(chǎn)生較嚴重的影響。《石油化工工廠布置設(shè)計規(guī)范》指出，在滿足防火規(guī)范和與VCE爆炸危險源的距離要求同時，對高毒泄漏源與廠內(nèi)人員集中場所的安全距離提出要求。但此規(guī)范指出：如進行了有毒物料泄漏擴散分析計算，防護距離可采用實際計算結(jié)果。雖然規(guī)范指出可采用計算的方法，但國內(nèi)現(xiàn)有規(guī)范并未給出計算結(jié)果的判定基準。本文分別采用PHAST和SAFETI軟件對某石化廠內(nèi)制氫裝置一氧化碳氣體泄漏進行計算分析，將計算結(jié)果與標準規(guī)范進行比較，對界區(qū)內(nèi)有毒氣體泄漏安全距離的判定基準進行探討。

1 確定內(nèi)部安全距離的方法

1.1 GB50984判定方法

《石油化工工廠布置設(shè)計規(guī)范》GB50984指出，工廠內(nèi)人員集中場所的最小安全防護距離，在無條件計算時，可參照給出建議值設(shè)置安全防護距離。

1.2 基于后果的計算方法

后果法是基于人員集中場所的最大可置信事件(MCEs)[1]，僅考慮毒性物質(zhì)泄漏擴散的影響，而不考慮事件發(fā)生頻率。實際在計算中，通?？刹捎脴?gòu)成高毒危險源的設(shè)備和距離人員集中場所最近設(shè)備分別進行計算，查看最大的影響距離。后果計算可采用PHAST軟件進行計算，確定需要計算的單元后，設(shè)置泄漏場景和暴露標準，進行擴散計算。達到毒性閾值的氣云未擴散到人員集中場所，則判定此安全距離滿足要求；反之，則不滿足。

1.3 基于風(fēng)險的計算法

風(fēng)險法是一種定量風(fēng)險評估方法，對有毒物質(zhì)泄漏事故后果和發(fā)生的概率進行綜合分析，最終利用風(fēng)險標準確定安全距離。

后果法為單個事故場景的最大值，而風(fēng)險法為多個事故場景在其發(fā)生概率下的并進行運算的結(jié)果。風(fēng)險法需確定概率值，包括基本泄漏事件的概率值、風(fēng)向頻率值等。風(fēng)險法可采用SAFETI軟件，對泄漏單元、泄漏場景和各種概率值進行設(shè)置，并進行運算后得到人員集中場所的個人風(fēng)險值。根據(jù)此風(fēng)險值，判定人員集中場所距離有毒設(shè)備的安全距離是否滿足要求。

2 不同確定方法的比較

2.1 實例概況

以某石化廠區(qū)內(nèi)制氫裝置作為模擬分析對象。多年平均風(fēng)速為1.7 m/s，年平均氣溫17.4℃，全年主導(dǎo)風(fēng)向為北風(fēng)，平均年日照1380 h，年降雨量932 mm?，F(xiàn)擬在廠區(qū)南側(cè)新建一套制氫裝置，但其北側(cè)為已建中心控制室，此控制室設(shè)置正壓通風(fēng)。需計算制氫裝置距離人員集中場所(中心控制室)的安全距離是否滿足要求。

2.2 防護距離的計算結(jié)果

制氫裝置可燃物料量未構(gòu)成VCE爆炸危險源，在裝置滿足防火間距的情況下，此處僅考慮物料泄漏后物料中的一氧化碳泄漏擴散的安全距離。

2.2.1 規(guī)范建議的安全距離

根據(jù)《石油化工工廠布置設(shè)計規(guī)范》，一氧化碳的最低限值要求為8000 ppm，超過限值要求，則為高毒危險源。對制氫裝置設(shè)備中物料進行辨識，涉及的高毒危險源見表1。

表1 泄漏單元的設(shè)定

擬建制氫裝置中距離中心控制室最近設(shè)備為提氫吸附塔，由表2可知，即便中央控制室有防護措施的情況下，實際距離也不滿足規(guī)范要求的。

表2 人員集中場所與高毒危險源間距表

2.2.2 后果法計算的安全距離

從設(shè)備的操作壓力和物料量考慮，對應(yīng)于中心控制室的一氧化碳泄漏最大可能置信事件為提氫吸附塔泄漏，物料組成見表3。

表3 提氫吸附塔的物料

本次計算采用PHAST軟件進行擴散計算，計算時物料采用混合物料計算。由于設(shè)備(設(shè)施)直徑大于150 mm，分別設(shè)置小孔泄漏(5 mm)、中孔泄漏(25 mm)、大孔泄漏(100 mm)的泄漏場景。毒性暴露標準[2]包括兩種，一種是存在毒性氣云的標準，另一種為人員傷亡率的標準。毒性氣云的標準關(guān)注的是毒性氣云的濃度是否大于等于毒性的閾值，通常采用應(yīng)急響應(yīng)計劃指南值(ERPGs值[2])或立即致死濃度(IDLH)[3]。此處暴露標準采用毒性氣云的標準，毒性的閾值采用一氧化碳的ERPG-3值。當(dāng)物料設(shè)置混合物料時，計算的結(jié)果為混合物料的擴散結(jié)果，而在此僅關(guān)注一氧化碳的濃度為閾值的擴散距離，因此在軟件中需設(shè)置追蹤物料為一氧化碳。擴散計算后，提氫吸附塔和二氧化碳吸收塔分別在小、中、大孔泄漏時，在毒性的閾值為500ppm時下風(fēng)向的擴散距離見圖1、圖2，對應(yīng)泄漏孔徑的安全距離見表4。

表4 后果法計算的中心控制室安全距離

圖1 提氫吸附塔小、中、大孔下風(fēng)向擴散側(cè)視圖

圖2 二氧化碳吸收塔小、中、大孔下風(fēng)向擴散側(cè)視圖

基于上述基準，后果法計算得到小孔和中孔泄漏所需安全距離小于泄漏源與控制室的實際間距，但大孔泄漏的安全距離是大于實際間距的。

2.2.3 風(fēng)險法計算的安全距離

風(fēng)險法計算時，將表1所有的設(shè)備均進行建模，設(shè)置小孔、中孔、大孔、全破裂泄漏場景。采用LEAK軟件，計算每個設(shè)備的泄漏單元的頻率，設(shè)備數(shù)量較多，此處僅列舉二氧化碳吸收塔和提氫吸附塔的泄漏頻率計算結(jié)果，見圖3。

圖3 二氧化碳吸收塔和提氫吸附塔的泄漏頻率計算模型及結(jié)果界面

裝置區(qū)人口的數(shù)據(jù)見表5。

表5 裝置區(qū)人口數(shù)據(jù)表

在SAFETI中設(shè)置泄漏頻率、風(fēng)向頻率值(取自項目所在地風(fēng)玫瑰)、人口的值，在控制室處設(shè)置風(fēng)險等級點[4]，模型見圖4。

圖4 SAFETI模型圖

風(fēng)險計算結(jié)果見圖5?？刂剖姨幨艿街茪溲b置的毒性室內(nèi)風(fēng)險約為4.445 E-05，室外風(fēng)險為5E-05。

圖5 風(fēng)險等級點的計算結(jié)果

3 計算采用的判定基準探討

《石油化工工廠布置設(shè)計規(guī)范》指出有毒物料泄漏擴散分析可采用計算的方法，但未指出計算結(jié)果的判定基準。2019年實施的《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施外部安全防護距離確定方法》和《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施風(fēng)險基準》，給出了外部安全防護距離的確定方法和風(fēng)險基準，但并未給出界區(qū)內(nèi)的風(fēng)險基準。

3.1 基于后果的判定基準

除去操作參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的影響，后果法計算結(jié)果的關(guān)鍵因素包括：泄漏孔徑和暴露標準的選取。

完全破裂的泄漏場景發(fā)生的可能性較小，在后果法計算時，一般不以完全破裂的影響范圍作為判定基準。從表4中計算結(jié)果可以看出，小孔和中孔泄漏時，有毒氣云均未擴散到控制室處；大孔泄漏時，有毒氣云擴散距離遠超設(shè)備與控制室間的實際距離。以哪種孔徑作為有毒物質(zhì)泄漏安全距離的判定基準，成為需要探討的問題。

本次計算中已建控制室采用正壓通風(fēng)，因此計算中采用毒性氣云的暴露標準。當(dāng)采用暴露標準時，計算可用閾值見表6(但不局限)，毒性的閾值可取ERPGs值或立即致死濃度(IDLH)，但并未明確。

表6 一氧化碳的毒性閾值

在選用毒性氣云的暴露標準并選用ERPG-3的毒性域值時，大孔泄漏的計算結(jié)果接近《石油化工工廠布置設(shè)計規(guī)范》建議值，但由于操作參數(shù)的影響，擴散距離存在差異?？傮w而言，基于后果的判定基準可參照選用大孔在ERPG-3的毒性域值下的計算結(jié)果。

3.2 基于風(fēng)險的判定基準

國內(nèi)現(xiàn)有規(guī)范未指出界區(qū)內(nèi)部人員集中場所等防護目標的個人風(fēng)險基準，2019年實施的《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施風(fēng)險基準》，也僅規(guī)定了高敏感防護目標、重要防護目標、一般防護目標(一類、二類、三類)的個人風(fēng)險基準，屬界區(qū)外個人風(fēng)險基礎(chǔ)。

參考英國健康安全執(zhí)行局HSE推薦的個人風(fēng)險可接受標準[5]，見表7。

表7 英國HSE推薦的界區(qū)內(nèi)人員個人風(fēng)險可接受標準

參考英國HSE推薦的個人風(fēng)險可接受標準，控制室所受制氫裝置的風(fēng)險在風(fēng)險可容忍區(qū)域內(nèi)。英國風(fēng)險可容忍風(fēng)險基準為1.0E-03～1.0E-06，但依據(jù)此風(fēng)險基準的上限為判定基準，較為保守?；陲L(fēng)險方法與基于后果的方法相比，基于風(fēng)險判定安全距離更合理。因此在選用風(fēng)險法時，界區(qū)內(nèi)風(fēng)險基準可根據(jù)企業(yè)自身的可接受風(fēng)險為基準，此風(fēng)險由企業(yè)根據(jù)實際情況制定。

基于風(fēng)險的方法相比于基于后果的方法，考慮泄漏概率、風(fēng)向頻率和人口的影響，計算結(jié)果更準確，更適合作為判定結(jié)果。

4 結(jié)語

(1)基于風(fēng)險的界區(qū)內(nèi)安全距離的判定基準，參考英國的可容忍風(fēng)險基準較為保守，廠區(qū)內(nèi)的風(fēng)險基準可根據(jù)企業(yè)自身的可接受風(fēng)險為基準。

(2)基于后果的界區(qū)內(nèi)安全距離判定基準，推薦選用大孔在ERPG-3的毒性域值下的計算結(jié)果。

(3)基于風(fēng)險的計算方法相比于基于后果的計算方法，考慮了頻率的影響，更適合作為判定結(jié)果。