基于PHAST 的危險化學品壓力儲罐泄漏模擬分析

張光生 楊日麗 劉偉杰(隴東學院能源工程學院，甘肅 慶陽 745000)

0 引言

近年來，隨著我國化工企業生產規模快速發展，危化品種類、所需數量急劇增多，且大多數往往具有易燃易爆、有毒危險特性。若在生產、使用、儲存過程中由于管理不當或者操作不慎往往會造成?；反竺娣e的泄露，就有可能發生災難性后果。因此，加強對?；饭茴A控理就顯得意義重大。因此，針對危險化學品泄漏事故展開深入研究，同時建立有效的應急機制十分必要[1]。

截止目前為止，國內外一些學者對危險化學品泄漏擴散模型的相關研究主要包括理論分析、實驗研究和實際應用3 個方面。至今已出現數以百計的典型事故后果模型，如高斯模型、BM 模型、Sutton 模型、FEM3 模型、箱及相似模型、P-G 模型等[2-7]。每個模型都有其各自的特點及應用范圍，為試驗研究提供了大量的理論依據。而國內學者著重在重氣煙羽擴散的風洞模擬實驗，氣體在風洞擴散行為[8]、兩相界流泄露模型[9]進行了相關的實驗研究等。結合不同的泄露后果模型開發了相關的軟件、其中應用較為普遍的軟件，比如：PHAST、SAFETI、ALOHA等軟件，對不同類型的?；沸孤赌M。

本文選取某工業園區丙烷制丙烯腈項目為背景，利用PHAST軟件對其可能的泄露擴散事故后果進行模擬分析，得出定量危害影響范圍對提高罐區風險預測及整體防范提供指導。

1 項目基本情況

1.1 生產概況

本項目位于某工業園區內，作為一個1200 萬t 原油加工項目下屬的子項目?？傉嫉?.5 萬m2，其平面布置圖如圖1 所示。該區域內無大河流，河流徑流量短。流量的季節性變化大。地上基巖裂隙水和沉積沖積層孔隙潛水量有限。儲罐區主要為立式柱形罐儲存。該項目儲罐區分為產品儲罐區及汽車裝卸區，產品區有2 個氫氰酸儲罐、4 個丙烯腈儲罐、2 個乙腈儲罐。

圖1 廠區平面布置圖

1.2 儲存系統

本項目物質儲存情況及儲罐信息見表1 和表2。

表1 物質儲存情況表

表2 儲罐容量、數量表

2 儲存系統重大危險源辨識

2.1 儲存系統重大危險源辨識理論

式中：q1,q2,…,qn為每種危險物質實際存在或者以后將要存在的量(t)；Q1,Q2,…,QN為各危險物質相對應的臨界量(t)。

2.2 危險化學品重大危險源分級標準

(1)分級指標：經校正系數校正后的比值之和R作為分級指標。

(2)R的計算方法：

式中：β1,β2,…,βn為與各危險化學品相對應的校正系數；α為該危險化學品重大危險源廠區外暴露人員的校正系數。

對照校正系數表，該項目中危險化學品氫氰酸、氫氰酸、乙腈的校正系數β分別取值4、1.5、1.5，區外暴露人員校正系數取值為2。

2.3 危險化學品重大危險源指標計算

本項目危險化學品R 計算指標，見表3。

表3 本項目危險化學品重大危險源指標計算表

2.4 重大危險源辨識結果

綜合以上分析結果，儲罐區危險化學品重大危險源級別為一級，為保證安全生產的要求，采用PHAST 軟件模擬對儲罐區進行了安全評估。因條件限制，僅對丙烯腈儲罐區泄漏事故進行后果模擬分析。

3 應用PHAST軟件對丙烯腈泄漏事故模擬

3.1 參數設定

本次模擬的事故情景為：丙烯腈儲罐區中丙烯腈儲罐因腐蝕穿孔而導致筒體破壞，在罐體高度4m 處產生孔洞造成丙烯腈泄漏，形成液池，發生連續蒸發擴散。假設泄漏事故在20min內得到有效控制。

(1)設定氣象條件：假定周圍大氣環境為1.5/F、3/F、5/F、1.5/D。

(2)設定天氣數據：假定該地區夏季平均氣溫28.1℃，相對濕度70%，擴散計算的地表溫度30.7℃。

(3)設定地形條件：在PHAST 中地面粗糙度被指定為“30mm，開闊平坦的草地，少量孤立的物體”。選中這類表面類型，是因為它產生了一個下風向距離的保守估計，減少了對側風距離過高的估計。釋放位置海拔7m。圍堰高度0.4m。

(4)泄漏源參數：泄漏源高度：4m。泄漏類型：連續泄漏。泄漏時間：20min。

(5)模型設定：5000m3丙烯腈儲罐，充裝系數為71%，罐內最高允許工作壓力111.4kPa，丙烯腈液態時密度為0.8004kg/m3，氣態時密度為1.830kg/m3，罐體直徑23.7m，罐體高度12.53m。分別以泄漏當量直徑為7mm(小孔泄漏)、25mm(中孔泄漏)和50mm(大孔泄漏)的孔洞為對象。

液體和易揮發氣體的釋放被建立為一個“隨時間變化釋放”的模型，假定泄漏位置在液面以下。釋放開始時的液體流速高于最后。在釋放開始時，罐內的液位對泄漏的孔洞口能產生極大壓力。當液位按照模擬的情況排空儲罐時，泄漏速率也同樣下降。

(6)濃度設定：在風險預測過程中需要對危害界限(或標準)進行合理選擇，PHAST 定義了幾個與作用時間相關的濃度，選擇美國工業衛生協會所指定的ERPG(緊急響應計劃指南)作為繪制下風向距離等濃度線的依據，因為在實際生活當中，ERPG-3 更具有現實作用，它規定了大氣環境中最高的毒氣濃度值，在低于此濃度標準的環境中暴露1h，絕大多數人不會受到生命威脅，最終可以避難。丙烯腈ERPG 濃度分為三級，具體參數如表4 所示。

表4 緊急響應計劃指南(ERPG)濃度

(7)風險后果分析：對于低壓常溫液體儲罐，在泄漏后不會發生閃蒸，泄漏后的液體會在地面形成液池，在未達到邊界時液池的大小隨時間增加而增加。液池以質量蒸發為主，蒸發后以氣體形式迅速擴散，質量蒸發速率隨液池面積增加而增加，待液體流至邊界后，液池面積不再增加，質量蒸發速率也不再增加。

由于罐體內液體71%充滿狀態，當儲罐下部出現孔洞引發泄漏時，孔洞處溫度發生變化，最終達到環境溫度，此時罐內氣液平衡遭到了破壞，罐內液體迅速從孔口溢出。論文中設定孔洞內徑較小，罐內溫度變化未達到急速狀態，因此，在沒有明火及高熱的情況下不會發生蒸氣爆炸，所以在進行儲罐泄漏風險模擬時，主要考慮有毒氣體泄漏擴散。

根據緊急響應計劃指南，我們最關注的潛在死亡區域是高于75ppm 以上的丙烯腈濃度區域。下一個關注的區域是高于35ppm 以上濃度的丙烯腈，該濃度下可以對人體造成不良傷害。最后一個關注的區域為高于10ppm 以上濃度丙烯腈，該濃度下會對人體產生短暫的不良反應。

3.2 模擬結果

3.2.1 風速的影響

圖2 表示的是在泄漏孔徑相同，而風速不同的條件下，丙烯腈泄漏擴散范圍俯視圖。在本次模擬中，三條曲線分別代表了三種不同風速下丙烯腈泄漏的擴散邊界范圍。在大氣穩定度均為F 的條件下，藍色實線代表風速1.5m/s 時的擴散范圍，綠色長劃線代表風速3.0m/s 時的擴散范圍，紅色點劃線代表風速5.0m/s 時的擴散范圍。風速越大，危險區域越小。反之，風速越小，危險區域越大。也就是說高風速有利于氣體的擴散。

圖2 7mm孔洞泄漏擴散范圍俯視圖

3.2.2 泄漏孔徑的影響

如圖3，圖4，圖5 所示，藍色實線代表ERPG-1(10ppm)，綠色長劃線代表ERPG-2(35ppm)，紅色點劃線代表ERPG-3(75ppm)。7mm 孔洞泄漏ERPG-1 濃度順風距離約為1736m，云團最大單側寬度103m；25mm 孔洞泄漏ERPG-1 濃度順風距離約為7297m，云團最大單側寬度408m；100mm 孔洞泄漏ERPG-1濃度順風距離約為21925m，云團最大單側寬度2427m。可以看出孔徑大小影響泄漏量，因此在天氣條件相同的情況下，孔徑越大，危險區域越大。

圖3 大氣環境1.5/F時，7mm孔洞泄漏擴散范圍俯視圖

圖4 大氣環境1.5/F時，25mm孔洞泄漏擴散范圍俯視圖

圖5 大氣環境1.5/F時，50mm孔洞泄漏擴散范圍俯視圖

3.2.3 大氣穩定度的影響

如圖6 所示，直徑7mm 的孔洞，在風速1.5m/s 和大氣穩定度分別為F、D 的條件下(藍色實線代表1.5/F，綠色點劃線代表1.5/D)，大氣穩定度為F 時的云團面積明顯大于大氣穩定度為D時的云團面積。

圖6 大氣環境1.5/F和1.5/D時，7mm孔洞泄漏擴散范圍俯視圖

然而，這些關鍵距離的丙烯腈濃度和相關的擴散范圍會隨著當時的主導風向而變化。同時，為了對現場應急救援進行實際的指導，通過PHAST 軟件，將當地的地理信息精確的與CAD廠區布置圖相結合，在PHAST 中成功導入地理信息系統，形成了圖7。

如圖7 所示，三種線型的圖形為常年主導風向上的10ppm丙烯腈濃度擴散濃度范圍。三種線型的圓環線分別為三種氣象條件下(藍色實線代表1.5/F，綠色長虛線代表3/F，紅色短點劃線代表5/F)各風向丙烯腈濃度擴散的最遠點的連線。由于和地理信息系統進行了結合，我們可以清楚的看到10ppm 丙烯腈濃度在不同氣象條件下的最大影響范圍，并了解其擴散的寬度。在夏季的1.5F 的風速條件下，10ppm 丙烯腈濃度區會影響到污水預處理車間、裝卸區和泡沫站，并超出了南部和西部的廠區邊界。在西南風向的情況下，丙烯腈儲罐區和泡沫站均會處于濃度，但不會波及氫氰酸及乙腈儲罐區。從圖7 也可以看出，發生事故后，沿橫風向向兩邊撤離能夠在最短時間內逃離事故污染區域。

3.2.4 風速對池火熱輻射的影響

當丙烯腈儲罐失效產生孔洞泄漏后，泄漏到地面的液體便會向四周流淌、擴展，若受到防火堤、隔堤等的阻擋，發生池火災。在氧氣供應充足的開放空氣環境中池火災對周圍環境的主要傷害是熱輻射。

模擬結果顯示，風速5m/s 時輻射值為4kW/m2的傷害半徑為6.9m；風速1.5m/s 時輻射值為4kW/m2的傷害半徑為6m。如圖8，給事故控制帶來不確定性因素。

圖7 10ppm丙烯腈濃度地理信息系統分布圖

圖8 不同風速下池火災熱輻射影響距離

4 結語

本文通過PHAST 軟件模丙烯腈項目中的低壓丙烯腈儲罐泄漏的擴散后果，用UDM 模型模擬液體蒸發擴散的過程，評估泄漏造成的中毒區域。結果表明，PHAST 軟件能很好地定量風險模擬與評估石油、化工等裝置中各種事故，并以圖表的形式直觀的表達出來。

對同一孔徑的泄漏源來說，風速越大，氣體越易揮發擴散；風速較低時，氣體因受大氣湍流的影響，氣體擴散速度就越慢，危險區域就越大。

在夏季的1.5F 的風速條件下，10ppm 丙烯腈濃度區會影響到污水預處理車間、裝卸區和泡沫站，并超出了南部和西部的廠區邊界。其中，在主導風向(西南風)的作用下，丙烯腈儲罐區和泡沫站均會處于濃度，但不會波及氫氰酸及乙腈儲罐區。從丙烯腈濃度地理信息系統分布圖可以看出，發生事故后，沿橫風向向兩邊撤離能夠在最短時間內逃離事故污染區域。

由池火災輻射影響距離圖可以看出，若丙烯腈儲罐泄漏發生池火災事故，不同風速下的熱輻射半徑均處于丙烯腈罐區范圍之內，且熱輻射半徑均未達到輕傷半徑。