張景鋼，項小娟 ，索誠宇，王曉燕

(1. 華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201；2. 中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083 )

0 引言

氨是一種重要的化工原料，通常將氣態(tài)氨加壓或冷卻成液態(tài)氨，以達到方便運輸和貯存的目的。它常作“冷凍劑”使用[1]。液態(tài)氨具有具備腐蝕性、毒害性、燃爆性且容易揮發(fā)的特點，且貯存液氨的容器壓力較高[1]，一旦泄漏，會以極快的速度向外擴散，急速氣化的性質會加快擴散速度及范圍，在內人員極易吸入氨氣，對人員造成嚴重傷害。在大量儲存液氨以及類似液體的化學工業(yè)園區(qū)中，如何有效分析其事故后果，將為事故預防奠定基礎[2-3]。當前國內外存在很多種風險分析的辦法和較多種類的分析軟件，例如美國道化學公司提出的“火災、爆炸危害指數(shù)評價法”，日本勞動省發(fā)布了“化工安全評估六階段法”。國內引入安全系統(tǒng)工程相關理論之后，在吸收和轉化的過程中形成了安全檢查表、事故樹分析，故障種類與影響識別等[2]。PHAST 是一種多功能定量風險評估和危險性評價的計算軟件，可以分析計算泄漏事故的影響范圍和程度并產生相對應的圖表，從而在已經了解人員和資產的具體狀況下去算出來的職員的死亡概率與資產虧損的風險概率。評估成果可以以數(shù)值或者是圖片的方式去顯現(xiàn)事故的影響規(guī)模，以及個體與集體的風險值，還可以按照得出來的數(shù)值對有機會發(fā)生的事件進行分層，這對于制訂減少風險的方法有很大的好處[3-5]。于是本文將利用PHAST軟件對化工園區(qū)的液氨泄漏后果進行模擬及定量評價，明確當液氨泄漏事件發(fā)生時的有效安全范圍，使現(xiàn)場工作人員完成有效的自救和事故控制，以保證工作人員的生命安全和減少企業(yè)的財產損失。

1 化工園區(qū)概況

1.1 廠房基本布置

本次進行模擬的化工園區(qū)辦公室和儲存場所占地面積為22000 m2(包括加油站及高速公路服務區(qū)總占地面積55131.00 m2)，該園區(qū)儲罐區(qū)總儲量10400 m3，包括液氨儲量1000 m3(250 m3球形儲罐4個)。廠房平面基本布置及液氨罐區(qū)布置如圖1和圖2所示。

圖1 企業(yè)平面布置圖

圖2 液氨儲罐區(qū)平面布置示意圖

1.2 自然條件

不同的自然條件對液氨泄漏造成的后果及影響與救援措施不一，通過觀察順風距離、風的流速和天氣狀況等要素對導致的災難擴散范圍有一定的了解，利用PHAST軟件進行數(shù)據(jù)模擬，再為儲罐區(qū)的地理位置選擇與氨氣、汽油、柴油罐的放置和編制自救逃生的辦法[6-8]。

本次進行模擬的化工業(yè)園區(qū)地處丘陵，從北向南受膠東骨干地形影響，地勢傾斜，屬于典型的溫帶大陸性季風氣候，具體氣候特征見表1。

表1 化工園區(qū)氣候特征

1.3 園區(qū)液氨基本危險預先性分析

根據(jù)該園區(qū)液氨儲罐實際運行情況統(tǒng)計分析，安全風險主要有：

(1) 液氨儲罐的物理爆炸。

(2) 液氨儲罐氨泄漏引起的中毒、火災和爆炸。

(3) 自然因素，如地震、雷擊等[9-11]。

表2 液氨儲罐預先危險性分析

2 PHAST軟件介紹

DNV(挪威船級社)經過多年的安全管理和技術評估的積累，開發(fā)了定量風險分析應用于石化行業(yè)SAFETITM系列軟件，PHAST RISK(原名Safeti)定量風險分析軟件，是目前同類產品中最全面的軟件。PHAST RISK(包括PHAST)是指對陸地上油氣化工工藝設備推行量化風險評估的專門應用在這個領域的軟件[4]。它能夠經過大量的運算得到不同類別風險的排列順序，然后把不多的人力和物力資源使減小高風險的舉動。這個軟件已經被大規(guī)模的使用[12]，主要表現(xiàn)在以下方面：

- 廠區(qū)選址、廠區(qū)設計和平面布置；

- 制定應急救援計劃；

- 保證與法律法規(guī)的相符性；

- 提高安全意識；

- 進行量化風險評價(QRA)。

PHAST RISK軟件的運算里一共有四個不同的部分，它們分別是泄漏、風險、擴散、燃燒后果和中毒后果[4]。通過輸入事故發(fā)生情況下的泄漏管道、泄漏方式、時間、環(huán)境影響因素等條件，可計算出液氨等易燃易爆氣體發(fā)生泄漏、爆炸等情況下的影響范圍和危險程度，從而采取有效的措施進行控制與處理，減少人員傷亡和財產損失[4-5]。

3 模擬參數(shù)設計和依據(jù)

通過參照本次模擬的實際化工園區(qū)的基本情況及歷史事故案例，由基本廠房布置、危險區(qū)域和相關設置情況對模擬參數(shù)進行設計[13-15]，具體參數(shù)設置情況見表3和表4。

(1)模擬參數(shù)設置，見表3。

表3 各參數(shù)輸入數(shù)據(jù)

(2) 氨濃度和熱輻射的判據(jù)，見表4。

表4 火災熱輻射的影響效應

4 模擬結果及數(shù)據(jù)分析

4.1 氣體擴散后中毒情況分析

氣體泄漏后戶外中毒、死亡概率、中毒劑量和戶外中毒劑量云際圖，如圖3～圖6所示。

圖3 氣體泄漏后中毒概率隨順風距離變化趨勢圖

圖4 氣體泄漏擴散后致死概率隨順風距離變化趨勢圖

圖5 氣體擴散后中毒劑量與順風距離的關系

圖6 戶外中毒劑量云際圖

由圖3可知，在氣體泄漏后，順風距離0～280 m范圍內，中毒概率為5.7～10，其中中毒概率最高的距離為20～40 m；由圖4和圖5可知，在泄漏點順風距離為14～214 m的時候中毒劑量和死亡概率都達到最高點，人員死亡率在此范圍內可達到100%。綜合三個圖可知，在最高點之后，中毒的概率隨著距離增加而減小，一直到500 m以后中毒概率在安全范圍以內，所以在發(fā)生泄漏之后，應迅速逃離在500 m外，保證自身生命安全。由圖6可知，當泄漏擴散后，人員應該往順風方向的兩側逃生，避開中毒和死亡概率最大的范圍，做好自救。

4.2 噴射火影響范圍分析

氣體噴射火熱輻射以及強度半徑如圖7和圖8所示。

圖7 噴射火熱輻射值隨下風向的變化

圖8 噴射火的強度半徑

圖7是噴射火的熱輻射數(shù)值隨著順風風向的變化而變化的關系圖。氣象條件的設定是常溫條件，觀察圖標可以了解到，首先熱輻射值是隨著距離的增大而快速的增加，在最高點以后有一段時間保持穩(wěn)定的狀態(tài)，最后熱輻射值和距離成反比關系，也就是數(shù)值隨著距離的增大而減小。 泄漏過程中，在0～15 m的距離內熱輻射值加速遞增，15～235 m時為穩(wěn)定狀態(tài)，處于最高值，當輻射值達到4 kW/m2時輻射半徑為270 m，輻射值為12.5 kW/m2輻射半徑為320 m。

最后結合圖8和表4可知，在發(fā)生火災的地點半徑320米內不能設置有木材的設備，人體不能再此范圍待的時間超過10 s；在發(fā)生火災的地點半徑為270米內，對設備沒有影響，人體不能在此范圍待的時間超過20 s。

4.3 早期爆炸的影響分析

氣體早期爆炸影響分析如圖9～圖10所示。

圖9 儲罐缸體破裂早期爆炸超壓距離圖

圖10 儲罐缸體破裂早期爆炸半徑圖

爆炸影響范圍結果，見表5。

表5 早期爆炸影響范圍結果

由圖9和圖10可知，在爆炸地點1300 m范圍以外的區(qū)域為安全區(qū)域，在這個范圍里面，結合表5的分析結果可對相對應的建筑物加強保護措施，制定應急方案和現(xiàn)場救援方案，保證人們的生命安全不受到威脅。

5 結論

(1) 當氨氣罐發(fā)生泄漏擴散之后，現(xiàn)場的工作人員應該及時的往順風方向的兩側緊急散開，并且離開中毒和死亡概率的范圍做好自救。

(2) 當發(fā)生泄漏到達一定程度會引發(fā)火災，火災熱輻射的影響范圍一般是以著火點為中心，呈圓形的方式向外擴散，本次火災模擬結果的最大影響半徑是320 m，在這個范圍以外都屬于安全區(qū)域。

(3) 由于泄漏引起爆炸的時候，離爆炸點1300 m以外屬于安全區(qū)域，1300～330 m屬于易燃易爆區(qū)域，應該在這個范圍里面排除所有會導致燃燒和爆炸的物品，來保證作業(yè)人員的生命和財產的安全。

(4) 采用PHAST 軟件對氨氣泄漏事故進行模擬，要注意其中一個重要環(huán)節(jié)便是過程中的參數(shù)設置。在使用過程中必須做到結合實際情況及事故經驗，反復的對數(shù)據(jù)、結果進行比較以保證實驗模擬結果的有效性和真實性，能夠與實際情況相符合。PHAST 軟件在對氨氣泄漏事故后果模擬上有很好的效果，能夠形象而又準確有效的模擬事故影響范圍及程度，可為氨氣泄漏事故應急救援和災害防治提供有效的理論支持。