基于ALOHA 軟件的某化工企業(yè)苯泄漏擴散模擬研究

讓淑領

（北京中礦基業(yè)安全防范技術有限公司山東省分公司，山東 東營 257100）

0 引 言

隨著我國石油化學工業(yè)的迅猛發(fā)展，化工企業(yè)的數(shù)量和規(guī)模逐漸增大，生產、經營、儲存、運輸、使用，以及銷毀的危險化學品的數(shù)量快速增多，其中相當一部分是易燃、易爆、有毒及有害的化學品。

危險化學品發(fā)生泄漏，不但會引發(fā)中毒、火災甚至爆炸事故，還會引起民眾的恐慌情緒。危險化學品泄露之后其擴散范圍的確定直接影響現(xiàn)場人員的疏散。危險化學品發(fā)生泄漏后應在最短的時間內確定有毒物質的擴散范圍，并將受威脅區(qū)域內的人員進行疏散，避免造成人員傷亡事故。

因此，如何根據(jù)危險化學品的泄漏情況和事故情景，確定合理可信的影響區(qū)域，是危險化學品事故疏散決策中需要解決的一個重要問題。

苯是一種碳氫有機化學物，具有很大的揮發(fā)性質，一旦暴露在空氣中很容易擴散，人和動物吸入或皮膚接觸大量苯進入體內，可能會造成慢性或急性苯中毒，同時苯對皮膚有刺激作用，能誘發(fā)人的染色體畸變，是致癌物質。短期接觸苯、二甲苯會出現(xiàn)頭痛、惡心、嘔吐、神志模糊、知覺喪失、昏迷和抽搐等癥狀。

因此，在化工企業(yè)生產過程中，一旦發(fā)生苯泄漏擴散事故，極容易引起重大人員傷亡事故。

2015 年11 月5 日，浙江衢州巨化集團苯庫4#苯槽的槽頂開裂，蒸汽夾帶殘余苯泄漏，事故造成2 人死亡。

山東某新能源公司主要以生產柴油、汽油、丙烷、丙烯、氫和液化石油氣等，該公司在西北廠區(qū)北部建有成品油質量升級項目配套罐區(qū)，罐區(qū)涉及的物質有原油、石腦油、汽油、柴油、苯、甲苯、二甲苯和煤油。

本文以山東某新能源公司儲罐區(qū)的苯罐為研究對象，在特定的事故場景下，分析苯罐中的苯泄漏及擴散過程及其影響范圍。

1 泄漏擴散理論模型

易燃、易爆、有毒及有害的化學品一旦泄漏，在外部風和內部濃度梯度的作用下會沿地表面擴散，擴散模式可分為煙團擴散和煙羽擴散兩種模式，氣體擴散過程中在事故現(xiàn)場形成燃燒爆炸或毒害危險區(qū)，變化或擴大的危險區(qū)增加了現(xiàn)場搶險救援工作的難度，造成嚴重的人員傷亡和財產損失。大部分危險化學品的泄漏都屬于瞬時泄漏，在瞬時泄漏過程中，常用的數(shù)學模型包括高斯模型和盒子模型，由于在處置危險化學品事故應急疏散過程中需要快速確定威脅區(qū)域，并不需要特別復雜和精確的擴散模型。

因此，本文選擇高斯模型對苯在大氣中擴散過程的模擬。

有毒有害氣體擴散后果如圖1 所示。

圖1 有毒有害氣體擴散后果Fig.1 Consequence of poisonous and harmful gas diffusion

當泄漏氣體在平整的地面上方擴散時，若不考慮化學反應，危險化學品也不發(fā)生沉降等現(xiàn)象時，則瞬時泄漏可以用高斯云團模型來描述。在風速、風向不變的情況下，以風向為x 軸建立坐標系，則氣體的濃度分布滿足方程式如下：

式中：C（x,y,z,t） 為空間坐標系中一點（x,y,z） 在t時刻濃度，kg/m3；Q0為泄漏量，kg；u為環(huán)境風速，m/s；σx、σy、σz為大氣擴散參數(shù)，且σx =σy。若氣體在地面擴散時，可以取z=0 平面，此時危險化學品的濃度分布為：

因此，已知危險化學品的泄漏量和環(huán)境參數(shù)，即可利用高斯云團模型來計算平面內任意一點（x,y） 和任意時間對應的有毒有害氣體的濃度。

2 ALOHA 仿真模擬

2.1 ALOHA 軟件簡介

有害大氣空中定位（Areal Locations of Hzadous Atmospheres，ALOHA） 是由美國環(huán)保署化學制品突發(fā)事件和預備辦公室、美國國家海洋和大氣管理辦公室聯(lián)合開發(fā)，可進行由于危險化學品泄漏造成的有毒氣體云、可燃氣體云、噴氣火、池火和蒸氣云爆炸事故的風險建模，廣泛應用于危險化學品的事故應急救援與處置。

ALOHA 的模型中包含有源強模型、毒性氣體擴散模型、蒸氣云爆炸模型和熱輻射模型，并且軟件自帶大約1 000 種常用危化品數(shù)據(jù)庫，采用成熟的各類火災、爆炸等數(shù)學模型，可以模擬危險化學品火災、爆炸和中毒等事故后果，根據(jù)特定的事故場景預測事故的影響范圍，模擬得到火災、爆炸或中毒事故的影響區(qū)域和嚴重程度。

對于特定的敏感點，可以根據(jù)建筑物的類型、預測室內或室外的有毒有害氣體濃度變化，了解事故的發(fā)展態(tài)勢。

2.2 事故案例情景設定

ALOHA 軟件可以在特定的事故情境下，模擬危險化學品的泄漏擴散過程，并分析和評估收到危險化學品威脅的區(qū)域。

本文設定的事故案例情景為山東某新能源公司成品油儲罐區(qū)的苯罐由于閥門破裂而發(fā)生苯泄漏事故，該企業(yè)的地理坐標為（118.445 567，37.125 489），海拔為8.8 m。

事故發(fā)生的時間為2020 年5 月10 日上午10:00，天氣為晴轉多云，云層的覆蓋率約為25%，溫度為25 ℃，濕度為50%，風速為3 m/s，風向為北風。

泄漏的苯罐擺放方式為豎直放置，苯罐的容積為5 000 m3，尺寸為直徑21 m、高度16.5 m，事故發(fā)生時儲罐內的苯重量為3 000 t。

苯罐的泄漏點尺寸為2 cm 的圓形孔，泄漏點的位置為距離底部2 m。

此外，在廠區(qū)出后位置的值班室作為敏感點，用于分析值班室位置處的室內、室外苯濃度變化規(guī)律，值班室相對于泄漏點的坐標為（200，300）。

2.3 參數(shù)的設置

利用ALOHA 軟件對危險化學品的泄漏擴散過程進行仿真建模時，需要在軟件中輸入關于氣體泄漏的各項細節(jié)信息如泄露孔徑、位置、容器形狀和容量、風速、天氣濕度和地表形狀等。

本文根據(jù)設定的事故情景案例，在ALOHA 軟件中設置的具體參數(shù)如下。

（1） SiteData-Location Information：選擇SP，CHINA。

（2） SiteData-BuildingType：選擇SingleStoried building 和Unsheltered surroundings。

（3） SiteData-Date&Time：選擇Set a constant time，并在Input a constant date and time 中輸入2020.5.10 10：00。

（4） Setup-Chemical：選擇Pure Chemicals，在化學物質列表中選中BENZENE 后，點擊Select選項；在Ground Roughness is 中，選擇Open Country，在Select Cloud Cover 中選擇partly cloudy。

（5） Setup-Atmospheric-User Input：風速設置為3，單位選擇m/s，風向設置為北風，測量高度為3 m。

在Atmospheric Options 2 中，設置溫度為25，單位為 ℃， Inversion Height Options 選擇No Inversion，濕度設置為50%。

（6） Setup-Source-Tank：在Select tank type and orientation 中選擇Vertical 選項，在Enter two of three values 選項中，輸入罐體的直徑和長度分別為21 和16.5，單位選擇meters。

在Chemical State and Temperature 對話框中，化學品的狀態(tài)選擇Tank contains liquid，在罐體溫度設置為Chemical stored at ambient temperature。

在Liquid Mass or Volume 對話框中，輸入儲罐中苯的體積為3000，單位選擇tons。

在Type of Tank Failure 選項中選擇Leaking tank, chemical is not burning and forms an evaporating puddle。

在Area and Type of leak 對話框中，選擇Circular Opening，在Opening diameter 中 輸 入50，單位選擇meters，并選擇泄漏方式為Hole。

在Heigh of the Tank Opening 對話框中，在The bottom of the leak is 中輸入2，單位為m。

在Puddle Parameters 對話框中，Select ground type 選擇Concrete。

（7） Setup-Calculation Options：選擇Use Heavy Gasdispersion only選項。

（8） Display-DsipalyOptions：選擇Metric units。

（9） Display-Threat at point：選擇Fixed Corrdinates，敏感點的坐標為West（200），South（300）。

2.4 仿真模擬結果

對于特定的事故情景，在ALOHA 軟件中可以對危險化學品事故的影響范圍進行仿真模擬，在ALOHA 軟件中，危險化學品事故對人員造成的傷害分3 個級別，分別是輕度傷害、嚴重傷害和重度傷害，不同危害程度對應的極限值不同。

根據(jù)輕度傷害、嚴重傷害和中毒傷害3 種危害程度，從疏散的角度出發(fā)，將受威脅區(qū)域從內到外劃分為緊急避難區(qū)、協(xié)助疏散區(qū)、引導疏散區(qū)和自主疏散區(qū)。

在事故的應急救援過程中，可以根據(jù)仿真模擬結果確定應急疏散方案，指揮受威脅人員有序撤離事故現(xiàn)場。

2.4.1 受威脅區(qū)域

本文針對特定事故情境下苯泄漏的過程進行仿真模擬，得到了如圖2 所示的泄漏擴散威脅區(qū)域。受威脅區(qū)域范圍如圖2 所示。

圖2 受威脅區(qū)域范圍Fig.2 Scope of threatened area

由圖2 可以看出，緊急避難區(qū)的最大范圍與泄漏點的距離約為1.8 km，協(xié)助疏散區(qū)的最大范圍與泄漏點的距離約為5 km，引導疏散區(qū)的最大范圍與泄漏點的距離約為8.5 km，不同的威脅區(qū)域對應的危險有害氣體的最大濃度也不同。此外，考慮到風速、風向、溫度和日照等條件的影響，使危害去發(fā)生偏移，在ALOHA 中采用虛線，顯示了偏移的范圍。

在苯泄漏事故發(fā)生之后，可以觀察苯泄漏整個過程中的變化強度，泄露源強度變化如圖3 所示。

圖3 泄露源強度變化Fig.3 Variation of leakage source intensity

由圖3 可以看出，從苯泄漏事故發(fā)生后的一個小時內，苯濃度隨著蔓延距離之間的變化情況，由此可以判斷苯泄漏源的強度大小。

2.4.2 敏感點苯濃度變化規(guī)律

為了分析此次苯泄漏事故過程對某一局部地點的苯濃度變化情況，在距離泄漏點位置（90，200）方位的廠區(qū)門衛(wèi)室，設置一個苯濃度觀測點，觀察門衛(wèi)室內外的苯濃度變化情況，監(jiān)測點苯濃度變化情況如圖4 所示。

圖4 監(jiān)測點苯濃度變化情況Fig.4 Change of benzene concentration at monitoring points

3 結 語

通過上述的實例分析，可知ALOHA 軟件可以根據(jù)特定背景條件下危險化學品泄漏事故的危害程度進行仿真模擬，得到該危險化學品的泄漏范圍和影響區(qū)域，以及監(jiān)測指定地點的危險有害氣體的濃度變化范圍。

通過改變不同的參數(shù)設置得到不同的仿真模擬結果，當事故發(fā)生之后可以通過調整相關參數(shù)，得到事故可能的影響范圍，為事故的人群疏散和應急救援決策的制定提供技術指導，最大可能的降低事故造成的人員傷亡數(shù)量和經濟損失。