典型液氯泄漏危害的ALOHA軟件估算

閆潔潔，向曉東，霍艷霞

（1. 武漢科技大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081；2. 南京南化建設有限公司，江蘇 南京 210044）

典型液氯泄漏危害的ALOHA軟件估算

閆潔潔1，向曉東1，霍艷霞2

（1. 武漢科技大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081；2. 南京南化建設有限公司，江蘇 南京 210044）

以瞬時泄漏和連續泄漏兩種典型液氯泄漏事故為例，分別運用ALOHA軟件和公式計算兩種方法對液氯泄漏危害進行量化評估。估算結果表明：ALOHA軟件對泄漏毒物的危害區域和敏感點毒物濃度的預測結果均具有良好的精度；軟件模擬與公式計算的結果對于液氯瞬時泄漏的相對誤差僅為7%，對于連續泄漏的相對誤差為8%，二者均在可接受范圍內。ALOHA軟件計算過程簡單、表達形象直觀，在泄漏事故應急中具實用性。

ALOHA軟件模擬；液氯泄漏；危害區域分布

氯氣是化工生產的重要原料，可廣泛用于鹽酸、農藥、炸藥、塑料、橡膠、造紙、染料等生產工藝過程［1］。但氯氣是高毒性氣體，在使用、儲存過程中易發生泄漏，如處理不及時，將導致人員中毒甚至死亡。2000年至2004年國家安監局發布的69起液氯泄漏事件報道中，急性中毒事故55起，占79.7%，中毒人數高達3 073人［2］。為了預防液氯泄漏危害，開展液氯泄漏風險的量化評估是必要的。

泄漏危害的量化分析方法有2種：公式計算和軟件模擬。軟件模擬具有快捷、方便、濃度場分布表達直觀等優點，正得到越來越多的應用［3］。實際上，軟件模擬結果是否可信一直是人們普遍關心的問題。

本工作以典型液氯泄漏事故為例，通過對ALOHA軟件模擬和公式估算結果的比較分析，檢驗軟件模擬的可行性，以期為液氯泄漏事故的應急處理提供依據。

1 泄漏危害的量化分析方法

1.1 公式計算法

1.1.1 瞬時泄漏估算模型

瞬時液氯泄漏危害區域采用世界銀行提供的地面點源瞬時排放模型進行估算［4］，見式（1）。式中：t為污染物的泄漏時間，s；x為下風向距離，m；y為橫風向距離，m；z為離地面的距離，m；ρ（x，y，z，t）為給定地點（x，y，z）和時間t的污染物質量濃度，mg/m3；m為瞬時排放的物料質量，mg；u為平均風速，m/s；π為圓周率，3.14；δx，δy，δz分別為x，y，z軸方向的擴散參數。

當鋼瓶破裂時，瓶內壓力降至大氣壓，處于過熱狀態的液氯的溫度迅速降至沸點并放出熱量，設物料泄漏時放出的熱量全部用于液體的蒸發，可得式（2）［4］。

式中：m0為容器中液氯充裝量即液氯泄露量，kg；T為泄漏時的環境溫度，K；T0為液氯的沸點，238.55 K；q為液氯的汽化熱，289 kJ/kg；c為液氯的比熱容，0.96 kJ/（kg·K）。

若只考察擴散可能到達的軸方向最遠點，即令y=z=0，且忽略在平均風速下氯氣的自由擴散，此時污染物的泄漏時間t=x/u，則式（1）可簡化為：

1.1.2 連續泄漏估算模型

由于液氯的沸點為238.55 K，且連續泄漏的泄漏量小，在環境溫度下可視為液氯泄漏后將瞬間氣化，其泄漏量可按照氣體的泄漏量計算［5］，計算式為：

式中：Qc為泄漏源強，kg/s；K為絕熱系數，1.330；Cd為氣體泄漏系數，1.00；A為裂口面積，m2；M為液氯的摩爾質量，70.09 g/mol；R為氣體常數，8.314 J/（mol·K）；Tc為氣體溫度，K；Y為流出系數，1.0；p為容器內介質壓強，Pa。

由于液氯泄漏屬地面源，其排放高度（H，m）可視為0。取泄漏點為原點，與風向平行方向為軸線，有界高斯擴散模型為［5］：

令H=0，得地面源的擴散模式為：

令y=z=0，得泄漏點下風向軸線濃度擴散式為：

1.2 軟件模擬法

目前用于泄漏事件模擬的軟件主要有CFX，FLUENT，PHOENICS，SAFETI，SLAB，ALOHA等。其中，CFX，FLUENT，PHOENICS軟件均屬于CFD模型，側重于泄漏過程的模擬，計算過程較復雜［6］；SAFETI軟件在石油化工、油氣儲運行業中應用較多［7］；SLAB軟件適用于瞬時泄漏模擬，使用簡單、計算快速，但未考慮建筑物對濃度變化的影響［8］。與上述軟件相比，ALOHA軟件更適用于事故應急處理研究，并且具備強大的數據庫支撐，操作相對簡便。

ALOHA軟件［9］是由美國環境保護署化學制品突發事件和預備辦公室、美國國家海洋大氣管理局共同開發的專門用于模擬危險化學品泄漏后果的軟件，現已成為危險化學品領域事故災害后果預測和事故應急救援的重要工具。它具有包含近千種常見危險化學品的數據庫，能夠預測化學品泄漏危害區域、敏感點毒物濃度和泄漏源強隨時間的變化［10］。1.2.1 泄漏危害區域預測

ALOHA軟件根據事故地點信息、危險化學品自身理化性質和泄漏源狀況來模擬泄漏事故危害區域分布，模擬前期所需參數包括：地理位置信息（事故發生地的經緯度、海拔高度）、周圍建筑類型及其覆蓋物、危險化學品理化性質、氣象條件（風速、風向、溫度、云層覆蓋量、濕度等）、泄漏狀況、毒物的關注濃度等。

在ALOHA軟件中，毒物的關注濃度有急性暴露水平指南濃度（AEGL）、應急反應指南濃度（ERPG）、立即危害生命和健康濃度（IDLH）3種指標［11］。AEGL是由美國國家咨詢委員會與國家研究委員會共同制定的急性暴露指標，適用于突發性、短時間泄漏事故的危害影響評估；ERPG是由美國工業衛生協會針對空氣中有毒物質制定的應急響應計劃中的指導濃度，是評估事故防范措施和應急響應計劃的工具；IDLH是由美國國家職業安全衛生研究所針對工作場所工人防護用品的選用而制定的職業暴露濃度限值。此外，該軟件的用戶還可以根據需要自行設定關注濃度，對危害區域進行預測。

ALOHA軟件中的預測模型包括高斯預測模型和重氣體模型兩部分，根據模擬氣體不同，用戶可自行選擇；用戶不確定時，可由軟件根據用戶設定的物質來選擇。液氯擴散屬于重氣體擴散，軟件中以重氣體大氣擴散的DEGADIS模型為基礎，其表達式為［12］：

式中：x，y，z為三維坐標值，m；ρ為污染物質量濃度，mg/m3；ρ0為表面中心線的污染物質量濃度，mg/m3；b為煙羽水平均勻中心區的半寬度，m；Sy為水平濃度比例系數；Sz為垂直濃度比例系數；α為風速廓線常數；z0為風速廓線基準高度，m；u為沿x軸方向的風速，m/s；u0為z=z0時的風速，m/s。

1.2.2 敏感點毒物濃度預測

敏感點是指泄漏源周圍的人員密集場所，如村莊、學校、醫院等。ALOHA軟件在用戶前期輸入所需參數、選取擴散模型后，以泄漏點為圓心、下風向方向為橫坐標建立坐標系，顯示指定濃度下危害區域分布情況，危害區域內任一點濃度隨時間的變化也會相應給出，用戶只需選擇該點坐標即可。

2 算例與對比分析

軟件模擬法考慮因素全面，計算過程快捷，結果直觀形象、信息量大，能夠模擬一個連續完整的過程。現以液氯瞬時泄漏事故和連續泄漏事故模型為例，分別用公式計算和ALOHA軟件模擬兩種方法對危害距離及危害濃度進行估算并作分析比較，以闡明ALOHA軟件模擬的有效性。

2.1 瞬時泄漏時危害區域的比較

選取某地液氯泄漏事故作為案例。該地點位于東經115°0′、北緯31°22′，云層覆蓋量25%，環境溫度25 ℃，大氣濕度50%，西風，風速2.50 m/s，大氣穩定度級別為D類。以m0=500 kg液氯鋼瓶泄漏為例，分別運用瞬時泄漏估算模型和ALOHA軟件計算液氯半致死質量濃度850 mg/m3的下風向最大擴散距離。

2.1.1 公式計算法

由式（2）計算可得，m=98 kg；將m=98 kg和ρ=850 mg/m3代入式（3），得到δy2δz=1.46×104m3；查Briggs擴散參數表得到D類大氣穩定度下的擴散參數表達式δy=0.08x（1+0.000 1x）0.5，δy=0.06x（1+0.001 5x）0.5；利用試差法求得下風向距離x=437 m。即當泄漏量為500 kg時，由公式計算得到的半致死質量濃度850 mg/m3的下風向最大擴散距離為437 m。

2.1.2 軟件模擬法

ALOHA軟件不僅可以確定危險距離，而且可以確定危險邊界。依上例，用ALOHA軟件模擬可得泄漏量500 kg時半致死濃度850 mg/m3的分布區域，得危害區域分布圖，見圖1。由圖1可見，在近似橢圓形的紅色區域內，氯氣的濃度均大于關注濃度。圖1中的外輪廓線為置信度邊界［13］，表示在擴散過程中，風向可能發生一定程度的偏移，使影響范圍有所擴大。ALOHA軟件模擬得到的下風向最大擴散距離為462 m，僅比公式計算結果高約5%。

圖1 危害區域分布圖ρ大于850 mg/m3的區域

為進一步判定ALOHA軟件的準確性，分別用公式計算法和軟件模擬法得到不同泄漏量時的下風向最大擴散距離，見圖2。

圖2 不同泄漏量時的下風向最大擴散距離公式計算值；軟件模擬值

由圖2可見，ALOHA軟件模擬值與公式計算值非常接近，平均相對誤差為7%。對于事故應急危害區域劃分而言，該偏差在可接受范圍內。

2.2 連續泄漏時下風向濃度的比較

算例參數為：東經115°0′、北緯31°22′，云層覆蓋量25%，環境溫度25 ℃，大氣濕度50%，西風，風速2.75 m/s，大氣穩定度級別為C類，泄漏直徑5 mm，泄漏質量1 000 kg。

根據式（4）計算出連續泄漏源強Qc=1.619 kg/ s，根據Briggs擴散參數表求得泄漏源下風向500 m處的質量濃度為137.4 mg/m3。

在ALOHA軟件中設定連續泄漏源強Qc=1.619 kg/s，泄漏時間10 min，其他條件在模擬前期用戶自行輸入，得到下風向500 m處氯氣質量濃度隨液氯泄漏時間的變化趨勢，見圖3。

圖3 下風向500 m處氯氣質量濃度隨液氯泄漏時間的變化

由圖3可見，最大質量濃度為153.0 mg/m3，且持續時間與排放時間相接近；該模擬值略大于公式計算值，對液氯事故應急是有利的。

上述事故條件不變，采用公式計算法和軟件模擬法得到不同下風向距離的氯氣質量濃度，見圖4。

圖4 不同下風向距離的氯氣質量濃度公式計算值；軟件模擬值

由圖4可見：在下風向2 000 m范圍之內，ALOHA軟件模擬值略大于公式計算值；此后，隨下風向距離的增大逐漸變為軟件模擬值略小于公式計算值；ALOHA軟件模擬值與公式計算值的平均相對誤差為8%。事故應急泄漏源下風向2 000 m之內一般為重點考慮防護區域，模擬值偏大更能確保危害區域內的人員安全。

3 結論

a）ALOHA軟件對泄漏毒物的危害區域和敏感點毒物濃度的預測結果均具有良好的精度。計算實例表明：對于液氯瞬時泄漏，軟件模擬與公式計算結果的相對誤差僅為7%；對于連續泄漏的相對誤差為8%。二者均在可接受范圍內，即無論是瞬時泄漏還是連續泄漏，ALOHA軟件的模擬結果都具有很好的準確性。

b）與公式計算相比，ALOHA軟件有數據庫支撐，操作簡單，更為準確快捷。模擬前期只需輸入氣象條件及泄漏基本條件，受主觀因素影響較小，結果形象直觀，在液氯泄漏事故應急中更具實用性。

［1］ 金建祥，單學凱，丁成. 化工廠液氯泄漏環境風險評價研究［J］. 廣東化工，2009，36（11）：75 - 76，93.

［2］ 朱艷梅，宋桂芝，鈕英慧. 69起氯氣泄漏事故原因分析及預防對策［J］. 中國工業醫學雜志，2005，18 （5）：320.

［3］ 謝紅梅. 化工企業地震次生毒氣泄漏擴散規律及風險評估研究［D］. 西安：西安建筑科技大學，2010.

［4］ 閆亮. 氯氣泄漏后毒害區域的估算及泄漏事故處置對策探討［J］. 沈陽航空工業學院學報，2006，23（3）：70 - 72.

［5］ 張建平. 液氯泄漏事件的環境安全防護距離與監測布點方法［J］. 中國環境監測，2008，24（1）：5 - 6.

［6］ 謝龍漢，趙新宇，張炯明. ANSYS CFX流體分析及仿真［M］. 北京：電子工業出版社，2012：2 - 3.

［7］ 陳國華，梁韜，張暉，等. 用SAFETI定量評價液氯泄漏事故的風險［J］. 華南理工大學學報：自然科學版，2006，34（5）：103 - 108.

［8］ 施婕. 突發毒氣泄漏事故的急性健康風險分析研究［D］. 天津：南開大學，2009.

［9］ U.S. Environmental Protection Agency，National Oceanic and Atmospheric Administration. ALOHA：Areal Locations of Hazardous Atmospheres User’s Manual［EB/OL］. ［2014-08-14］. http：//www2.epa.gov/cameo/cameo-downloading-installing-and-running-aloha.

［10］ 楊玉勝. 基于大氣擴散模型的危險化學品事故疏散模擬訓練方法［J］. 武警學院學報，2009，25（2）：51 - 53.

［11］ 呂德超. 道路運輸氣體類危化品泄漏擴散及警戒范圍模型研究［D］. 北京：北京交通大學，2013.

［12］ 孫標， 郭開華. LNG重氣擴散安全距離及影響因素［J］. 天然氣工業，2010，30（7）：110 - 113，140.

［13］ 肖微煒，趙永欣，張以飛，等. 基于GIS的重氣體擴散預測模擬研究［J］. 環境科學與管理，2014，39 （2）：104 - 107.

（編輯 魏京華）

Hazard Estimation of Typical Liquid Chlorine Leakage by ALOHA Software

Yan Jiejie1，Xiang Xiaodong1，Huo Yanxia2
（1. School of Resource and Environmental Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430081，China；2. Nanjing Chemical Construction Co. Ltd.，Nanjing Jiangsu 210044，China）

Taking instantaneous leakage and continuous leakage，the two typical liquid chlorine leakage accidents，as examples，the hazard of liquid chlorine leakage was quantitatively estimated by ALOHA software simulation and formula calculation respectively. The estimation results show that：ALOHA software simulation on leakage hazard has high accuracy in determining the hazard region and the sensitive point toxicant concentration values；The relative errors of ALOHA software simulation results to formula calculation results are only 7% for instantaneous leakage and 8% for continuous leakage，both of the results are within an acceptable range. In addition，because the calculation process is simple and the result expression is visual，ALOHA software is more applicable in the leakage accident emergency response. Key words: ALOHA software simulation；liquid chlorine leakage；hazard region distribution

X507

A

1006 - 1878（2015）01 - 0069 - 05

2014 - 09 - 15；

2014 - 11 - 18。

閆潔潔（1990—），女，河南省濮陽市人，碩士生，電話 13667289475，電郵 981995890@qq.com。聯系人：向曉東，電話 15927613679，電郵 drxxd@163.com。