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)
隨著我國(guó)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(jì)損失[1]。當(dāng)前國(guó)外化工園區(qū)建設(shè)以先進(jìn)一體化化工園區(qū)為建設(shè)方向,儲(chǔ)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(jìn)的一體化建設(shè),其中暴露的缺點(diǎn)也愈發(fā)明顯,以風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制欠缺、實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)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(shì)下應(yīng)急管理體系建設(shè)問(wèn)題最為迫切,故而真實(shí)模擬對(duì)解決上述問(wèn)題有直觀的幫助。
ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)是一款功能強(qiáng)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(píng)估、化工環(huán)評(píng)等方向。同時(shí)支持化學(xué)品在不同環(huán)境下的風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)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(shí)可視化提供重要依據(jù)。
本文利用ALOHA對(duì)化工園區(qū)儲(chǔ)罐泄漏事故進(jìn)行的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和態(tài)勢(shì)分析模擬,同時(shí)基于現(xiàn)有的化工園區(qū)應(yīng)急管理模式,結(jié)合實(shí)例探究ALOHA對(duì)于化工園區(qū)儲(chǔ)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(tái)。
以唐山某環(huán)?;す?#號(hào)氨水罐為研究對(duì)象,泄漏儲(chǔ)罐為立式儲(chǔ)罐,直徑為9 m,高為7.9 m,體積為503 m3,其中液氨儲(chǔ)罐2座(單罐容積:50 m3/座),氨水儲(chǔ)罐7座(單罐容積:1500 m3/座),存儲(chǔ)溫度26℃,液氨儲(chǔ)罐為常溫1.0 Mpa儲(chǔ)存,氨水儲(chǔ)罐為常溫常壓儲(chǔ)存。事發(fā)風(fēng)速為1.28 m/s,風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)(WEW),地面粗糙度為城市或森林,穩(wěn)定類(lèi)型為D,無(wú)遮蓋物,相對(duì)濕度為75%。
其中氨水儲(chǔ)罐儲(chǔ)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(lèi)型為正在泄漏的化學(xué)品沒(méi)有燃燒但逃逸到大氣中。燃料箱泄漏時(shí)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) 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(shí)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(gè)等級(jí),分別包括5個(gè)暴露的時(shí)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(jí)對(duì)應(yīng)影響范圍最遠(yuǎn)可達(dá)9.66 km,此區(qū)域危險(xiǎn)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(huì)有明顯不適,會(huì)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(shí)暴露,一般人員在一小時(shí)內(nèi)脫離此環(huán)境癥狀會(huì)有所緩解。AEGL-2等級(jí)對(duì)應(yīng)影響范圍最遠(yuǎn)可達(dá)5.63 km,此區(qū)域危險(xiǎn)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(huì)受到長(zhǎng)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(jí)對(duì)應(yīng)影響范圍最遠(yuǎn)可達(dá)1.61 km,此區(qū)域危險(xiǎn)物質(zhì)濃度會(huì)大于1100 ppm ,該區(qū)域范圍內(nèi)的一般民眾,包括敏感的個(gè)人,會(huì)造成嚴(yán)重身體健康傷害甚至造成死亡。
(2) 應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃指南(ERPG)
ERPG表示為空氣濃度指導(dǎo)值,其對(duì)應(yīng)等級(jí)范圍與AEGL相同,但ERPG主要針對(duì)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(shí)時(shí)對(duì)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(jí)和區(qū)域有毒有害氣體濃度25 ppm時(shí),除了短暫的不良健康效應(yīng)或不當(dāng)?shù)臍馕吨?,不?huì)有其他不良影響的最大容許濃度[3]。ERPG-2等級(jí)和區(qū)域有毒有害氣體濃度為150 ppm時(shí),不會(huì)造成嚴(yán)重身體健康影響和對(duì)身體造成不可恢復(fù)之傷害的最大容許濃度。ERPG-3等級(jí)時(shí)和區(qū)域有害氣體濃度為1500 ppm時(shí),不會(huì)對(duì)人體生命健康造成威脅的危害化學(xué)物品最大容許濃度。
通過(guò)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(rèn)為當(dāng)可燃化學(xué)品的平均濃度低于爆炸下限時(shí),泄漏氣體會(huì)繼續(xù)與空氣中的助燃?xì)怏w進(jìn)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(huì)因?yàn)榫奂谀硞€(gè)局部區(qū)域而達(dá)到爆炸濃度界限,故根據(jù)軟件的計(jì)算公式將事故真實(shí)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(dá)到爆炸下限60%時(shí)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?yàn)橹旅鼈^(qū)(濃度大于150000 ppm),下風(fēng)向最遠(yuǎn)約137 m;橙色區(qū)域?yàn)槎葻齻麉^(qū)(濃度大于90000 ppm),下風(fēng)向最遠(yuǎn)約183 m;黃色區(qū)域?yàn)槠つw疼痛區(qū)(濃度大于15000 ppm),下風(fēng)向最遠(yuǎn)約503 m。
圖2 蒸汽云爆炸下限模擬結(jié)果
蒸汽云點(diǎn)火時(shí)間設(shè)置為從所有可能的點(diǎn)火時(shí)間顯示符合威脅區(qū)域,蒸汽云點(diǎn)火類(lèi)型選擇被明火或者火花點(diǎn)燃,擁塞級(jí)別為擁塞模型運(yùn)行。根據(jù)ALOHA的模擬結(jié)果(如圖3所示),威脅模型為來(lái)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(guò)黃色第三警戒線區(qū)域(psi=1.0),模擬類(lèi)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(diǎn)火的爆燃引燃的蒸汽云爆炸模擬
紅色區(qū)域?yàn)榈谝痪渚€內(nèi)區(qū)域,屬于嚴(yán)重危害區(qū),位置大約為泄漏點(diǎn)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(chǔ)罐以及其他罐區(qū)設(shè)備,沖擊波超壓超過(guò)8.0 psi(55.16 kPa),在此區(qū)域范圍內(nèi)會(huì)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(yán)重內(nèi)臟損傷,甚至死亡。橙色區(qū)域?yàn)榈诙渚€內(nèi)區(qū)域,屬于嚴(yán)重傷害區(qū),位置大約為泄漏點(diǎn)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(chǔ)罐以及廠房建筑,沖擊波超壓超過(guò)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(duì)人體造成的打擊傷害。黃色區(qū)域?yàn)榈谌渚€內(nèi)區(qū)域,屬于輕度傷害區(qū),位置大約為以泄漏點(diǎn)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(guò)1.0 psi(6.895 kPa),會(huì)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]。
本文ALOHA數(shù)值模擬結(jié)果核心是得出蒸汽云各個(gè)區(qū)域在給定時(shí)間內(nèi)的擴(kuò)散半徑及影響分級(jí)情況。通過(guò)以下相關(guān)公式進(jìn)行驗(yàn)算佐證。
根據(jù)液體泄漏速率公式——伯努利方程[7]計(jì)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(shí)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(jì)算所得泄漏速率即可得出泄漏量,其次再通過(guò)計(jì)算得出氨水質(zhì)量蒸發(fā)速度,來(lái)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)佐證,最后通過(guò)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(jìn)行比對(duì)從而進(jìn)行ALOHA數(shù)值驗(yàn)算佐證。
(2)
式中,C(x,y,0)為下風(fēng)向地面(x,y)坐標(biāo)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(biāo);Q為事故期間蒸汽云的排放量;σx、σy、σz為方向的擴(kuò)散參數(shù),m。
近年國(guó)家對(duì)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(wèn)題,與世界發(fā)達(dá)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果來(lái)看具體在罐區(qū)應(yīng)急的不足有以下幾點(diǎn):
(1) 預(yù)判儲(chǔ)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(cè)不準(zhǔn)確,難以在事故發(fā)生前期對(duì)系統(tǒng)不安全狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警和及時(shí)、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(duì)儲(chǔ)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(chǔ)罐泄漏事故的情景進(jìn)行有針對(duì)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(duì)儲(chǔ)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(chǔ)罐安全應(yīng)急管理的信息化程度較低,儲(chǔ)罐實(shí)時(shí)情況不能共享,導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別危險(xiǎn)源,對(duì)應(yīng)急預(yù)案中所需的信息不夠準(zhǔn)確與完善,缺乏綜合事故應(yīng)急信息統(tǒng)計(jì)。
ALOHA對(duì)于蒸汽云在不同方向的模擬進(jìn)行總結(jié),分為有毒、易燃、爆炸區(qū)域三種。通常在化工儲(chǔ)罐類(lèi)事故中會(huì)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(gè)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(xiǎn)排查中,完善安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫(kù),建立基于ALOHA的應(yīng)急管理平臺(tái)。按照《化工園區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)排查治理導(dǎo)則(試行)》和《危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)隱患排查治理導(dǎo)則》等相關(guān)制度規(guī)范,全面開(kāi)展安全風(fēng)險(xiǎn)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(chǔ)罐的日常安全檢查管理工作,及時(shí)收集和掌握各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息,如環(huán)境大氣信息、儲(chǔ)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(xiàng)數(shù)據(jù)整合后在ALOHA中進(jìn)行模擬,以便準(zhǔn)確、及時(shí)、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(guò)罐區(qū)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)施將各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)罐區(qū)各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控,建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù),從而達(dá)到事前安全預(yù)測(cè)預(yù)警[10]。
(2) ALOHA情景模擬
ALOHA軟件通過(guò)輸入氣候、地形、化學(xué)物質(zhì)、儲(chǔ)罐等數(shù)據(jù),對(duì)每種實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的情景進(jìn)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(cè)事故發(fā)生一小時(shí)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(jī)結(jié)合,充分利用好ALOHA的模擬結(jié)果,對(duì)儲(chǔ)罐泄漏情況進(jìn)行監(jiān)察,從而形成一個(gè)可靠、快速、簡(jiǎn)單的綜合性動(dòng)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(chǔ)罐泄露中毒與爆炸流程
(3) 應(yīng)急指揮與輔助決策
當(dāng)儲(chǔ)罐泄漏導(dǎo)致的火災(zāi)爆炸等突發(fā)事件發(fā)生后,移動(dòng)或固定探測(cè)儀對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸與接收。結(jié)合罐區(qū)內(nèi)儲(chǔ)存化學(xué)品的危險(xiǎn)特性,以及ALOHA的事故情景模擬結(jié)果,快速得出危險(xiǎn)區(qū)域數(shù)據(jù),通過(guò)三色危害區(qū)域“紅、橙、黃” 的特性,實(shí)時(shí)掌握災(zāi)害影響程度及范圍,從而實(shí)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(tái)建設(shè)架構(gòu)圖[12]。
圖5 基于ALOHA的應(yīng)急管理平臺(tái)流程圖
(4) 事故總結(jié)分析
通過(guò)對(duì)事故發(fā)生原因,事中管控的創(chuàng)新點(diǎn)與不足進(jìn)行分析。利用ALOHA從理論上進(jìn)行輔助總結(jié)。首先對(duì)事故發(fā)生儲(chǔ)罐內(nèi)部參數(shù)與ALOHA模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì),從而去除個(gè)體差異;其次對(duì)于事故發(fā)生時(shí)進(jìn)行的一系列救援、物資,人員調(diào)配、統(tǒng)籌決策等進(jìn)行事故再現(xiàn),查缺補(bǔ)漏;最后建立事故經(jīng)驗(yàn)共享系統(tǒng)使獨(dú)立化工廠聯(lián)系起來(lái),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]。
(1) 本文主要通過(guò)利用ALOHA對(duì)化工園區(qū)儲(chǔ)罐進(jìn)行泄漏與事故模擬,包含了對(duì)儲(chǔ)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(shí)間為序的影響半徑。
(2) 通過(guò)利用ALOHA進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬從而更好地構(gòu)建、修改、補(bǔ)充化工安全應(yīng)急管理與響應(yīng)體系。當(dāng)今化工儲(chǔ)罐泄漏相關(guān)體系仍然存在諸多問(wèn)題,ALOHA具有操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)可視性、泄漏等級(jí)劃分清晰、情景再現(xiàn)、模擬結(jié)果客觀等優(yōu)點(diǎn),對(duì)未來(lái)化工儲(chǔ)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(tái)等提供了理論與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
(3) 當(dāng)今國(guó)家社會(huì)重視應(yīng)急管理事業(yè)的發(fā)展?;ぐ踩鳛閲?guó)家安全體系建設(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(yàn)和先進(jìn)工具。從而進(jìn)一步擴(kuò)大完善系統(tǒng)內(nèi)部體系。構(gòu)建基于ALOHA化工園區(qū)儲(chǔ)罐應(yīng)急管理平臺(tái),逐步完善相關(guān)應(yīng)急管理與安全監(jiān)察體系,相信ALOHA會(huì)在未來(lái)化工應(yīng)急安全領(lǐng)域綻放應(yīng)有的光彩。