液氨危害范圍預(yù)判在其罐區(qū)選址決策中的應(yīng)用研究

張?chǎng)巍×嘱?/p>

關(guān)鍵詞：液氨儲(chǔ)罐;SLAB模型;大氣擴(kuò)散危害范圍;安全選址

中圖分類號(hào)：X51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

氨作為一種重要的工業(yè)原料和制冷劑，隨著相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，用途與用量越來(lái)越多。但與此同時(shí)也成為了發(fā)生泄漏造成中毒死亡的主要化學(xué)物之一[1-2]。雖然我國(guó)在液氨罐區(qū)等危險(xiǎn)品建設(shè)項(xiàng)目選址安全論證有相關(guān)法律上的約束，但是對(duì)具體選址問(wèn)題并無(wú)操作性上的明確指向，這樣對(duì)液氨罐區(qū)的選址缺乏實(shí)用性[3]。

如果液氨罐區(qū)安全布局不科學(xué)、規(guī)劃選址不合理，將對(duì)罐區(qū)及周圍公眾、環(huán)境構(gòu)成重大威脅[4]。因此，液氨罐區(qū)的選址至關(guān)重要。

目前，一些學(xué)者針對(duì)液氨等?；反鎯?chǔ)設(shè)施的選址問(wèn)題開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究。孫會(huì)軍[5]從總成本和危害程度兩方面考慮，建立了多目標(biāo)模型來(lái)解決有害物質(zhì)存貯地點(diǎn)的選址問(wèn)題。多英全等[6]針對(duì)重大危險(xiǎn)源選址中普遍采用的安全距離方法的一些缺點(diǎn)，提出采用基于個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)劃選址方法。李楊等[7]綜合安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境多方面影響因素，提出一套危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存設(shè)施選址方法。但是，目前大多?；反鎯?chǔ)設(shè)施的選址研究?jī)H考慮了?；缝o態(tài)存儲(chǔ)時(shí)的潛在風(fēng)險(xiǎn)與安全性，對(duì)于?；返倪\(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)對(duì)選址的影響幾乎沒(méi)有涉及。運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)主要是發(fā)生事故后對(duì)周邊公眾造成的潛在危害，不同的?；愤\(yùn)輸線路運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)不同，如若液氨罐區(qū)選址位置沒(méi)有安全適宜的線路承擔(dān)液氨的運(yùn)輸任務(wù)，那么選址也是不合理的。因此運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)危害范圍可作為儲(chǔ)罐區(qū)選址的驗(yàn)證指標(biāo)。

本文將基于玉門某工業(yè)園區(qū)內(nèi)液氨儲(chǔ)罐區(qū)建設(shè)項(xiàng)目案例，針對(duì)液氨罐區(qū)這一特定研究對(duì)象，將液氨靜態(tài)存儲(chǔ)與動(dòng)態(tài)運(yùn)輸時(shí)發(fā)生泄漏事故的大氣擴(kuò)散危害范圍確定為液氨罐區(qū)選址時(shí)所考慮的主要因素，把對(duì)周圍公眾及環(huán)境潛在的危害放在首位，通過(guò)對(duì)液氨罐與運(yùn)輸槽罐車發(fā)生的泄漏事故分別進(jìn)行大氣擴(kuò)散危害范圍的預(yù)測(cè)，在以上工作基礎(chǔ)上給出液氨罐區(qū)的選址意見(jiàn)。

1材料與方法

1.1研究對(duì)象

玉門東某化工工業(yè)園位于甘肅省玉門市玉門火車東站東南側(cè)，規(guī)劃面積50.8 km。園區(qū)空間被劃分為五大功能區(qū)，包括光熱光伏產(chǎn)業(yè)區(qū)、材料建材產(chǎn)業(yè)區(qū)、化工產(chǎn)業(yè)區(qū)、有色冶金產(chǎn)業(yè)區(qū)、倉(cāng)儲(chǔ)物流區(qū)?，F(xiàn)擬在倉(cāng)儲(chǔ)物流區(qū)內(nèi)建設(shè)一液氨儲(chǔ)罐區(qū)，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供液氨的倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸服務(wù)，擬共設(shè)液氨儲(chǔ)罐5個(gè)，容積均為650m，最大儲(chǔ)存量為475t，園區(qū)內(nèi)氨運(yùn)輸槽車容積統(tǒng)一為25m。目前園區(qū)內(nèi)共設(shè)立了兩條危化品運(yùn)輸路徑由，兩條路線①與②道路全長(zhǎng)分別為6.54km、8.1km，寬度48m，從園區(qū)西北側(cè)邊界的玉門火車東站分別通往倉(cāng)儲(chǔ)物流區(qū)西南角與西北角。園區(qū)倉(cāng)儲(chǔ)物流區(qū)及危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)缆肺恢镁唧w如圖1所示。

1.2環(huán)境保護(hù)目標(biāo)

項(xiàng)目周邊5 km范圍內(nèi)只有一個(gè)居民區(qū)，位于園區(qū)內(nèi)，倉(cāng)儲(chǔ)物流區(qū)的西側(cè)，居民人數(shù)為1220人，區(qū)民區(qū)邊界與倉(cāng)儲(chǔ)物流區(qū)區(qū)域的最近直線距離為850m，距?；愤\(yùn)輸路線①與路線②的直線距離分別為50 m、720 m。

1.3研究方法

首先根據(jù)收集與準(zhǔn)備的項(xiàng)目相關(guān)資料，對(duì)液氨儲(chǔ)罐與運(yùn)輸槽罐車分別進(jìn)行了調(diào)查分析，通過(guò)對(duì)液氨儲(chǔ)罐與槽罐車的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，參照同類型項(xiàng)目以及相關(guān)事故統(tǒng)計(jì)資料，分別設(shè)定液氨儲(chǔ)罐與槽罐車泄漏的最大可信事故;然后利用重質(zhì)氣體擴(kuò)散模型SLAB對(duì)最大可信事故進(jìn)行大氣擴(kuò)散危害范圍計(jì)算，得到不同情景下液氨泄漏的大氣擴(kuò)散危害范圍;最后基于液氨儲(chǔ)罐大氣擴(kuò)散危害范圍初步確定液氨罐區(qū)的選址區(qū)域，再利用槽罐車泄漏的大氣擴(kuò)散危害范圍驗(yàn)證選址是否合理，最終給出液氨罐區(qū)的選址意見(jiàn)。

1.4模型選取

在大氣擴(kuò)散模型選取前，應(yīng)首先判定瀉放物質(zhì)為重質(zhì)氣體還是輕質(zhì)氣體，判斷依據(jù)采用理查森數(shù)，理查森數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱常數(shù)，是煙氣云團(tuán)的勢(shì)能和環(huán)境的湍流動(dòng)能之比，跟氣體密度、環(huán)境條件、泄漏初始條件等因素有關(guān)。液氨的存儲(chǔ)狀態(tài)一般為低溫高壓[8]，釋放時(shí)會(huì)形成密度比空氣大的氣液混合煙云擴(kuò)散，屬于重質(zhì)氣體擴(kuò)散。目前應(yīng)用較廣泛的重質(zhì)氣體泄放擴(kuò)散模擬模型包括高斯模型，SLAB模型以及ALOHA模型等[9]。大連理工大學(xué)的孫召賓等[10]對(duì)三個(gè)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明SLAB模型預(yù)測(cè)值最接近實(shí)測(cè)值，模擬結(jié)果可靠性最高。因此本文采用SLAB模型進(jìn)行液氨泄漏事故大氣擴(kuò)散危害范圍預(yù)測(cè)。

SLAB模型是由美國(guó)勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）在美國(guó)能源局（DOE）資助下開(kāi)發(fā)的擴(kuò)散模型，它可通過(guò)求解一維或準(zhǔn)三維的動(dòng)量方程，質(zhì)量、能量、物質(zhì)守恒方程和狀態(tài)方程來(lái)模擬重氣體擴(kuò)散，計(jì)算流程如圖2所示。為了簡(jiǎn)化求解過(guò)程，方程通過(guò)將煙云作為穩(wěn)態(tài)煙羽或瞬時(shí)煙團(tuán)在空間上進(jìn)行平均。連續(xù)排放（持續(xù)時(shí)間非常長(zhǎng)的排放源）作為穩(wěn)態(tài)煙羽。有限時(shí)間的排放采用穩(wěn)態(tài)煙羽模式描述最初煙云的擴(kuò)散，而且在該排放源持續(xù)泄漏的時(shí)間段內(nèi)，可以一直使用穩(wěn)態(tài)煙羽模式。煙羽模式方程為：

1.5最不利氣象條件選取

最不利氣象條件下發(fā)生事故時(shí)對(duì)周邊環(huán)境的影響范圍和影響程度比最常見(jiàn)氣象條件下要更嚴(yán)重[11]，為評(píng)估泄漏事故可能造成最嚴(yán)重的危害范圍，因此本文選取最不利氣象條件進(jìn)行液氨大氣擴(kuò)散危害范圍預(yù)測(cè)。我國(guó)目前關(guān)于最不利氣象條件的諸多研究表明[12-13]，事故危害范圍預(yù)測(cè)時(shí)，以最大落地濃度及最遠(yuǎn)影響距離篩選，最不利氣象條件的選取標(biāo)準(zhǔn)基本可以概括為高穩(wěn)定度、低風(fēng)速。對(duì)園區(qū)當(dāng)?shù)貧夂驐l件及2018年玉門鎮(zhèn)氣象觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合HJ/T169—2018《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》中對(duì)于最不利氣象條件的推薦，最終選取預(yù)測(cè)時(shí)氣象條件為F類穩(wěn)定度，風(fēng)速1.5m/s，溫度25 ℃，相對(duì)濕度50%。

2研究過(guò)程

2.1物料風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

液氨具有腐蝕性，極易揮發(fā)，所以很容易發(fā)生泄露事故。液氨一旦發(fā)生泄漏事故，泄漏的液氨變?yōu)闅鈶B(tài)的氨氣，體積迅速擴(kuò)大，并在空氣中持續(xù)擴(kuò)散，擴(kuò)大影響范圍。液氨的主要理化特性見(jiàn)表1所列。

2.2最大可信事故

本次研究的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)是在對(duì)液氨理化特性識(shí)別與泄漏危害識(shí)別的基礎(chǔ)上，參照同類型建設(shè)項(xiàng)目以及相關(guān)事故統(tǒng)計(jì)資料，設(shè)定最大可信事故，對(duì)有重大危害及影響的源項(xiàng)進(jìn)行事故設(shè)定。

擬建項(xiàng)目以液氨泄漏為重點(diǎn)，由事故統(tǒng)計(jì)資料分析，結(jié)合事故發(fā)生概率、事故后果嚴(yán)重性等因素，確定本項(xiàng)目最大可信事故為：液氨儲(chǔ)罐閥門連接管破裂泄漏事故和槽罐車罐體焊接管破裂泄漏事故。

2.3源強(qiáng)計(jì)算

液氨泄漏速率使用流體力學(xué)柏努利方程計(jì)算：

綜合以上情況，運(yùn)用上述公式進(jìn)行計(jì)算，可知液氨儲(chǔ)罐泄漏速率為Q=1.652kg/s，槽罐車儲(chǔ)罐泄漏速率為Q=0.563kg/s。

2.4液氨泄漏擴(kuò)散參

數(shù)根據(jù)最大可信事故的特征，匯總SLAB模型運(yùn)行時(shí)所需要的相關(guān)參數(shù)，詳見(jiàn)表2所列，液氨泄漏大氣擴(kuò)散計(jì)算選取的氣象參數(shù)見(jiàn)表3所列。

2.5預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與傷害范圍劃分

HJ/T169—2018《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》推薦大氣毒性終點(diǎn)濃度值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分為1、2級(jí)。其中1級(jí)為當(dāng)大氣中危險(xiǎn)物質(zhì)濃度低于此限值時(shí)，絕大多數(shù)人員暴露1h不會(huì)對(duì)生命造成威脅，當(dāng)超過(guò)該限值時(shí)，有可能對(duì)人群造成生命威脅;2級(jí)為當(dāng)大氣中危險(xiǎn)物質(zhì)濃度低于該限值時(shí)，暴露1 h一般不會(huì)對(duì)人體造成不可逆的危害，或出現(xiàn)的癥狀一般不會(huì)損傷該個(gè)體采取有效防護(hù)措施的能力。

本文在參考大氣毒性終點(diǎn)濃度值基礎(chǔ)上，增加了半致死濃度標(biāo)準(zhǔn)LC，確定了本選址案例的危害后果閾值，并根據(jù)閾值高低將發(fā)生事故狀況后的危害范圍劃分為致死區(qū)、不可逆損傷區(qū)、損傷出現(xiàn)區(qū)。具體劃分方法見(jiàn)表4所列。

2.6預(yù)測(cè)結(jié)果

使用SLAB模型對(duì)液氨儲(chǔ)罐與槽車泄露進(jìn)行大氣擴(kuò)散危害范圍預(yù)測(cè)，氨氣濃度達(dá)到評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的最大影響范圍預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5所列和圖3、圖4所示。

通過(guò)結(jié)果可知，液氨儲(chǔ)罐泄漏時(shí)，氨氣的下風(fēng)向濃度隨著下風(fēng)向距離的增加而減小;半致死濃度出現(xiàn)的最遠(yuǎn)距離為350.3m處，毒性終點(diǎn)濃度-1出現(xiàn)的最遠(yuǎn)距離為665.5m，毒性終點(diǎn)濃度-2出現(xiàn)的最遠(yuǎn)距離為1100.7 m。

槽罐車泄漏時(shí)，半致死濃度出現(xiàn)的最遠(yuǎn)距離為152.7m處，毒性終點(diǎn)濃度-1出現(xiàn)的最遠(yuǎn)距離為266.2 m，毒性終點(diǎn)濃度-2出現(xiàn)的最遠(yuǎn)距離為464.9m。

3研究結(jié)果的分析、討論及應(yīng)用

以液氨事故狀況造成的最大傷害區(qū)域作為衡量事故后果造成影響程度的標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)劃分三個(gè)不同的傷害區(qū)域，認(rèn)定在每個(gè)劃分區(qū)域內(nèi)發(fā)生事故后，會(huì)造成相應(yīng)程度的人員傷亡或人體損傷，而在此區(qū)域之外則不會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)傷害。

3.1液氨靜態(tài)存儲(chǔ)事故狀況危害范圍在選址時(shí)的應(yīng)用

選址位置應(yīng)位于液氨儲(chǔ)罐泄漏造成傷害損傷區(qū)外，若傷害損傷區(qū)或不可逆?zhèn)^(qū)范圍覆蓋園區(qū)規(guī)劃選址區(qū)域，則應(yīng)嘗試調(diào)整園區(qū)布局，經(jīng)調(diào)整后若可以做到，則規(guī)劃選址可行;若經(jīng)調(diào)整后仍無(wú)法做到，則應(yīng)采取相關(guān)安全改進(jìn)措施，降低風(fēng)險(xiǎn)。但若致死區(qū)覆蓋園區(qū)規(guī)劃選址區(qū)域，則規(guī)劃選址不合理，應(yīng)重新選址并重復(fù)上述工作。項(xiàng)目周邊評(píng)價(jià)范圍內(nèi)只有一個(gè)居民區(qū)，液氨罐區(qū)應(yīng)建設(shè)位置在應(yīng)距離居民區(qū)邊界1 100.7m之外的區(qū)域。

3.2液氨動(dòng)態(tài)運(yùn)輸事故狀況危害范圍在選址時(shí)的應(yīng)用

槽罐車泄漏事故造成的致死區(qū)、不可逆損傷區(qū)、損傷出現(xiàn)區(qū)的影響半徑分別為152.7m，266.2m，464.9m。以此來(lái)分別考察園區(qū)內(nèi)規(guī)劃的兩條?；愤\(yùn)輸路線是否可以承擔(dān)液氨的運(yùn)輸任務(wù)，從而確定液氨罐區(qū)的選址位置是否合理。?；愤\(yùn)輸路線①與居民區(qū)的最近的直線距離為50m，當(dāng)槽罐車在?；愤\(yùn)輸路線①發(fā)生泄漏事故時(shí)，居民區(qū)將處在高致死區(qū)域內(nèi)，風(fēng)險(xiǎn)是不可接受的。?；愤\(yùn)輸路線②與居民區(qū)的最近的直線距離為720m，當(dāng)槽罐車在?；愤\(yùn)輸路線②發(fā)生泄漏事故時(shí)，不會(huì)對(duì)居民區(qū)造成相應(yīng)的傷害。因此選擇路線②承擔(dān)液氨的運(yùn)輸任務(wù)。

3.3液氨罐區(qū)最終選址

根據(jù)對(duì)本次液氨事故狀況危害范圍預(yù)判的分析，結(jié)合園區(qū)發(fā)展建設(shè)規(guī)劃，最終決策液氨罐區(qū)的選址應(yīng)位于剔除掉以環(huán)境敏感點(diǎn)為圓心，1 100.7m為半徑的圓形區(qū)域外的園區(qū)倉(cāng)儲(chǔ)物流區(qū)域內(nèi)。并且應(yīng)選擇危化品運(yùn)輸路線②承擔(dān)也液氨運(yùn)輸任務(wù)。

4結(jié)論

本文以我國(guó)玉門某工業(yè)園區(qū)內(nèi)擬建的液氨罐區(qū)的安全選址為研究對(duì)象，對(duì)液氨理化特性與泄漏危害識(shí)別，設(shè)定液氨泄漏最大可信事故，利用SLAB模型對(duì)最大可信事故情景模式進(jìn)行液氨大氣擴(kuò)散危害范圍的計(jì)算，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果綜合園區(qū)建設(shè)規(guī)劃，給出液氨罐區(qū)的選址意見(jiàn)。主要研究結(jié)論如下：

（1）根據(jù)對(duì)液氨理化特性與泄漏危害識(shí)別，參照同類型項(xiàng)目以及相關(guān)事故統(tǒng)計(jì)資料分析，設(shè)定本次液氨事故狀況危害范圍預(yù)測(cè)的最大可信事故為液氨儲(chǔ)罐閥門連接管破裂泄漏事故和槽罐車罐體焊接管破裂泄漏事故。

（2）通過(guò)SLAB模型預(yù)測(cè)，選取最不利氣象條件，對(duì)最大可信事故進(jìn)行大氣擴(kuò)散危害范圍預(yù)判，得到液氨儲(chǔ)罐閥門連接管破裂泄漏事故的致死區(qū)、不可逆損傷區(qū)、損傷出現(xiàn)區(qū)的最大影響半徑距離分別為350.3m，665.5m和1100.7m;運(yùn)輸槽罐車罐體焊接管破裂泄漏事故對(duì)應(yīng)的運(yùn)輸?shù)缆穬蓚?cè)上述三個(gè)影響區(qū)寬度分別為152.7m，266.2m，464.9m。

（3）根據(jù)液氨靜態(tài)存儲(chǔ)與動(dòng)態(tài)運(yùn)輸時(shí)的最大可信事故大氣擴(kuò)散危害范圍的預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合園區(qū)建設(shè)規(guī)劃，最終液氨儲(chǔ)罐的選址區(qū)域應(yīng)位于剔除掉以環(huán)境敏感點(diǎn)為圓心，1100.7m為半徑的圓形區(qū)域外的園區(qū)倉(cāng)儲(chǔ)物流區(qū)域內(nèi)，并且應(yīng)選擇危化品運(yùn)輸路線②承擔(dān)液氨的運(yùn)輸任務(wù)。