基于PHAST軟件的化工廠液氨儲(chǔ)罐泄漏模擬

雷小佳

(湖南石油化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南岳陽 414001)

液氨是一種無色液體，具有強(qiáng)烈刺激性氣味，在常溫常壓下氨為氣態(tài)，易溶于水、乙醇等，具有毒害性、燃爆性的特點(diǎn)。由于液氨泄漏后會(huì)迅速氣化，向周圍空間蔓延，在很短的時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到致人死亡的濃度，危害極大。氨氣具有燃爆性，與空氣混合能形成爆炸性氣體，遇火源能發(fā)生燃燒爆炸[1-3]。因此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開了研究。張杰等[4]運(yùn)用SAFETI軟件對(duì)液氨儲(chǔ)罐發(fā)生連續(xù)性泄漏進(jìn)行了模擬，計(jì)算了液氨泄漏事故的擴(kuò)散距離及影響范圍。張倩玉[5]基于PHAST軟件對(duì)液氨儲(chǔ)罐泄漏事故進(jìn)行了模擬，結(jié)論為隨著風(fēng)速的增加，噴射火影響后果會(huì)逐漸減小。趙昆淇[6]對(duì)液化天然氣的泄漏擴(kuò)散和火災(zāi)爆炸情況進(jìn)行了定量的計(jì)算和定性的影響分析。

PHAST軟件是一種多功能定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的計(jì)算軟件，該軟件計(jì)算準(zhǔn)確度高，可以模擬泄漏、擴(kuò)散、火災(zāi)、爆炸等事故傷害模型，并且可以采用圖表的形式呈現(xiàn)不同事故狀態(tài)下的影響范圍。利用PHAST軟件對(duì)某化工廠的液氨泄漏后果進(jìn)行模擬及定量評(píng)價(jià)，明確當(dāng)液氨泄漏事件發(fā)生時(shí)的應(yīng)急安全距離，使現(xiàn)場(chǎng)工作人員完成有效的自救和事故控制，以保證工作人員的生命安全和減少企業(yè)的財(cái)產(chǎn)損失[7-8]。

1 基礎(chǔ)參數(shù)

以某化工廠現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)為基礎(chǔ)對(duì)液氨儲(chǔ)罐泄漏進(jìn)行了模擬。該地區(qū)常年平均氣溫為10 ℃，平均風(fēng)速為4 m/s，平均大氣濕度為75%，大氣穩(wěn)定度為D。選取該化工廠內(nèi)某條液氨儲(chǔ)罐管線進(jìn)行事故模擬，模擬設(shè)定的事故參數(shù)如表1所示。

表1 事故參數(shù)表

根據(jù)點(diǎn)火時(shí)間的不同，會(huì)產(chǎn)生不同的事故后果。液氨發(fā)生泄漏之后，如果沒有遇到點(diǎn)火源，只是發(fā)生了擴(kuò)散，人或其他動(dòng)物進(jìn)入擴(kuò)散區(qū)域，則會(huì)產(chǎn)生中毒現(xiàn)象；如果泄漏之后立即點(diǎn)火，則會(huì)產(chǎn)生噴射火；如果泄漏之后隔一段時(shí)間遇到點(diǎn)火源，則泄漏的液氨氣體會(huì)形成蒸氣云，遇到點(diǎn)火源會(huì)發(fā)生爆炸或者閃火[9-12]。

2 模型建立

2.1 泄漏氣體擴(kuò)散模型

采用UDM模型計(jì)算擴(kuò)散過程，對(duì)于連續(xù)泄漏，其質(zhì)量濃度c(x,y,δ)如公式(1)所示。

式中，c0(x)為中心線質(zhì)量濃度，kg/m3；δ為煙羽中心線的距離，m；y為橫風(fēng)向距離，m；lz(x)、ly(x)分別為質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差的垂直、水平擴(kuò)散參數(shù)，m；n(x)為質(zhì)量濃度垂直分布函數(shù)指數(shù)；m(x)為質(zhì)量濃度橫風(fēng)向分布函數(shù)指數(shù)。

2.2 蒸氣云爆炸模型

TNT當(dāng)量法和TNO(Multi-Energy)模型法是蒸氣云爆炸模擬方法中的2個(gè)典型模型。TNT當(dāng)量法是把蒸氣云爆炸的破壞作用轉(zhuǎn)化為TNT爆炸的破壞作用，從而把蒸氣云的量轉(zhuǎn)化成TNT當(dāng)量，TNT當(dāng)量法模型如式(2)、式(3)、式(4)所示。

式中，WTNT為TNT的質(zhì)量，kg；a為蒸氣云當(dāng)量系數(shù)(統(tǒng)計(jì)平均值為0.04，占統(tǒng)計(jì)的60%)；W為蒸氣云中液氨氣體的質(zhì)量，kg；Q為液氨的燃燒熱，J/kg；QTNT為TNT的爆炸熱，J/kg；R為某目標(biāo)點(diǎn)距離爆炸中心的距離，m；z為R處的爆炸特征長度；Pi為R處的爆炸超壓峰值，Pa。

2.3 噴射火模型

噴射火半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ā皢吸c(diǎn)源”模型、“多點(diǎn)源”模型及“圓錐體”模型。其中單點(diǎn)源模型包括“APIRP521”模型、“Shell”模型。點(diǎn)源模型將噴射火焰看作是一系列點(diǎn)源沿著火焰長度方向周圍進(jìn)行熱輻射，并且認(rèn)為每一個(gè)點(diǎn)釋放的能量是相等的，點(diǎn)源模型有單點(diǎn)源模型和多點(diǎn)源模型2種分類。

在進(jìn)行事故后果分析時(shí)，經(jīng)常以噴射中心線上的5個(gè)或多個(gè)點(diǎn)熱源連接成的線來當(dāng)做噴射火焰。據(jù)此與假定點(diǎn)熱源相距R0處的目標(biāo)所受到的熱輻射強(qiáng)度Ii可由公式(5)計(jì)算。

對(duì)于多點(diǎn)源模型，其熱輻射強(qiáng)度I等于所有來自各點(diǎn)的熱源到該點(diǎn)熱源的熱輻射強(qiáng)度總和，可由公式(6)得。

3 判定事故傷害程度依據(jù)

3.1 熱通量準(zhǔn)則

當(dāng)液氨泄漏發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，判定設(shè)備以及人員受傷害程度的標(biāo)準(zhǔn)采用熱輻射傷害準(zhǔn)則，傷害準(zhǔn)則如表2所示[2]。

表2 熱通量傷害準(zhǔn)則

3.2 超壓準(zhǔn)則

當(dāng)液氨泄漏發(fā)生爆炸事故時(shí)，判定設(shè)備以及人員受傷害程度的標(biāo)準(zhǔn)采用沖擊波傷害準(zhǔn)則，傷害準(zhǔn)則如表3所示[3]。

表3 超壓級(jí)別與破壞程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 事故場(chǎng)景模擬分析

采用PHAST軟件研究某化工廠液氨泄漏之后所造成的事故場(chǎng)景類型，在一定的風(fēng)速條件下，分析災(zāi)害演化過程特征及變化規(guī)律。

4.1 泄漏氣體擴(kuò)散

將致死率分為4個(gè)等級(jí)，分別為0.1%、1%、10%、99%，對(duì)不同致死率等級(jí)進(jìn)行毒氣擴(kuò)散模擬，模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 液氨擴(kuò)散后中毒劑量與下風(fēng)方向距離關(guān)系

由圖1可見：在下風(fēng)向距離294 m內(nèi)，寬度總長為20 m內(nèi)的內(nèi)橢圓中致死率為99%；在下風(fēng)向距離1 088 m內(nèi)，寬度總長為64 m內(nèi)藍(lán)色曲線與紫色曲線之間的橢圓范圍內(nèi)的致死率為10%；液氨泄漏擴(kuò)散之后影響的下風(fēng)向最遠(yuǎn)距離約為1 733 m，寬度為90 m，在該區(qū)域范圍內(nèi)均有可能致人中毒，甚至死亡。因此，在液氨發(fā)生泄漏后，人員應(yīng)該向下風(fēng)向的兩側(cè)方向逃離，以避免最大程度的接觸泄漏的有毒氣體。

對(duì)液氨氣體在下風(fēng)向擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬，得到下風(fēng)向不同距離的液氨泄漏當(dāng)量濃度，如圖2所示。

圖2 液氨泄漏當(dāng)量濃度與下風(fēng)方向距離關(guān)系

由圖2可見：在20~200 m內(nèi)，液氨泄漏的當(dāng)量濃度較高。在下風(fēng)向距離約25 m處當(dāng)量濃度最高，此時(shí)致死概率為100%。在超過最高當(dāng)量濃度之后，隨著下風(fēng)向距離的增加，當(dāng)量濃度逐漸降低且在1 700 m處達(dá)到最低，超過1 700 m后，可認(rèn)為是安全范圍。因此，在液氨發(fā)生泄漏之后，人員應(yīng)該逃離至1 700 m外，才能保證自身的安全。

4.2 噴射火

液氨發(fā)生泄漏之后如果遇到點(diǎn)火源并立即燃燒就會(huì)產(chǎn)生噴射火，噴射火熱輻射強(qiáng)度隨下風(fēng)向距離產(chǎn)生的變化如圖3所示。

圖3 噴射火熱輻射強(qiáng)度與下風(fēng)方向距離關(guān)系

由圖3可見：在下風(fēng)向0~15 m內(nèi)，熱輻射強(qiáng)度隨著距離的增加而逐漸增加，輻射強(qiáng)度由20 kW/m2增加至125 kW/m2，且增長速率較快。在下風(fēng)向距離15~90 m內(nèi)，一直維持在最高的熱輻射強(qiáng)度水平上，即熱輻射強(qiáng)度為125 kW/m2，此時(shí)致死率為100%。當(dāng)下風(fēng)向距離大于90 m時(shí)，熱輻射強(qiáng)度加速減小；在距離為107 m時(shí)，輻射值降至4 kW/m2。此時(shí)，對(duì)設(shè)備影響不大，對(duì)人員來說，持續(xù)20 s以上有痛感。可見，液氨發(fā)生泄漏之后產(chǎn)生噴射火時(shí)，距離超過107 m時(shí)，可認(rèn)為是安全距離。

以熱通量傷害準(zhǔn)則為依據(jù)分析噴射火對(duì)環(huán)境的破壞程度，噴射火輻射影響強(qiáng)度范圍見圖4。

圖4 噴射火熱輻射強(qiáng)度影響半徑

由圖4可見：在下風(fēng)方向距離為45 m，側(cè)風(fēng)方向18 m內(nèi)，操作設(shè)備全部被破壞，人員停留10 s會(huì)有1%的死亡可能性，停留1 min絕對(duì)致死；在下風(fēng)方向距離為45~48 m，側(cè)風(fēng)方向18~36 m內(nèi)，有火焰時(shí)導(dǎo)致木制設(shè)備燃燒，塑料設(shè)備開始熔化，人員停留10 s會(huì)受到1度燒傷，停留1 min會(huì)受到1%燒傷；在下風(fēng)方向距離為48~57 m，側(cè)風(fēng)方向36~72 m內(nèi)，人員停留20 s以上有疼痛感覺。由圖4還可見：輻射強(qiáng)度37.5 kW/m2和12.5 kW/m2曲線呈橢圓形，輻射強(qiáng)度4 kW/m2曲線近似為圓形。隨著噴射火輻射強(qiáng)度的增大，其臨界曲線由橢圓轉(zhuǎn)變?yōu)閳A形。因此，側(cè)風(fēng)向熱輻射強(qiáng)度下降較快，人員應(yīng)向此方向逃跑從而最大程度降低受傷程度。

4.3 蒸氣云爆炸

液氨泄漏之后隔一段時(shí)間遇到點(diǎn)火源，則泄漏的液氨氣體會(huì)形成蒸氣云，遇到點(diǎn)火源會(huì)發(fā)生爆炸或者閃火，爆炸沖擊波影響范圍如圖5所示。

圖5 爆炸沖擊波影響半徑

由圖5并依據(jù)表3沖擊波破壞程度可見：在距爆炸中心17 m內(nèi)，重型機(jī)器遭到輕微破壞，房屋被摧毀，人員會(huì)致死；在距爆炸中心17~22 m內(nèi)，墻和屋頂遭到重度破壞而局部倒塌，人員會(huì)受重傷；在距爆炸中心22~85 m內(nèi)，10%的玻璃損壞，房屋輕度破壞，人員會(huì)受輕傷；在距爆炸中心大于85 m的區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域。因此，在影響半徑小于85 m內(nèi)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)設(shè)備設(shè)施及建筑物的保護(hù)，并采用相應(yīng)的應(yīng)急方案以保證人員和設(shè)備的安全。

5 結(jié)論

以某化工廠液氨儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，基于PHAST軟件模擬了液氨泄漏的擴(kuò)散、燃燒及爆炸過程，研究了液氨泄漏后園區(qū)氣體擴(kuò)散中毒死亡情況、噴射火熱輻射影響范圍、蒸氣云爆炸沖擊波影響距離，得到如下結(jié)論。

1)在液氨泄漏之后，人員應(yīng)該向下風(fēng)向的兩側(cè)方向逃離，以避免最大程度的接觸泄漏的有毒氣體。人員應(yīng)該逃離至1 700 m外，才能保證自身的安全。

2)在下風(fēng)向0~15 m內(nèi)，熱輻射強(qiáng)度隨著距離的增加而逐漸增加，輻射強(qiáng)度由20 kW/m2增加至125 kW/m2，且增長速率較快。當(dāng)距離超過107 m時(shí)，為安全距離。

3)因液氨泄漏導(dǎo)致的蒸氣云爆炸，爆炸的影響半徑為85 m，當(dāng)距離超過85 m時(shí)為安全距離，人員應(yīng)盡可能逃離此范圍來保證自身安全。

4)僅分析了1個(gè)罐區(qū)發(fā)生事故后的災(zāi)害后果，但在實(shí)際的過程中，還需考慮周圍的儲(chǔ)罐及設(shè)施設(shè)備對(duì)產(chǎn)生的毒氣、噴射火焰及爆炸沖擊波的影響。