合成氨化工企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算與分析方法研究

＊石斌 劉潤(rùn)滋

（北京國(guó)信安科技術(shù)有限公司 北京 100160）

1.引言

合成氨是基礎(chǔ)無機(jī)化工產(chǎn)品之一，主要指由氮和氫在高溫高壓和催化劑存在下直接合成的氨[1]。合成氨可廣泛用于化肥生產(chǎn)，也可作為其他有機(jī)化合物生產(chǎn)的基礎(chǔ)原材料，因而是目前化工行業(yè)最為常見與常用的產(chǎn)品之一[2-3]。

為滿足生產(chǎn)工藝需要，合成氨化工企業(yè)通常需建設(shè)相應(yīng)的液氨儲(chǔ)存裝置與設(shè)備，如液氨儲(chǔ)存球罐等[4]。然而若該儲(chǔ)存設(shè)備出現(xiàn)破裂、滲漏等問題，則可能導(dǎo)致其中的液氨發(fā)生燃燒甚至爆炸等安全事故[5-6]。如2000年12月30日，山東省肥城市某化肥廠發(fā)生合成塔泄漏，引起氫氣外泄，遇明火發(fā)生爆炸，造成2人死亡，6人輕傷；又如2001年2月27日，江蘇省鹽城市某化肥廠合成車間管道突然破裂，出現(xiàn)氫氣外泄，并最終發(fā)生爆炸事故，導(dǎo)致死亡5人，26人受傷。因此，科學(xué)評(píng)估液氨儲(chǔ)存設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)企業(yè)周邊情況合理地劃分出相應(yīng)的安全距離，是目前合成氨化工企業(yè)需要關(guān)注的重大安全問題[7]。

2.液氨存儲(chǔ)的安全風(fēng)險(xiǎn)特征

眾所周知，液氨是氣態(tài)的氨氣通過加壓或冷卻從而液化所得。相較于氨氣，液氨更便于運(yùn)輸及儲(chǔ)存。但同時(shí)，液氨具有腐蝕性、極易揮發(fā)，導(dǎo)致其具有較高的化學(xué)事故發(fā)生率。且發(fā)生事故的方式也具有一定的特征。首先，由于液氨揮發(fā)產(chǎn)生的氨氣為可燃?xì)怏w，而當(dāng)大量氨氣聚集后則易發(fā)生爆炸，引起人員傷亡。其次，氨氣還具有一定的毒性，因此液氨泄漏導(dǎo)致氨氣聚集，還可能造成人員中毒傷亡[8]。這些特征均需在液氨儲(chǔ)存設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)分析中予以考慮。

(1)液氨儲(chǔ)罐泄漏導(dǎo)致爆炸的安全風(fēng)險(xiǎn)特征分析

液氨儲(chǔ)罐為保證灌中液氨的穩(wěn)定，通常需要保證一定的罐內(nèi)壓力，屬于帶壓儲(chǔ)罐[9]。該類儲(chǔ)罐的相關(guān)滲漏、破壞等計(jì)算需參考GB/T 37243-2019的要求[10]。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，液氨儲(chǔ)罐的滲漏與破壞可初步分為小孔泄露、中孔泄漏、大孔泄漏與完全破裂四種類型。且液氨易揮發(fā)，其滲漏后將發(fā)生閃蒸蒸發(fā)、熱量蒸發(fā)與質(zhì)量蒸發(fā)三種變化。而液氨儲(chǔ)罐泄漏爆炸的計(jì)算依據(jù)即為計(jì)算出對(duì)應(yīng)滲漏類型下的液氨蒸發(fā)速率。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算公式如下：

液氨泄漏速率計(jì)算：

式中：QL-液氨泄漏速率，kg/s；

p-帶壓儲(chǔ)罐的內(nèi)部壓力，Pa；

p0-環(huán)境壓力，Pa；

C0-液氨泄漏系數(shù)；

A-儲(chǔ)罐泄漏孔面積，m2；

hL-泄漏孔上方液體高度，m。

液氨的蒸發(fā)量計(jì)算：

式中：Q1、Q2、Q3分別表示液氨的閃蒸蒸發(fā)速率、熱蒸發(fā)速率與質(zhì)量蒸發(fā)速率，單位均為kg/s；

t1、t2、t3則分別表示閃蒸蒸發(fā)時(shí)間、熱蒸發(fā)時(shí)間與質(zhì)量蒸發(fā)時(shí)間，s。

其中三類蒸發(fā)速率的計(jì)算公式分別為：

式中：Cp-液氨的定壓熱熔，kJ/(kg·K)；

TT-儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度，K；

Tb-液氨沸點(diǎn)，K；

HV-液氨的蒸發(fā)熱，J/kg；

K-表面導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

T0-環(huán)境溫度，K；

α-表面熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

a，n-大氣穩(wěn)定系數(shù)；

R-氣體常數(shù)，J/(mol·K)；

u-風(fēng)速，m/s；

r-液池半徑，m。

利用上述計(jì)算公式即可計(jì)算出液氨儲(chǔ)罐泄漏后的蒸發(fā)量。再結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)中氨氣發(fā)生蒸氣云爆炸事故（UVCE）的安全風(fēng)險(xiǎn)及安全距離計(jì)算方式進(jìn)行分析。

(2)液氨揮發(fā)導(dǎo)致中毒的安全風(fēng)險(xiǎn)特征分析

如前所述，液氨揮發(fā)后的氨氣不僅具有爆炸風(fēng)險(xiǎn)，還具有一定的毒性。氨氣中毒的安全風(fēng)險(xiǎn)需基于液氨儲(chǔ)罐的滲漏量以及蒸發(fā)量進(jìn)行分析。利用（1）～（5）式計(jì)算得出液氨的蒸發(fā)速率與蒸發(fā)量后，仍需依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算蒸發(fā)后氨氣在空氣中的擴(kuò)散情況，特別是計(jì)算得到氨氣于某點(diǎn)的擴(kuò)散濃度。再依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判斷計(jì)算所得擴(kuò)散濃度是否將超過相應(yīng)中毒閾值，從而推算出安全距離。

如標(biāo)準(zhǔn)中所示，位于地面Hz高處的氨氣泄漏源，在給定點(diǎn)（x,y,z）處的擴(kuò)散濃度可按下式計(jì)算：

式中：Q-液氨的總蒸發(fā)速率為三類蒸發(fā)速率之和，kg/s；

σx，σy-側(cè)風(fēng)向和垂直方向的擴(kuò)散系數(shù)，m。

在得出氨氣的中毒安全風(fēng)險(xiǎn)后，綜合其爆炸安全風(fēng)險(xiǎn)，選出兩者中安全距離的最大值，即為同時(shí)保證液氨儲(chǔ)罐不會(huì)造成安全風(fēng)險(xiǎn)的可靠安全距離。

3.案例分析

內(nèi)蒙古某合成氨化工企業(yè)擬建設(shè)一條新的甲醇聯(lián)產(chǎn)合成氨生產(chǎn)線。目前該生產(chǎn)線建設(shè)仍處于設(shè)計(jì)與預(yù)可研階段。為保證設(shè)計(jì)的可行性，需對(duì)設(shè)計(jì)中的液氨儲(chǔ)罐的泄漏安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)估。

(1)液氨儲(chǔ)罐基本情況

該新建生產(chǎn)線包含一個(gè)球形帶壓液氨儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐直徑15m，內(nèi)部壓力1.6MPa，儲(chǔ)罐容量為2000m3，充填系數(shù)為0.9。

該企業(yè)所處周邊環(huán)境為草原、平坦開闊地段，白天輻射強(qiáng)度中等，大氣穩(wěn)定度為B，環(huán)境壓力約0.101MPa，平均風(fēng)速3.4m/s，環(huán)境大氣密度1.293kg/m3。所處區(qū)域的風(fēng)向玫瑰圖如下所示：

圖1 液氨儲(chǔ)罐所處區(qū)域的風(fēng)向玫瑰圖Fig.1 The rose diagram of wind direction in the area where liquid ammonia tank is located

(2)液氨儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏的安全距離分析

根據(jù)上一章的分析，分別以液氨儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏導(dǎo)致蒸氣云爆炸事故與氨氣擴(kuò)散導(dǎo)致人員中毒事故為安全風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算依據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的安全距離計(jì)算。

假設(shè)液氨儲(chǔ)罐發(fā)生中孔泄漏，泄漏排查反應(yīng)時(shí)間為2min，結(jié)合儲(chǔ)罐基礎(chǔ)資料以及相關(guān)環(huán)境參數(shù)，取液氨儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏爆炸與人員中毒兩類事故中的安全距離最大值，可得到如下圖2所示結(jié)果：

圖2 液氨儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏事故的影響范圍圖Fig.2 The influence area of leakage accident of liquid ammonia storage tank

經(jīng)計(jì)算，液氨儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏導(dǎo)致的人員死亡的影響半徑為34.5m；人員重傷的半徑為45m；人員輕傷的半徑為59m。即儲(chǔ)罐60m范圍內(nèi)應(yīng)盡量減少人員集中度較高的建筑（如工人宿舍、生產(chǎn)車間等建筑）的建設(shè)，從而起到減少儲(chǔ)罐泄漏導(dǎo)致人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)的目的。

(3)液氨儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)是指因危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源各種潛在的火災(zāi)、爆炸、有毒氣體泄漏事故造成區(qū)域內(nèi)某一固定位置人員的個(gè)體死亡概率，即單位時(shí)間內(nèi)（通常為年）的個(gè)體死亡率，采用個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線來直觀地描述危險(xiǎn)源周邊的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)》（GB 36894-2018）的規(guī)定，按照下表1中新建裝置的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)值確定項(xiàng)目的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)：

表1 可容許個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The standard of acceptable personal risk

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，可計(jì)算得出儲(chǔ)罐周邊個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線圖如下所示：

由圖3×10-7/年等值線內(nèi)無高敏感場(chǎng)所、重要目標(biāo)、一般防護(hù)目標(biāo)中的一類防護(hù)目標(biāo)；3×10-6/年等值線內(nèi)無一般防護(hù)目標(biāo)中的二類防護(hù)目標(biāo)；1×10-5/年等值線內(nèi)無一般防護(hù)目標(biāo)中的三類防護(hù)目標(biāo)。

圖3 液氨儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏事故的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線圖Fig.3 The personal risk contour map of leakage accident of liquid ammonia storage tank

綜上，液壓儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏事故的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)滿足要求。

(4)液氨儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)是指能夠引起大于等于N人死亡的事故累積頻率（F），即單位時(shí)間內(nèi)（通常為年）的死亡人數(shù)。通常用社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線（F-N曲線）表示。

可容許社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)采用ALARP原則作為可接受原則。ALARP原則通過兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)分界線將風(fēng)險(xiǎn)劃分為3個(gè)區(qū)域，即：不可接受區(qū)、盡可能降低區(qū)和可接受區(qū)。如下圖所示：

圖4 社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)曲線Fig.4 The standard curve of social risk

若社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線落在不可接受區(qū)，除特殊情況外，該風(fēng)險(xiǎn)不能被接受。若落在可接受區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)處于很低的水平，該風(fēng)險(xiǎn)可被接受，無需采取安全改進(jìn)措施。若落在盡可能降低區(qū)，則需要在可能的情況下盡量減少風(fēng)險(xiǎn)，即對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)處理措施方案進(jìn)行成本效益分析等，以決定是否采取這些措施。

根據(jù)液氨儲(chǔ)罐的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)與安全距離計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步分析其社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，如下圖5所示：

圖5 液氨儲(chǔ)罐泄漏事故的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線Fig.5 The social risk diagram of leakage accident of liquid ammonia storage tank

如圖5所示，液氨儲(chǔ)罐泄漏事故的社會(huì)風(fēng)處于可接受區(qū)，因此無需進(jìn)一步采取安全改進(jìn)措施。

4.結(jié)論

（1）合成氨化工企業(yè)由于液氨的特殊性，其儲(chǔ)存裝置的泄漏風(fēng)險(xiǎn)分析需同時(shí)考慮液氨蒸發(fā)成氨氣后的爆炸風(fēng)險(xiǎn)與人員中毒風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算相應(yīng)安全距離也需選取兩類風(fēng)險(xiǎn)中的最大值。

（2）經(jīng)計(jì)算內(nèi)蒙古某合成氨企業(yè)新建液氨球形儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏導(dǎo)致爆炸與中毒事故的安全距離在60m以內(nèi)。為保證人員安全，可盡量避免在該范圍內(nèi)設(shè)計(jì)建設(shè)人員密集型建筑。

（3）通過分析，該合成氨企業(yè)新建生產(chǎn)線的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)與社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的要求，因此相關(guān)設(shè)計(jì)的安全性達(dá)標(biāo)，可予以施工。