某涉氨制冷企業液氨儲罐泄漏事故的后果分析

2014-03-10 04:41:44周峰

浙江化工 2014年11期

周峰

(無錫市濱湖區安全生產監督管理局，江蘇無錫 214072)

近年來，涉氨制冷企業液氨泄漏事故多發，教訓十分深刻，2013 年8 月31 日，上海翁牌冷藏實業有限公司液氨管道發生泄漏，造成15 人死亡、25 人受傷。液氨屬乙類易燃、易爆有毒液體，其危險性表現在兩個方面，一是氨屬高毒物品，短時間(15 min)接觸容許濃度為30 mg/m3，因此，液氨一旦泄漏會導致人員中毒、窒息死亡，造成嚴重后果；二是氨氣在空氣中的爆炸極限為15%～28%，遇明火極易燃燒、爆炸。企業在生產、運輸、儲存、設備檢修過程中，液氨儲罐及其管道、閥門意外破損、爆裂將導致液氨泄漏，液氨迅速蒸發，呈氣態大量擴散開來，形成蒸氣云，若不采取安全措施，極易引發火災、爆炸和中毒事故。本文通過建立液氨儲罐破裂時的蒸氣云爆炸模型、沸騰液體擴展蒸氣爆炸模型和中毒模型，定量地計算出各類傷害半徑，為企業制定應急救援預案和政府進行安全監管提供科學依據。

1 爆炸與中毒模型

1.1 蒸氣云爆炸模型

液氨儲存在壓力容器（鋼瓶、儲罐）內，一旦發生破裂，會造成大面積的液氨泄漏，液氨迅速蒸發，形成蒸氣云，遇到火源則可能發生蒸氣云爆炸。蒸氣云爆炸時，產生的大部分能量將形成沖擊波，多數情況下，沖擊波的破壞作用主要與波陣面上的超壓Δp 的大小有關，其值直接影響波陣面內的設備、管路及人身安全。本文采用TNT 當量法來預測其爆炸嚴重度，假定參與爆炸的氨氣釋放的能量折合為能釋放相同能力的TNT 炸藥的量，利用TNT 當量來表示氨氣爆炸的威力[1]。

1.1.1 蒸氣云的TNT 當量

氨氣的TNT 當量WTNT可由下面的公式計算：

若為地面或者近地面爆炸，爆炸的總能量為實際的1.8 倍，上述公式轉化為：

式中，E 為爆炸產生的總能量，J；α 為蒸氣云當量系數，取α＝0.04；Wf為蒸氣云中可燃氣體的質量，kg；Qf為可燃氣體的燃燒熱，kJ/kg，取氨氣的Qf=18.59 MJ/kg；QTNT為TNT 的爆熱，kJ/kg，取QTNT＝4.52 MJ/kg。

1.1.2 死亡區傷害半徑

死亡區內的人員如缺少防護則被認為將無例外地受到嚴重傷害或死亡，其內徑為零，外徑為R1，其計算公式[2]為：

式中，WTNT為蒸氣云的TNT 當量，kg。

1.1.3 重傷區、輕傷區傷害半徑

重傷區的人員如缺少防護，則絕大多數人員將遭受嚴重傷害，極少數人可能死亡或受輕傷。其內徑就是死亡半徑R1，外徑為R2，其計算公式[2]為：

式中，E 為爆炸產生的總能量，J；P0為環境壓力，Pa，取P0=101300 Pa，△P 為引起重傷沖擊波超壓峰值，Pa，取△P=44000 Pa。

輕傷區內的人員如缺少防護，則絕大多數人員將受輕微傷害，少數人將受重傷或平安無事，死亡的可能性極小。內徑為R2，其外徑為R3，其計算公式與重傷區傷害半徑計算公式相同，其中△P 為引起輕傷沖擊波超壓峰值，Pa，取△P=17000 Pa。

1.2 沸騰液體擴展蒸氣爆炸模型

液氨突然瞬間泄漏時，遇到火源就會立即發生劇烈的燃燒，產生巨大的火球，形成強烈的熱輻射。本文采用火災作用下的熱劑量準則確定人員傷亡的區域。

1.2.1 火球當量半徑R 和持續時間t

火球的特征可用國際勞工組織提出的模型進行計算。

火球半徑的計算公式：

火球持續時間的計算公式：

式中，W 為火球中消耗的可燃物質的質量，kg。

1.2.2 死亡、重傷和輕傷熱通量

在熱輻射作用下，目標有一定的幾率會受到傷害，不同的熱通量對人和財產的傷害程度不同。下面用在火災持續時間內輻射傷害概率來表示人體所受的傷害。

死亡熱通量q1:

重傷熱通量q2:

輕傷熱通量q3:

式中，Pr為傷害概率單位，取Pr=5；T 為人體暴露于熱輻射的時間，s。

1.2.3 死亡、重傷、輕傷半徑

熱輻射的死亡、重傷、輕傷半徑可用目標接受的熱通量公式計算，由下面的公式計算死亡、重傷、輕傷半徑：

式中，q0為火球表面輻射通量，kW/m2，取q0=270 kW/m2；r 為目標到火球中心的距離，m；qr為死亡、重傷、輕傷熱通量，m；R 為火球的最大半徑，m。

1.3 中毒模型

1.3.1 有毒氣體泄漏擴散體積

液氨儲罐破裂后，液氨大量泄漏，儲罐內壓力降至大氣壓，處于過熱狀態的液氨溫度迅速降至標準沸點，此時全部液氨放出的熱量可由下面的公式計算：

式中，Q 為液氨放出的熱量，kJ；W 為儲罐內液氨的質量，kg；C 為液氨的比熱，kJ/kg℃,取C=4.6 kJ/kg℃；T 為儲罐內液氨溫度，℃，T0為液氨的標準沸點，℃，取T0=-33 ℃。

根據廣州市綠色建筑空間分布規劃，將全市總體的綠色建筑發展指標分解，以11個市轄區行政邊線為界，統計各區對應發展的綠色建筑面積及占全市綠色建筑總量的指標比重，明確各區發展綠色建筑的責任與目標，強化責任支撐。如南沙區“十三五”期間綠色建筑總面積指標約為1100萬m2，占全市綠色建筑總量的13%（圖7）。

假設這些熱量全部用于儲罐內的液氨蒸發，則其蒸發量可由下面的公式計算：

式中，W’ 為儲罐內液氨蒸發的質量kg；q 為液氨的氣化熱，kJ/kg，取q=1.37×103kJ/kg。

則液氨在沸點下蒸發為氨氣的體積可由下面的公式計算：

式中，V 為液氨蒸發后形成氨氣的體積，m3；M 為氨氣的相對分子量，取M=17。

1.3.2 有毒氣體泄漏擴散半徑

假設這些有毒空氣以半球形向地面擴散，有毒氣體泄漏擴散半徑可由下面的公式[3]計算：

式中，R 為有毒氣體擴散半徑，m；W’為儲罐內液氨蒸發的質量，kg；CV為有毒氣體在空氣的危險濃度值，%；CM為質量濃度，kg/m3。

2 液氨儲罐泄漏事故后果分析

應用實例：某涉氨制冷企業的液氨儲罐容積為60 m3，實際儲存量為3000 kg，儲存壓力為1.0 MPa，儲存溫度為22 ℃，液氨的標準沸點為-33℃，比熱為4.6 kJ／kg℃，氣化熱為1.37×103kJ／kg，氨的分子量為17。

采用蒸氣云爆炸模型、沸騰液體擴展蒸氣爆炸模型與中毒模型計算得出危害半徑，是考慮液氨全部泄漏后的情況，未考慮風向、風速、溫度、地形、濕度等因素的影響。

2.1 蒸氣云爆炸危害半徑計算

分別取△P=44000 Pa 和△P=17000 Pa，

求解上述方程組，可得重傷區傷害半徑R2=37.13 m，輕傷區傷害半徑R3=66.72 m。

2.2 沸騰液體擴展蒸氣爆炸危害半徑的計算

火球半徑：R=2.9×30001/3=41.83 m

持續時間：T=0.45×30001/3=6.493 s

通過公式Pr=-37.23+2.56 ln（Tq14/3），取Pr=5，解得死亡熱通量q1=58.07 kW/m2;

通過公式Pr=-43.14+3.019 ln（Tq24/3），取Pr=5，解得重傷熱通量q2=38.43 kW/m2;

通過公式Pr=-39.83+3.019 ln（Tq34/3），取Pr=5，解得輕傷熱通量q3=16.89 kW/m2;

通過公式qr=q0R2r（1-0.058 lnr）/（R2+r2）3/2，取q0=270 kW/m2,R=13.02 m，將死亡熱通量q1=58.07 kW/m2，重傷熱通量q2=38.43 kW/m2，輕傷熱通量q3=16.89 kW/m2帶入公式，計算得出死亡半徑R1=57.25 m，重傷半徑R2=79.83 m，輕傷半徑R3=131.77 m。