基于ALOHA軟件對液氨管道泄漏事故模擬與分析

徐建航 劉冰心 于立富 任克京 張福群 王天樞

（1.沈陽化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142；2.遼寧省安全科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110142）

0 引言

冷庫輸氨管道如果一直保持高壓運(yùn)轉(zhuǎn)工作，且年久失修，往往會(huì)因固件松動(dòng)、腐蝕穿孔以及法蘭接頭損壞等因素導(dǎo)致發(fā)生泄漏[1]。而液氨存在有毒及易燃易爆性質(zhì)，若出現(xiàn)泄漏，將會(huì)對附近的環(huán)境和工作人員帶來無法挽回的經(jīng)濟(jì)損失和影響。如2007年6月9日，在新疆烏魯木齊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)伊利食品公司生產(chǎn)車間，氨氣管道泄漏導(dǎo)致1人遇難，另23人中毒。2020年6月17日，馬鞍山市馬鋼化學(xué)能源技術(shù)公司生產(chǎn)車間輸氨管道爆裂，導(dǎo)致3人中毒，2人遇難。氨氣泄漏不但可能會(huì)造成人身傷害，還會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，因此對氨氣泄漏事故應(yīng)當(dāng)引起一定的重視[2]。

近年來，很多國內(nèi)外學(xué)者利用ALOHA（有害大氣區(qū)域定位Areal Locations of Hazardous Atmospheres）將危險(xiǎn)化學(xué)品在空氣中擴(kuò)散路徑模擬出來，同時(shí)通過計(jì)算氣體濃度確定事故影響范圍。在突發(fā)事故中用ALOHA開展分析，對指導(dǎo)事故現(xiàn)場緊急搶救和采取相應(yīng)措施以降低事件傷亡意義很大[3]。2000年起，國內(nèi)外研究者開始引入ALOHA的軟件方法，如：梁虎使用ALOHA軟件進(jìn)行了估計(jì)危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)在大氣環(huán)境中的擴(kuò)散形狀和影響區(qū)域面積，并以圖像的形式描述出擴(kuò)散的物質(zhì)濃度、影響區(qū)域面積以及其他信息[4]。黃浩祎等人利用ALOHA軟件，對某化工廠進(jìn)行的有毒氣體擴(kuò)散范圍、蒸氣云爆炸和沸騰液體擴(kuò)散的事故危害范圍進(jìn)行了定性分析[5]。N.S.Anjana等利用ALOHA軟件模擬氨泄漏事故的影響范圍，并結(jié)合GIS數(shù)據(jù)庫提出了具體的救援措施[6]。

本文以北京某冷庫輸氨管道為研究對象，針對其在一旦發(fā)生液氨泄漏時(shí)可能產(chǎn)生的四類事故，即有毒氣體泄漏擴(kuò)散、蒸氣云爆炸熱輻射、閃火、射火和BLEVE（Boiled Liquid Evaporate Vapor Explosion，蒸氣爆炸）火球熱輻射的影響進(jìn)行研究，并利用衛(wèi)星地圖把泄漏危險(xiǎn)范圍在地圖中展示出來，得到泄漏事件的影響范圍。希望通過根據(jù)泄漏事件影響范圍而提供的風(fēng)險(xiǎn)控制措施和意見，通過預(yù)測事件的范圍增強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)控制的能力[7]。

1 液氨管道事故類型分析

氨氣在常溫下是一種無色氣體，具有強(qiáng)烈的刺激性惡臭氣味。氨沸點(diǎn)為-33.34 ℃（標(biāo)準(zhǔn)大汽壓101.325 kPa），熔點(diǎn)為-77.73 ℃，自燃點(diǎn)為651.11℃，氨氣密度系數(shù)小于空氣(標(biāo)準(zhǔn)狀況下為0.771 g/L)[8]。液氨密度為約0.639 g/cm3，易汽化，通過減小壓強(qiáng)可迅速揮發(fā)，并吸收大量的熱能[9]，按照GB5044—85《職業(yè)性接觸食物中毒危害程度等級》，氨氣隸屬于ⅰ類輕度危害氣體[10]，液氨是一個(gè)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工的關(guān)鍵單體，但由于每年化工領(lǐng)域中因氨氣泄漏而造成的工業(yè)事故頻發(fā)，對人員健康和環(huán)境所產(chǎn)生的影響也非常嚴(yán)峻[11]。

在本文選取的輸氨管道位于所在化工廠罐區(qū)的東南隅，對此本研究運(yùn)用事件樹分析法對管道泄漏所造成的事件結(jié)果做作出了定性分析，如圖1所示。

圖1 輸氨管道泄漏事件樹分析

簡單來說，由于輸氨管道在物理、化學(xué)反應(yīng)下進(jìn)行的破壞，都可以引起泄漏事件[12]，或與空氣混合產(chǎn)生的毒性蒸氣云團(tuán)，因此在未點(diǎn)火時(shí)可能會(huì)形成很大的毒害區(qū)，引起氣體中毒事件；毒蒸氣云如在有限空間內(nèi)被引燃則會(huì)產(chǎn)生蒸氣云爆炸事故，而在很大空間內(nèi)被引燃，則會(huì)產(chǎn)生閃火事故；如果在液氨氣泄漏后被迅速引燃，則可能會(huì)形成BELEVE火球或噴射火。

2 基于ALOHA軟件的液氨管道泄漏模擬

ALOHA系統(tǒng)是一種在實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用的電腦輔助管理應(yīng)急服務(wù)功能的系統(tǒng)應(yīng)用軟件。其主要目的是向應(yīng)急人員提供與化學(xué)品溢出有關(guān)的一些常見危險(xiǎn)的空間范圍估計(jì)。ALOHA可以處理揮發(fā)性物質(zhì)和易燃化學(xué)品短期意外排放的危險(xiǎn)空間區(qū)域的評估。因此ALOHA軟件模擬后果對企業(yè)應(yīng)急管理以及政府規(guī)劃都具有重大意義，目前ALOHA軟件已逐漸成為工業(yè)危害與化學(xué)品事件的緊急救援、規(guī)劃、培訓(xùn)和學(xué)術(shù)研究的主要工具。

2.1 參數(shù)設(shè)置

1）本研究主要根據(jù)研究對象的實(shí)際工況選擇了泄漏事故的具體環(huán)境和建筑物類型。設(shè)定這個(gè)技術(shù)參數(shù)的目的是幫助ALOHA軟件更好地分析危險(xiǎn)化學(xué)廢氣滲漏到房間中的速度

2）對于氣象參數(shù)，主要是根據(jù)最近5年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)而設(shè)定，這個(gè)技術(shù)參數(shù)主要影響氣體傳播速度、方位、距離、含量等計(jì)算結(jié)果。

3）介質(zhì)類型包括泄漏介質(zhì)和泄漏項(xiàng)設(shè)置，本研究選取的是氨，狀態(tài)類型為液化氣。

具體數(shù)值如表1所示。

表1 泄漏事故模擬基本參數(shù)表（節(jié)選）

2.2模擬結(jié)果與討論

2.2.1.中毒事故影響范圍模擬

本文基于MIAO等人的研究，根據(jù)氨擴(kuò)散時(shí)毒氣對人員的傷害程度，將毒氣濃度確定為為三個(gè)級別，由高到低分別為：AEGL-3（導(dǎo)致致命傷害），即達(dá)到或者超過此濃度，對應(yīng)區(qū)域人員可能有生命威脅；AEGL-2（可能造成嚴(yán)重傷害），即達(dá)到或超過此濃度，會(huì)對相應(yīng)區(qū)域人員健康產(chǎn)生長期且不可逆的影響；AEGL-1（可能造成輕度傷害），即達(dá)到或超過此濃度，會(huì)對相應(yīng)區(qū)域人員健康產(chǎn)生短暫影響，但該過程可逆[13]。

針對中毒傷害區(qū)域，本研究運(yùn)用ALOHA模擬軟件計(jì)算后（如圖2所示）將模擬結(jié)果導(dǎo)入衛(wèi)星地圖中，情況如圖3。

圖2 中毒范圍模擬示意圖

圖3 中毒事故影響范圍圖

通過分析圖2可以得出，泄漏點(diǎn)下風(fēng)向氨毒性風(fēng)險(xiǎn)的致死區(qū)(即達(dá)到AEGL-3濃度的區(qū)域)1 h內(nèi)氨的濃度超過1.1×10-3，擴(kuò)散距離可至359.4 m，對此，相應(yīng)的應(yīng)急處置人員應(yīng)根據(jù)影響范圍，嚴(yán)禁人員進(jìn)入此區(qū)域；重傷區(qū)(即達(dá)到AEGL-2濃度的范圍)1 h內(nèi)氨的濃度超過1.6×10-4，擴(kuò)散距離至921.7 m，應(yīng)急處置人員應(yīng)根據(jù)影響范圍，針對此區(qū)域進(jìn)行人員出入管制，并及時(shí)救援事故區(qū)域內(nèi)人員；輕傷區(qū)(即達(dá)到AEGL-2濃度的范圍)1 h內(nèi)氨的濃度超過3.0×10-5，擴(kuò)散距離至1 931 m，影響面范圍較大，應(yīng)急處置人員應(yīng)針對此區(qū)域設(shè)置警戒線，阻止無關(guān)人員靠近。

2.2.2閃火傷害后果模擬

本研究按照云團(tuán)中危險(xiǎn)物質(zhì)的含量水平劃分等級，將其濃度水平確定為LEL(爆炸下限)、60%LEL和10%LEL，根據(jù)ALOHA軟件模擬的液氨閃火擴(kuò)散圖如圖4所示。

根據(jù)圖4可以得出，在風(fēng)速4 m/s情形下，液氨蒸氣云的擴(kuò)散閃火傷害重傷區(qū)域(10%LEL，暴露濃度高于1.5 ×10-2)覆蓋最遠(yuǎn)范圍可達(dá)83.2 m。而該地區(qū)若存在點(diǎn)火源，泄漏發(fā)生后則可能導(dǎo)致火災(zāi)，所以，在泄漏產(chǎn)生后，包括公安與消防人員在內(nèi)的應(yīng)急處置人員應(yīng)當(dāng)杜絕該地區(qū)的任何火源，并且事故處理部門工作人員也必須穿著防靜電服，并用防火花等工具作業(yè)。

圖4 閃火傷害后果模擬圖

2.2.3蒸汽云爆炸傷害后果模擬

本研究在ALOHA軟件中，使用沖擊波超壓指數(shù)定義了液氨蒸氣云的擴(kuò)散閃火影響區(qū)域覆蓋范圍。在假定條件下，液氨蒸氣云爆炸傷害后果模擬圖如圖5所示。風(fēng)速為4 m/s時(shí)，液氨蒸氣云擴(kuò)散爆炸的影響會(huì)導(dǎo)致周圍玻璃破裂，其壓力值大于1.0 psi（約為6.89 kPa），最遠(yuǎn)影響范圍約為26.5 m。因此，一旦發(fā)生氨泄漏，應(yīng)急處置人員應(yīng)基于影響范圍，第一時(shí)間組織人員疏散，以避免造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。

圖5 液氨泄漏蒸氣云擴(kuò)散爆炸傷害后果模擬圖

2.2.4 射火和BLEVE火球熱輻射影響

當(dāng)液氨泄漏時(shí)，在泄漏口遇火源可能會(huì)發(fā)生噴射火事故，使周圍一定范圍內(nèi)的人員受傷同時(shí)造成建筑物損壞。本研究利用ALOHA軟件模擬的射火熱輻射危害范圍如圖6所示。

通過對圖6的分析可以得出，距泄漏口處10.1 m范圍內(nèi)屬于致死區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)人員暴露60 s就可能致死；10.1 m至14.6 m范圍內(nèi)為重傷區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)人員暴露60 s就可能會(huì)造成二度燒傷；14.6 m至29.3 m范圍內(nèi)為輕傷區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)人員暴露60 s會(huì)使人感到劇烈疼痛；29.3 m以外為安全區(qū)。

圖6 射火熱輻射影響范圍

通過分析液氨管道泄漏所發(fā)生的后果可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的熱蒸氣爆炸火球所產(chǎn)生的影響范圍最大，且事故后果也最劇烈。本研究利用ALOHA軟件模擬的BLEVE火球熱輻射危害范圍如圖7所示。

圖7 BLEVE熱輻射影響范圍

根據(jù)圖7可以得出，離火源52.1 m范圍內(nèi)屬于致死區(qū)，該區(qū)域內(nèi)人員如果受到60 s火球熱輻射則可能致死；52.1 m至75 m范圍內(nèi)為重傷區(qū)，該區(qū)域內(nèi)人員受到60 s火球熱輻射可引起二度燒傷；75 m至119 m范圍內(nèi)為輕傷區(qū)，該區(qū)域內(nèi)人員受到60 s火球熱輻射能使人感到劇烈疼痛;119 m范圍以外為安全區(qū)。

3 結(jié)論

根據(jù)本研究的結(jié)果，液氨管道泄漏事件爆發(fā)后，所造成的中毒事件的危害范圍最廣，最遠(yuǎn)達(dá)到1 900 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出冷庫范圍；BLEVE火球熱輻射事故所造成的后果最為嚴(yán)重，其次為射火、閃火、蒸氣云。

盡管本研究僅以某冷庫輸氨管道作為研究對象，實(shí)踐中其他液氨管道泄漏事故的影響范圍可能會(huì)因各類參數(shù)不同而產(chǎn)生數(shù)量層面的不同，但可以肯定的是液氨泄漏擴(kuò)散事件的影響區(qū)域范圍較大，擴(kuò)散的距離可至幾千米。因此，在開展應(yīng)急處置工作時(shí)，相關(guān)人員可通過對危險(xiǎn)空間區(qū)域的評估，根據(jù)各類影響范圍，有針對性地采取警戒措施、控制措施、救援措施等，以提升應(yīng)急處置效率。