基于ALOHA軟件的安全設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

金 浩,王 默,李 雁,余春和

(1.中國五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223;2.黃岡市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站,湖北 黃岡 438021)

在工程設(shè)計(jì)中,輻射熱對周邊設(shè)施的影響、有毒氣體泄漏后的擴(kuò)散對人員密集場所的影響、蒸汽云爆炸對建筑設(shè)備的影響需要通過軟件進(jìn)行模擬計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果對總圖布置、工藝方案進(jìn)行調(diào)整,因此,模擬計(jì)算對于總圖布置、工藝方案設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要指導(dǎo)意義。本文運(yùn)用ALOHA軟件對某綜合罐區(qū)中丙烷積液池的熱輻射、苯罐泄漏后有毒氣體的擴(kuò)散、丙烯球罐泄漏后沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸進(jìn)行模擬分析,計(jì)算影響范圍,為項(xiàng)目安全設(shè)計(jì)提供參考。

1 軟件選擇

有害大氣空中定位軟件ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)由美國國家海洋、大氣管理局(NOAA)和美國環(huán)境保護(hù)局(EPA)的應(yīng)急管理辦公室合作開發(fā),并得到了應(yīng)急響應(yīng)部門(ERD)的支持,其主要用途是為應(yīng)急響應(yīng)人員提供與化學(xué)品泄漏相關(guān)的一些常見危害的空間范圍估計(jì)[1,2]。ALOHA軟件可以根據(jù)化學(xué)物質(zhì)的類型、事故發(fā)生的地理位置、大氣條件和泄漏源情況等信息,模擬危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏,從而快速預(yù)測危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏后對人體產(chǎn)生影響的毒氣濃度以及超壓和熱輻射的范圍[3]。

國內(nèi)研究者從2000年起開始引進(jìn)ALOHA軟件,張建文等[4]概述了SLAB,DEGADIS,ALOHA,ARCHIE 等多種大氣擴(kuò)散模型,并對軟件應(yīng)用做出了評(píng)價(jià)。田水承[5]等運(yùn)用ALOHA軟件對氯乙烯儲(chǔ)罐泄漏事故進(jìn)行了模擬研究,并將研究結(jié)果運(yùn)用于?；沸孤┦鹿实念A(yù)防管控。閆潔潔等[6,7]以典型液氯泄漏事故為例,分別運(yùn)用ALOHA軟件模擬和公式計(jì)算兩種方法對泄漏危害進(jìn)行量化評(píng)估,估算結(jié)果表明,ALOHA 軟件對泄漏毒物的危害區(qū)域和敏感點(diǎn)毒物濃度的預(yù)測結(jié)果具有良好的精度,在泄漏事故應(yīng)急及工程設(shè)計(jì)中具有一定實(shí)用性。

2 基于ALOHA軟件的事故后果模擬

2.1 模擬環(huán)境的構(gòu)建

本文研究案例位于廣西,項(xiàng)目中采用平均風(fēng)速、年主導(dǎo)風(fēng)向、年平均大氣溫度、年平均濕度等氣候條件,對于云層覆蓋率選擇晴天,更具有代表性。模擬需要的主要參數(shù)及場景見表1。

表1 本文ALOHA軟件模擬的主要參數(shù)及場景

2.2 池火災(zāi)后果分析

2.2.1影響閾值

火災(zāi)通過熱輻射的方式破壞周圍環(huán)境,根據(jù)NFPA 59A—2019《LNG 生產(chǎn)、儲(chǔ)存、液化標(biāo)準(zhǔn)》及GB/T 22724—2022《液化天然氣設(shè)備與安裝陸上裝置設(shè)計(jì)》,站內(nèi)設(shè)施允許接受的輻射照度應(yīng)符合下列規(guī)定:①輻射照度大于或等于5 kW/m2的界線以內(nèi),不得有行政辦公樓;②輻射照度大于或等于8 kW/m2的界線以內(nèi),不得有控制室、維修車間、化驗(yàn)室和倉庫等建筑物;③輻射照度大于或等于15 kW/m2的界線以內(nèi),不得有相鄰儲(chǔ)罐的金屬外表面;④輻射照度大于或等于32 kW/m2的界線以內(nèi),不得有相鄰儲(chǔ)罐的混凝土外表面。

2.2.2場景假設(shè)

本項(xiàng)目積液池距離低溫丙烷雙金屬球罐30 m。低溫丙烷儲(chǔ)罐配管區(qū)閥門或法蘭發(fā)生泄漏,低溫丙烷泄漏至配管區(qū)小圍堰,圍堰內(nèi)不能及時(shí)揮發(fā)的丙烷由地溝導(dǎo)流至積液池中,積液池中的低溫丙烷液體遇到靜電、電火花、雷擊等點(diǎn)火源后會(huì)形成池火災(zāi)。

2.2.3模擬結(jié)果

若積液池體積為3 m(長)×3 m(寬)×4 m(深),ALOHA計(jì)算結(jié)果見圖1。在順風(fēng)方向一級(jí)區(qū)域輻射照度5 kW/m2最大影響距離為16 m,二級(jí)輻射照度8 kW/m2最大影響距離為13 m,三級(jí)輻射照度15 kW/m2輻射照度距離小于10 m。則積液池13 m范圍內(nèi)不能布置儀表控制間、維修車間、化驗(yàn)室和倉庫等建筑物,積液池16 m范圍內(nèi)不能布置辦公樓、集中控制室。積液池距離低溫丙烷雙金屬球罐30 m,位于15 kW/m2最大影響距離以外。

圖1 3 m(長)×3 m(寬)×4 m(深)積液池池火災(zāi)影響范圍

若積液池體積為1 m(長)×1 m(寬)×4 m(深),其他參數(shù)不變,根據(jù)ALOHA計(jì)算結(jié)果,在順風(fēng)方向一級(jí)區(qū)域輻射照度5 kW/m2、二級(jí)區(qū)域輻射照度8 kW/m2、三級(jí)區(qū)域輻射照度15 kW/m2的最大影響距離均小于10 m。

對比上述計(jì)算結(jié)果可知,集液池的表面積越小,池火的熱輻射范圍影響越小,當(dāng)罐區(qū)集液池及附近設(shè)施在總圖布置時(shí),為布置更緊湊,可通過調(diào)整減小集液池的表面積,以此來改變池火的熱輻射影響范圍。

2.3 中毒后果分析

2.3.1影響閾值

ALOHA使用AEGLs(急性暴露指引水平)作為苯的毒性閾值,AEGL將危害程度分為三個(gè)等級(jí):AEGL-3、AEGL-2和AEGL-1。AEGL-3是空氣中風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的濃度標(biāo)準(zhǔn),超過該值能對生命健康造成影響或?qū)е滤劳?AEGL-2是空氣中風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的濃度標(biāo)準(zhǔn),超過該值,表現(xiàn)為不可逆轉(zhuǎn)的、嚴(yán)重的健康影響;AEGL-1空氣中風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的濃度標(biāo)準(zhǔn),表現(xiàn)為明顯不適或某些癥狀,它是短暫和可逆的暴露。苯的AEGL-1濃度是52 mg/m3,AEGL-2濃度是800 mg/m3,AEGL-3濃度是4 000 mg/m3。

2.3.2場景假設(shè)

本項(xiàng)目人員集中場所為辦公樓,距離苯罐區(qū)約為225 m。苯罐為10 000 m3的內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐,儲(chǔ)罐底部DN100的出口管道上閥門或法蘭破損發(fā)生泄漏,苯泄漏至尺寸為40 m×50 m圍堰中,未遇到點(diǎn)火源,苯擴(kuò)散至周邊環(huán)境中。

2.3.3模擬結(jié)果

ALOHA計(jì)算結(jié)果見圖2,在順風(fēng)方向空氣中苯濃度超過AEGL-1的最大影響范圍為824 m,空氣中苯濃度超過AEGL-2的最大影響范圍為156 m,空氣中苯濃度超過AEGL-3的最大影響范圍為55 m。當(dāng)苯泄漏后,可造成距離泄漏點(diǎn)55 m范圍內(nèi)人員急性死亡、156 m范圍內(nèi)人員不可逆轉(zhuǎn)的嚴(yán)重傷害、824 m范圍內(nèi)暴露人員輕度可逆轉(zhuǎn)傷害。人員密集場所需布置在AEGL-2及AEGL-3影響范圍外,本項(xiàng)目辦公樓距離苯罐區(qū)約為225 m。

圖2 苯泄漏影響范圍(苯罐區(qū)設(shè)置圍堰)

若苯罐區(qū)未設(shè)置圍堰,其他參數(shù)不變,ALOHA計(jì)算結(jié)果見圖3,在順風(fēng)方向空氣中苯濃度超過AEGL-1的最大影響范圍為2 800 m,空氣中苯濃度超過AEGL-2的最大影響范圍為571 m,空氣中苯濃度超過AEGL-3的最大影響范圍為216 m。

圖3 苯泄漏影響范圍(苯罐區(qū)未設(shè)置圍堰)

由圖2和圖3計(jì)算結(jié)果可知,苯罐區(qū)設(shè)置圍堰中毒危險(xiǎn)區(qū)域與沒有圍堰時(shí)中毒危險(xiǎn)區(qū)域相比,其毒性危險(xiǎn)區(qū)域距離下風(fēng)向的最大距離顯著減少。由此可得出,對于密度比空氣大的有毒物質(zhì),設(shè)置圍堰可顯著降低中毒事故后果影響程度。

2.4 爆炸后果分析

2.4.1影響閾值

根據(jù)AQ/T 3046—2013《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》及GB/T 37243—2019《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》,不同熱輻射強(qiáng)度造成的傷害和損壞見表2。

表2 不同熱輻射強(qiáng)度造成的傷害和損壞

2.4.2場景假設(shè)

罐區(qū)發(fā)生火災(zāi),4 000 m3丙烷球罐罐體吸收的熱量被罐內(nèi)的液體吸收,導(dǎo)致液體不斷氣化,儲(chǔ)罐就可能破裂,進(jìn)而引起氣體急劇膨脹和液體閃蒸,發(fā)生沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸(BLEVE),釋放出的大量液態(tài)丙烷由于馬上接觸到周邊的明火,產(chǎn)生了巨大火球。

2.4.3模擬結(jié)果

ALOHA計(jì)算結(jié)果見圖4,丙烷球罐發(fā)生BLEVE,災(zāi)難性破裂形成的火球直徑586 m,燃燒29 s。熱輻射強(qiáng)度大于37.5 kW/m2,最大影響范圍為距丙烷球罐583 m,熱輻射強(qiáng)度大于12.5 kW/m2,最大影響范圍為距丙烷球罐1 100 m,熱輻射強(qiáng)度大于4.7 kW/m2,最大影響范圍為距丙烷球罐1 800 m。BLEVE造成的事故后果范圍廣、影響大,需要在總圖、工藝設(shè)計(jì)及安全管理上采取措施,防止BLEVE的發(fā)生。

圖4 丙烷球罐發(fā)生BLEVE影響范圍

3 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

針對積液池中可燃液體燃燒產(chǎn)生的輻射熱可能會(huì)對周邊建構(gòu)筑物、金屬儲(chǔ)罐、管廊等產(chǎn)生影響,導(dǎo)致事故的發(fā)生,在輻射熱計(jì)算的基礎(chǔ)上,可通過調(diào)整積液池的位置、大小,使之遠(yuǎn)離影響目標(biāo),降低輻射熱的影響,同時(shí)在積液池設(shè)置低溫或可燃?xì)怏w探測及高倍泡沫滅火系統(tǒng),減少低溫液體燃燒及氣化時(shí)間。

對于有毒物質(zhì)的泄漏擴(kuò)散對廠區(qū)及周邊環(huán)境的影響,通過設(shè)置有毒氣體檢測器及時(shí)報(bào)警,設(shè)置緊急倒罐設(shè)施及時(shí)倒罐,合理設(shè)置圍堰減少擴(kuò)散面積,在總圖布置時(shí)將人員密集場所布置在影響范圍之外,可以減少毒性氣體擴(kuò)散對人員的影響。

對于可燃液體的球罐BLEVE,考慮水噴淋為儲(chǔ)罐外壁降溫,或者耐火涂層保護(hù)儲(chǔ)罐支撐結(jié)構(gòu)和外壁;設(shè)置倒罐措施將儲(chǔ)罐物料迅速轉(zhuǎn)移;當(dāng)發(fā)生外部火災(zāi)時(shí),在保證安全的前提下,盡量把外部明火帶離可燃液體儲(chǔ)罐底部;工藝設(shè)計(jì)中設(shè)置考慮火災(zāi)工況的安全閥進(jìn)行泄壓,可以降低BLEVE的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

通過對某綜合罐區(qū)可能存在的池火災(zāi)、有毒氣體擴(kuò)散、BLEVE三種典型事故類型進(jìn)行分析,結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,運(yùn)用ALOHA軟件對各事故類型的影響范圍進(jìn)行了模擬估算,并根據(jù)估算結(jié)果提出了風(fēng)險(xiǎn)控制措施,為相關(guān)的實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考,有助于安全、科學(xué)地進(jìn)行廠區(qū)內(nèi)平面布置及工藝方案的優(yōu)化,從而達(dá)到降低風(fēng)險(xiǎn)和減少人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失的目的。