張景鋼，尹宜辰，王清焱

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

隨著我國化工行業(yè)迅速發(fā)展，化工園區(qū)安全事故頻發(fā)不斷。其中，2019年的江蘇鹽城響水化工廠爆炸事故，造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失[1]。當(dāng)前國外化工園區(qū)建設(shè)以先進一體化化工園區(qū)為建設(shè)方向，儲罐園區(qū)管理追求集成、高效率的管理模式。隨著化工園區(qū)的發(fā)展以及先進的一體化建設(shè)，其中暴露的缺點也愈發(fā)明顯，以風(fēng)險評估機制欠缺、實時監(jiān)控機制不完善、應(yīng)急響應(yīng)環(huán)節(jié)薄弱、環(huán)保措施與應(yīng)急培訓(xùn)不到位等新形勢下應(yīng)急管理體系建設(shè)問題最為迫切，故而真實模擬對解決上述問題有直觀的幫助。

ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)是一款功能強大的化工模擬軟件，目前應(yīng)用于化工領(lǐng)域的相關(guān)泄漏模擬、選址合理性評估、化工環(huán)評等方向。同時支持化學(xué)品在不同環(huán)境下的風(fēng)險建模，支持引入位置、天氣情況、意外事故等參數(shù)變量，以直觀地進行事故后果模擬與事故影響范圍模擬，為化學(xué)品泄漏災(zāi)害的應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急救援方案的制定與情景真實可視化提供重要依據(jù)。

本文利用ALOHA對化工園區(qū)儲罐泄漏事故進行的動態(tài)監(jiān)測和態(tài)勢分析模擬，同時基于現(xiàn)有的化工園區(qū)應(yīng)急管理模式，結(jié)合實例探究ALOHA對于化工園區(qū)儲罐泄漏事故的應(yīng)急管理建設(shè)的作用，構(gòu)建基于ALOHA的應(yīng)急管理體系平臺。

1 基于ALOHA軟件的事故后果模擬

1.1 事故場景假設(shè)

以唐山某環(huán)?；す?#號氨水罐為研究對象，泄漏儲罐為立式儲罐，直徑為9 m，高為7.9 m，體積為503 m3，其中液氨儲罐2座(單罐容積：50 m3/座)，氨水儲罐7座(單罐容積：1500 m3/座)，存儲溫度26℃，液氨儲罐為常溫1.0 Mpa儲存，氨水儲罐為常溫常壓儲存。事發(fā)風(fēng)速為1.28 m/s，風(fēng)向為西南風(fēng)(WEW)，地面粗糙度為城市或森林，穩(wěn)定類型為D，無遮蓋物，相對濕度為75%。

其中氨水儲罐儲存的液體體積為500 m3，占全罐體的99.5%，泄漏位置為底部以上0.5 m，泄漏孔徑為6 cm，液體泄漏類型為正在泄漏的化學(xué)品沒有燃燒但逃逸到大氣中。燃料箱泄漏時未燃燒的可燃化學(xué)品的潛在危害有：順風(fēng)毒性作用、蒸汽云閃火、蒸汽云爆炸產(chǎn)生的超壓(爆炸力)[2]。

1.2 蒸汽云有毒區(qū)域模擬結(jié)果

(1) 急性爆炸暴露水平數(shù)據(jù)(AEGL)

AEGL為發(fā)生概率較小的突發(fā)性急性化學(xué)物質(zhì)毒性數(shù)據(jù)，通常適用于短時間內(nèi)突發(fā)性事故模擬。根據(jù)影響程度的不同AEGL將其劃分為三個等級，分別包括5個暴露的時間段(0.1 h、0.5 h、 1 h、4 h 、8 h)，根據(jù)ALOHA 模擬AEGL如圖1所示：(ALOHA取60 min的臨界值)

圖1 AEGL模擬數(shù)據(jù)

AEGL-1等級對應(yīng)影響范圍最遠可達9.66 km，此區(qū)域危險物質(zhì)濃度大于30 ppm，該區(qū)域范圍內(nèi)的人員特別是兒童、老人和孕婦等敏感人員身體會有明顯不適，會表現(xiàn)出憤怒、焦躁或其他癥狀，這種影響屬于短暫、可逆的短時暴露，一般人員在一小時內(nèi)脫離此環(huán)境癥狀會有所緩解。AEGL-2等級對應(yīng)影響范圍最遠可達5.63 km，此區(qū)域危險物質(zhì)濃度大于160 ppm，該區(qū)域范圍內(nèi)一般人群包括敏感人群會受到長期持久的不良健康影響，造成一些不可逆的疾病并影響逃生與自救的能力。AEGL-3等級對應(yīng)影響范圍最遠可達1.61 km，此區(qū)域危險物質(zhì)濃度會大于1100 ppm ，該區(qū)域范圍內(nèi)的一般民眾，包括敏感的個人，會造成嚴重身體健康傷害甚至造成死亡。

(2) 應(yīng)急響應(yīng)計劃指南(ERPG)

ERPG表示為空氣濃度指導(dǎo)值，其對應(yīng)等級范圍與AEGL相同，但ERPG主要針對泄漏發(fā)生后大氣中的有毒化學(xué)物質(zhì)，反映的是有毒有害的化學(xué)物質(zhì)暴露在大氣環(huán)境中一小時時對正常人體(不包括嬰兒、兒童、孕婦、老人等易受影響的敏感人群)造成的健康影響。ERPG-1等級和區(qū)域有毒有害氣體濃度25 ppm時，除了短暫的不良健康效應(yīng)或不當(dāng)?shù)臍馕吨?，不會有其他不良影響的最大容許濃度[3]。ERPG-2等級和區(qū)域有毒有害氣體濃度為150 ppm時，不會造成嚴重身體健康影響和對身體造成不可恢復(fù)之傷害的最大容許濃度。ERPG-3等級時和區(qū)域有害氣體濃度為1500 ppm時，不會對人體生命健康造成威脅的危害化學(xué)物品最大容許濃度。

1.3 蒸汽云易燃區(qū)域模擬結(jié)果

通過ALOHA模擬出泄漏的氨氣在大氣中的含量是否在爆炸極限范圍內(nèi)(爆炸下限)，ALOHA算法認為當(dāng)可燃化學(xué)品的平均濃度低于爆炸下限時，泄漏氣體會繼續(xù)與空氣中的助燃氣體進行化學(xué)反應(yīng)，泄漏區(qū)域中存在著各種可燃的混合氣體，而處在復(fù)雜環(huán)境中的混合氣體可能會因為聚集在某個局部區(qū)域而達到爆炸濃度界限，故根據(jù)軟件的計算公式將事故真實爆炸可能發(fā)生情況下的濃度下限規(guī)定為平均化學(xué)物質(zhì)濃度達到爆炸下限60%時的濃度，由此推斷發(fā)生爆炸的可能性以及氨氣蒸汽云易燃易爆區(qū)域[4]。其中 LEL為爆炸下限，模擬結(jié)果如圖2所示：紅色區(qū)域為致命傷害區(qū)(濃度大于150000 ppm)，下風(fēng)向最遠約137 m；橙色區(qū)域為二度燒傷區(qū)(濃度大于90000 ppm)，下風(fēng)向最遠約183 m；黃色區(qū)域為皮膚疼痛區(qū)(濃度大于15000 ppm)，下風(fēng)向最遠約503 m。

圖2 蒸汽云爆炸下限模擬結(jié)果

1.4 蒸汽云爆炸區(qū)域模擬結(jié)果

蒸汽云點火時間設(shè)置為從所有可能的點火時間顯示符合威脅區(qū)域，蒸汽云點火類型選擇被明火或者火花點燃，擁塞級別為擁塞模型運行。根據(jù)ALOHA的模擬結(jié)果(如圖3所示)，威脅模型為來自蒸汽雙重爆炸的超壓(爆炸力)，重氣體蒸汽云爆炸沖擊波影響未超過黃色第三警戒線區(qū)域(psi=1.0)，模擬類型選擇unknown(show composite threat zone from all possible ignition times)，得出的爆炸超壓模擬區(qū)域。

圖3 選擇火焰點火的爆燃引燃的蒸汽云爆炸模擬

紅色區(qū)域為第一警戒線內(nèi)區(qū)域，屬于嚴重危害區(qū)，位置大約為泄漏點下風(fēng)側(cè)直徑約為80 m的圓形區(qū)域內(nèi)，此區(qū)域內(nèi)覆蓋同規(guī)格儲罐以及其他罐區(qū)設(shè)備，沖擊波超壓超過8.0 psi(55.16 kPa)，在此區(qū)域范圍內(nèi)會造成建筑物破壞(鋼骨架和輕型鋼筋混凝土建筑物破壞或以上的毀壞)[5]，人員容易造成嚴重內(nèi)臟損傷，甚至死亡。橙色區(qū)域為第二警戒線內(nèi)區(qū)域，屬于嚴重傷害區(qū)，位置大約為泄漏點下風(fēng)側(cè)直徑約為200 m的圓形區(qū)域內(nèi)，此區(qū)域內(nèi)覆蓋儲罐以及廠房建筑，沖擊波超壓超過3.5 psi(24.1325 kPa)，城市大建筑物有明顯破壞，容易引起物體掉落對人體造成的打擊傷害。黃色區(qū)域為第三警戒線內(nèi)區(qū)域，屬于輕度傷害區(qū)，位置大約為以泄漏點下風(fēng)側(cè)50 m為圓心，約350 m為半徑的圓形區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)覆蓋罐區(qū)、廠房，以及較多人員，沖擊波超壓超過1.0 psi(6.895 kPa)，會引起建筑物部分破壞，造成玻璃破碎，造成因人員恐慌導(dǎo)致的意外不安全事件[6]。

1.5 ALOHA數(shù)值模擬結(jié)果相關(guān)驗算

本文ALOHA數(shù)值模擬結(jié)果核心是得出蒸汽云各個區(qū)域在給定時間內(nèi)的擴散半徑及影響分級情況。通過以下相關(guān)公式進行驗算佐證。

根據(jù)液體泄漏速率公式——伯努利方程[7]計算液體泄漏速度如下所示：

(1)

式中，QL為液體泄漏速度，kg/s；Cd為液體泄漏系數(shù)，此時值取0.62(由上知假設(shè)為圓形孔)；A為裂口面積，m2；ρ為液體的密度，kg/m3；P為容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；P0為環(huán)境壓力；g為重力加速度，9.8m/s2；h為裂口之上液位高度，m。

計算所得泄漏速率即可得出泄漏量，其次再通過計算得出氨水質(zhì)量蒸發(fā)速度，來進行相關(guān)數(shù)據(jù)佐證，最后通過式(2)[7]得出相關(guān)位置濃度情況，再與ALOHA具體范圍參數(shù)進行比對從而進行ALOHA數(shù)值驗算佐證。

(2)

式中，C(x，y，0)為下風(fēng)向地面(x，y)坐標處的空氣中污染物濃度，mg/m3;x0，y0，z0為泄漏中心既形成蒸汽云中心坐標；Q為事故期間蒸汽云的排放量；σx、σy、σz為方向的擴散參數(shù)，m。

2 基于ALOHA化工園區(qū)儲罐應(yīng)急管理平臺的構(gòu)建

2.1 罐區(qū)火災(zāi)安全預(yù)防與應(yīng)急處置不足

近年國家對罐區(qū)火災(zāi)應(yīng)急管理體系建設(shè)著眼頗多?；@區(qū)應(yīng)急救援技術(shù)較之前已經(jīng)有顯著提升，應(yīng)急裝備上也得到了一定程度的提升和改良，然而整體的消防安全應(yīng)急管理能力及火災(zāi)消防應(yīng)急體系的建設(shè)上還是存在諸多問題，與世界發(fā)達工業(yè)地區(qū)的應(yīng)急管理能力、火災(zāi)應(yīng)急救援水平相比，仍然存在著較大差距。根據(jù)本文上述實驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果來看具體在罐區(qū)應(yīng)急的不足有以下幾點：

(1) 預(yù)判儲罐泄漏事故以及泄漏后火災(zāi)爆炸事故預(yù)警能力不足，有害氣體濃度監(jiān)測不準確，難以在事故發(fā)生前期對系統(tǒng)不安全狀況進行預(yù)測預(yù)警和及時、有效地做出干預(yù)措施。

(2) 罐區(qū)周邊的設(shè)備設(shè)施區(qū)域應(yīng)急能力建設(shè)效率低，對儲罐泄漏事件發(fā)生后可能造成的影響了解不夠充分，難以根據(jù)儲罐泄漏事故的情景進行有針對性的應(yīng)急培訓(xùn)和應(yīng)急管理。

(3) 中大型罐區(qū)應(yīng)急處置技術(shù)力量以及消防安全能力不足。存在難以快速有效地應(yīng)對儲罐泄漏導(dǎo)致的大型重大突發(fā)事故災(zāi)害。

(4) 化工園區(qū)儲罐安全應(yīng)急管理的信息化程度較低，儲罐實時情況不能共享，導(dǎo)致無法識別危險源，對應(yīng)急預(yù)案中所需的信息不夠準確與完善，缺乏綜合事故應(yīng)急信息統(tǒng)計。

2.2 將ALOHA引入化工園區(qū)儲罐應(yīng)急管理平臺建設(shè)

ALOHA對于蒸汽云在不同方向的模擬進行總結(jié)，分為有毒、易燃、爆炸區(qū)域三種。通常在化工儲罐類事故中會伴隨其中的兩種或三種連鎖發(fā)生，故而事故具有多樣性。一個完善的應(yīng)急管理體系是由事前預(yù)防，事中管控，事后總結(jié)所構(gòu)成的科學(xué)完備體。將ALOHA應(yīng)用于化工園區(qū)安全風(fēng)險排查中，完善安全風(fēng)險數(shù)據(jù)庫，建立基于ALOHA的應(yīng)急管理平臺。按照《化工園區(qū)安全風(fēng)險排查治理導(dǎo)則(試行)》和《危險化學(xué)品企業(yè)安全風(fēng)險隱患排查治理導(dǎo)則》等相關(guān)制度規(guī)范，全面開展安全風(fēng)險排查和隱患治理[8]。

(1) 日常安全管理與監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

包括化工園區(qū)儲罐的日常安全檢查管理工作，及時收集和掌握各種靜態(tài)和動態(tài)信息，如環(huán)境大氣信息、儲罐信息等，加以綜合集成、分析處理，做好記錄和匯總[9]。將各項數(shù)據(jù)整合后在ALOHA中進行模擬，以便準確、及時、全面地為應(yīng)急處置決策提供基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)。此外通過罐區(qū)的監(jiān)測監(jiān)控設(shè)施將各項數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至平臺，實現(xiàn)對罐區(qū)各項參數(shù)的實時監(jiān)測監(jiān)控，建立監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，從而達到事前安全預(yù)測預(yù)警[10]。

(2) ALOHA情景模擬

ALOHA軟件通過輸入氣候、地形、化學(xué)物質(zhì)、儲罐等數(shù)據(jù)，對每種實際數(shù)據(jù)對應(yīng)的情景進行后果模擬，得出化學(xué)物品泄漏后的蒸汽云有毒有害區(qū)域、人員易受傷害區(qū)域、蒸汽云著火區(qū)域、蒸汽云爆炸區(qū)域、超壓區(qū)域的劃分，檢測事故發(fā)生一小時環(huán)境中有害氣體濃度含量。將ALOHA與安全監(jiān)控系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)和應(yīng)急救援輔助決策系統(tǒng)有機結(jié)合，充分利用好ALOHA的模擬結(jié)果，對儲罐泄漏情況進行監(jiān)察，從而形成一個可靠、快速、簡單的綜合性動態(tài)安全監(jiān)控與化工應(yīng)急救援體系，如圖4所示[11]。

圖4 基于ALOHA的儲罐泄露中毒與爆炸流程

(3) 應(yīng)急指揮與輔助決策

當(dāng)儲罐泄漏導(dǎo)致的火災(zāi)爆炸等突發(fā)事件發(fā)生后，移動或固定探測儀對事故現(xiàn)場的各項數(shù)據(jù)進行檢測，通過安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)實時傳輸與接收。結(jié)合罐區(qū)內(nèi)儲存化學(xué)品的危險特性，以及ALOHA的事故情景模擬結(jié)果，快速得出危險區(qū)域數(shù)據(jù)，通過三色危害區(qū)域“紅、橙、黃” 的特性，實時掌握災(zāi)害影響程度及范圍，從而實現(xiàn)應(yīng)急資源科學(xué)調(diào)配，在事中協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)提供指引，為指揮者提供應(yīng)急輔助決策信息。如圖5所示應(yīng)急管理平臺建設(shè)架構(gòu)圖[12]。

圖5 基于ALOHA的應(yīng)急管理平臺流程圖

(4) 事故總結(jié)分析

通過對事故發(fā)生原因，事中管控的創(chuàng)新點與不足進行分析。利用ALOHA從理論上進行輔助總結(jié)。首先對事故發(fā)生儲罐內(nèi)部參數(shù)與ALOHA模擬結(jié)果進行比對，從而去除個體差異；其次對于事故發(fā)生時進行的一系列救援、物資，人員調(diào)配、統(tǒng)籌決策等進行事故再現(xiàn)，查缺補漏；最后建立事故經(jīng)驗共享系統(tǒng)使獨立化工廠聯(lián)系起來，共享事故數(shù)據(jù)，利于全行業(yè)應(yīng)急管理體系的完善[13]。

3 結(jié)論

(1) 本文主要通過利用ALOHA對化工園區(qū)儲罐進行泄漏與事故模擬，包含了對儲罐泄漏有毒區(qū)域、易燃區(qū)域和爆炸區(qū)域的結(jié)果模擬，從中得出了相應(yīng)的以時間為序的影響半徑。

(2) 通過利用ALOHA進行數(shù)據(jù)模擬從而更好地構(gòu)建、修改、補充化工安全應(yīng)急管理與響應(yīng)體系。當(dāng)今化工儲罐泄漏相關(guān)體系仍然存在諸多問題，ALOHA具有操作簡便、數(shù)據(jù)可視性、泄漏等級劃分清晰、情景再現(xiàn)、模擬結(jié)果客觀等優(yōu)點，對未來化工儲罐泄漏應(yīng)急管理與響應(yīng)體系發(fā)展信息化、提高分析速度，建立數(shù)據(jù)共享平臺等提供了理論與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(3) 當(dāng)今國家社會重視應(yīng)急管理事業(yè)的發(fā)展?；ぐ踩鳛閲野踩w系建設(shè)的重要發(fā)展方向，需要吸取跨行業(yè)以及行業(yè)內(nèi)的相關(guān)成熟經(jīng)驗和先進工具。從而進一步擴大完善系統(tǒng)內(nèi)部體系。構(gòu)建基于ALOHA化工園區(qū)儲罐應(yīng)急管理平臺，逐步完善相關(guān)應(yīng)急管理與安全監(jiān)察體系，相信ALOHA會在未來化工應(yīng)急安全領(lǐng)域綻放應(yīng)有的光彩。