環氧丙烷儲罐泄漏事故場景的ALOHA數值模擬

張永光(上海天譜安全技術咨詢有限公司，上海 201108 )

0 引言

ALOHA(Areal Location of Hazardous Atmosphere)是一個用于模擬危險化學品泄漏導致的有毒氣體擴散、火災、爆炸等危險及其威脅區域的計算程序。ALOHA中的威脅區域是指危險(如毒性)超過用戶指定關注級別(LOC)的區域。ALOHA可根據輸入的相關基礎參數計算出危險化學品從儲罐、液池和氣體管道中逸出的速度及其隨時間的變化情況，并可模擬多種釋放場景，基于各種釋放場景輸出威脅區域、特定位置的威脅和釋放源強度圖等[1]。

上海市某化工廠在生產過程中使用低沸易燃液體環氧丙烷作為原料，廠區內設有環氧丙烷儲罐區，罐區內設有一臺容積1 000 m3的環氧丙烷球形儲罐，若該儲罐發生泄漏，環氧丙烷極易燃，并可與空氣形成爆炸性混合物，若遇明火、高熱等點火源可能會燃燒爆炸從而導致火災、爆炸事故。為研究環氧丙烷儲罐泄漏事故對人員的傷害范圍或對物體的破壞范圍，本文利用ALOHA模擬與環氧丙烷釋放相關事故的威脅區域，以期為事故預防和救援能夠提供有效的指導，并為人員集中場所與爆炸地點的防護距離計算提供方法。

1 基礎信息輸入

ALOHA需要輸入泄漏發生的地理位置、大氣條件、發生時間、化學品和釋放源情況等基礎信息來進行模擬計算[2]。

1.1 地理位置和大氣條件

上海市地處東經121°29′，北緯31°13′，平均高度為海拔2.19 m左右，平均氣溫15.6 ℃，雨量充沛，日照充足，年平均相對濕度77%，全年最大頻率風向為東南風，平均風速3.3 m/s。

假設某日20:00發生環氧丙烷儲罐泄漏，ALOHA中輸入大氣條件的計算參數如下：

風速：3.3 m/s，風向：SE，測量高度：10 m，地表粗糙度：城市或森林，云層覆蓋：5/10，氣溫：15.6 ℃，大氣穩定度：E，是否存在逆溫：否，相對濕度：77%。

1.2 環氧丙烷危險特性

在ALOHA的化學品信息項目中選擇環氧丙烷，軟件自動輸入環氧丙烷相關參數如下：

化學品名稱：環氧丙烷，CAS號：75-56-9，摩爾質量： 58.08 g/mol，AEL-1(60 min)：73 mg/L，AEL-2(60 min)：290 mg/L，AEL-3(60 min)：870 mg/L，IDLH：400 mg/L，LEL：22 000 mg/L，UEL：355 000 mg/L，環境條件下沸點：34.5 ℃，環境溫度下蒸氣壓：0.48倍的標準大氣壓，環境條件下飽和濃度：48.3%。

1.3 環氧丙烷儲罐及泄漏場景

上海市某化工廠的環氧丙烷儲罐區內設有一臺容積1 000 m3的環氧丙烷球形儲罐(直徑12.4 m)，工作溫度0～20 ℃，工作壓力0～0.2 MPa，充裝系數為80%。罐區為水泥地面，設有1.2 m高的防火堤，罐區占地面積1 430 m2。廠區北側設有綜合樓，距離環氧丙烷儲罐200 m。

根據有關統計數據，固定式壓力儲罐泄漏場景中頻率最大為中孔泄漏，中孔泄漏孔徑范圍5～50 mm，代表值25 mm[3]。在ALOHA中模擬儲罐發生泄漏時，泄漏孔的面積必須小于儲罐的圓形截面積或者小于儲罐表面積的10%，取兩者之間較小的值。若直徑12.4 m儲罐發生泄漏，儲罐表面積為483 m2，泄漏孔的面積必須小于儲罐表面積的10%，即48.3 m2，此時泄漏孔直徑最大可取為7.84 m。

危險化學品的危險特性主要為燃燒性、爆炸性、毒害性和腐蝕性，根據國家相關標準的規定，環氧丙烷(UN1280)危險性類別為第3類易燃液體，且未劃分其他危險性的類別或項別[4]，環氧丙烷的主要危險特性為其燃燒性。若環氧丙烷儲罐發生泄漏，事件樹如圖1所示。

圖1 環氧丙烷儲罐中孔泄漏事件樹

根據圖1的事故場景，在ALOHA中選擇泄漏源為儲罐，輸入源強的計算參數如下：球形儲罐，儲罐直徑12.4 m，容積1 000 m3，儲存化學品狀態：液體，儲存溫度15.6 ℃，充裝系數80%，儲存量668 318 kg，泄漏口形狀：圓形，泄漏孔徑：25 mm/ 7.84 m，泄漏通過孔洞或管道/閥門：孔洞，泄漏孔距罐底高度：1 m，地面類型：混凝土，地面溫度：15.6 ℃，最大液池面積：1 430 m2。

2 模擬分析

2.1 池火

環氧丙烷儲罐發生泄漏并在防火堤所圍面積內形成燃燒的液池，當泄漏孔徑為25 mm時，ALOHA模擬得出池火的最大火焰長度：10 m，燃燒時間：1 h，最大燃燒速率：79.8 kg/min，總燃燒量：4 711 kg，蔓延為直徑5.3 m的液池。當泄漏孔徑為7.84 m時，ALOHA模擬得出池火的最大火焰長度：42 m，燃燒時間：1 h，最大燃燒速率：5 200 kg/min，總燃燒量：311 678 kg，蔓延為直徑43 m的液池。池火相關的潛在危險包括熱輻射、煙霧以及火災產生的有毒燃燒產物等，ALOHA主要是模擬其熱輻射危害，當環氧丙烷儲罐泄漏孔徑為25 mm和7.84 m的時候可能發生池火的熱輻射威脅區域分別如圖2和圖3所示。

圖2 池火熱輻射威脅區域圖(泄漏孔徑25 mm)

圖3 池火熱輻射威脅區域圖(泄漏孔徑7.84 m)

通過圖2、圖3可以看出環氧丙烷儲罐一旦泄漏發生池火災，相應的熱輻射水平對那些暴露在這些熱輻射水平下，但能夠在1 min內尋求庇護的人可能產生的影響。熱輻射危險的分布不依賴于風，主要跟距離有關，在所有方向分布基本相同。當泄漏孔徑為 25 mm發生池火災時，熱輻射值大于10.0 kW/m2，人員如停留60 s就有死亡危險的紅色威脅區域半徑小于10 m；在13 m半徑范圍內，熱輻射值大于5.0 kW/m2， 人員如停留60 s會造成二度燒傷；22 m半徑范圍內，熱輻射值大于2.0 kW/m2，人員如停留60 s會感覺疼痛。當泄漏孔徑為7.84 m發生池火災時，在70 m半徑范圍內，熱輻射值大于10.0 kW/m2，人員如停留60 s就有死亡危險；在99 m半徑范圍內，熱輻射值大于5.0 kW/m2，人員如停留60 s會造成二度燒傷；154 m半徑范圍內，熱輻射值大于2.0 kW/m2，人員如停留60 s就會感覺疼痛。

可以得出，泄漏孔徑25 mm時環氧丙烷的泄漏速度小，在地面蔓延形成的液池直徑5.3 m，液池面積小，未充滿整個防火堤，燃燒速率慢，燃燒的總物料少，熱輻射危害程度和影響范圍較小，池火災熱輻射在1 min內導致人員死亡的威脅區域小于10 m，并且1 min內致人二度燒傷的威脅區域的半徑13 m，基本低于甲類儲罐區距其他建筑或設施防火間距的規定，在事故狀態下對周邊裝置或設施的生產經營活動影響較小。當泄漏孔徑為7.84 m時，可以近似為儲罐完全破裂，此時環氧丙烷瞬時泄漏，迅速充滿整個防火堤，在防火堤圍護的面積大小的液面燃燒，燃燒速率快，燃燒的總物料多，熱輻射危害程度和影響范圍均遠大于中孔泄漏時情景，池火災熱輻射在1 min內導致人員死亡的威脅區域半徑可達70 m，對周邊裝置或設施生產經營活動的影響較大。

2.2 閃火區域

環氧丙烷儲罐發生泄漏并在防火堤所圍面積內形成蒸發的液池，環氧丙烷蒸氣云遇點火源可能會發生閃火。當泄漏孔徑為25 mm時，ALOHA模擬得出最大平均蒸發速率：68.2 kg/min，時間1 h，總蒸發量：3 257 kg，蔓延為直徑21 m的液池。當泄漏孔徑為7.84 m時，ALOHA模擬得出最大平均蒸發速率：625 kg/min，時間1 h，總蒸發量：30 704 kg，蔓延為直徑43 m的液池。池火災時環氧丙烷泄漏后立即點燃形成燃燒的液池，在泄漏孔徑較小時，泄漏出的環氧丙烷量比較少，并且泄漏出的環氧丙烷相當一部分直接燃燒掉，導致液池的面積較?。婚W火時環氧丙烷泄漏未立即點燃形成了蒸發的液池，當泄漏孔徑較小時，泄漏出的環氧丙烷量比較少，但環氧丙烷蒸發的速度遠小于燃燒速度，因此同樣泄漏孔徑下形成的環氧丙烷蒸發液池的面積遠大于燃燒液池。當泄漏孔徑極大時，近似為儲罐完全破裂，此時環氧丙烷近似于瞬時泄漏，迅速充滿整個防火堤，燃燒液池面積和蒸發液池面積均等于防火堤內圍護的面積，因為燃燒速度遠大于蒸發速度，所以在相同時間內燃燒液池中環氧丙烷的總燃燒量遠大于蒸發液池中環氧丙烷的總蒸發量。

ALOHA不模擬閃火的熱輻射、煙霧以及有害燃燒產物等潛在危險，主要模擬化學品泄漏后可能發生閃火的區域，即可燃蒸氣云內部濃度超過LEL的區域。ALOHA估算的是蒸氣云的平均濃度，在實際的蒸氣云中，濃度是不均勻的，即使平均濃度已低于LEL，但仍可能有濃度高于LEL的局部區域(火焰袋)，實驗表明火焰袋會出現在平均濃度高于LEL 60%的區域，因此ALOHA使用60%的LEL作為紅色威脅區的默認易燃LOC。ALOHA將10%LEL用作黃色威脅區的默認易燃LOC。環氧丙烷蒸氣比空氣重，采用的重氣模型，當環氧丙烷儲罐泄漏孔徑為25 mm和7.84 m的時候可能發生閃火的區域分布分別如圖4、圖5所示。

通過圖4、圖5可以看出環氧丙烷儲罐泄漏形成蒸發液池后若發生蒸氣云閃火，閃火事故的威脅區域受到風的影響較大，風向決定了蒸氣云的漂移方向，因此閃火區域較少分布在逆風方向(上風向)，大部分分布在順風方向(下風向)。當泄漏孔徑為25 mm時，蒸氣云平均濃度大于60%LEL的紅色威脅區域(火焰袋區域)長度為下風向20 m，因距離較近時擴散預測的準確度低而未畫出威脅區域圖；蒸氣云平均濃度大于10%LEL的黃色威脅區域長度為下風向63 m。當泄漏孔徑為7.84 m時，蒸氣云平均濃度大于60%LEL的紅色威脅區域長度為下風向74 m(火焰袋區域)，在此區域均可能發生閃火；蒸氣云平均濃度大于10%LEL的黃色威脅區域長度為下風向217 m。圖4、圖5中威脅區兩側的虛線為風向置信線。風向改變時，釋放出來的化學物質會被吹向一個新的方向，預計蒸氣云在95%的時間內會停留在風向置信線區域內。當泄漏孔經為25 mm時，泄漏速度小，在地面蔓延形成的液池直徑21 m，未充滿整個防火堤，液池面積小，蒸發速率慢，蒸發的總物料少，閃火區域范圍較小。此時蒸氣云平均濃度大于60%LEL的紅色威脅區域(火焰袋區域)長度為下風向20 m，基本不超過甲類儲罐區距其他建筑或設施防火間距的規定，在事故狀態下對周邊裝置或設施的生產經營活動影響較小。當泄漏孔徑增大時，環氧丙烷泄漏速度更快，形成的蒸發液池面積更大，環氧丙烷蒸發的速度和總蒸發量均增大，因此形成的蒸氣云的區域更大，閃火區域更大，蒸氣云平均濃度大于60%LEL的紅色威脅區域(火焰袋區域)長度可達下風向74 m，對周邊裝置或設施生產經營活動的影響較大。與池火災事故威脅區域相比，在相同泄漏孔徑時，閃火的威脅區域更大。

圖4 閃火區域分布圖(泄漏孔徑25 mm)

圖5 閃火區域分布圖(泄漏孔徑7.84 m)

2.3 蒸氣云爆炸

環氧丙烷儲罐發生泄漏并在防火堤所圍面積內形成蒸發的液池，環氧丙烷蒸氣云遇點火源也可能會發生蒸氣云爆炸。當泄漏孔徑為25 mm時，ALOHA模擬得出最大平均蒸發速率：68.2 kg/min，時間1h，總蒸發量：3 257 kg，蔓延為直徑21 m的液池。當泄漏孔徑為7.84 m時，ALOHA模擬得出最大平均蒸發速率：625 kg/min，時間1 h，總蒸發量：30 704 kg，蔓延為直徑43 m的液池。環氧丙烷蒸氣云爆炸時ALOHA模擬出的上述液池面積、蒸發速率等源強數據與閃火完全相同，即環氧丙烷泄漏后延遲點火在前期泄漏情景基本相同時閃火或蒸氣云爆炸兩種事故均可能發生，一般認為，必須要有強的點火源或有某些火焰加速的機理才能形成強的爆炸波發生蒸氣云爆炸。ALOHA運行蒸氣云爆炸場景時模擬的危險是超壓(由于存在太多未知或不可知的變量，很難準確地預測危險碎片的分布，ALOHA沒有對危險碎片的威脅進行建模，這些碎片可能會遠遠超出預測的超壓威脅區)，如果蒸氣云爆炸時超壓超過一定值，便會對周圍的建筑物及人員造成破壞或損傷，超壓的破壞作用與初始爆炸能量成正比，與距離成反比。在石油化工廠進行總平面布置設計時，需要特別關注人員集中的建筑物與具有蒸氣云爆炸危險性的泄漏源之間防護距離。

蒸氣云爆炸附加輸入計算參數：蒸氣云點火時間：未知，蒸氣云點火源類型：火花或明火，擁塞水平：擁塞，難以通行。當環氧丙烷儲罐泄漏孔徑為25 mm和7.84 m的時候可能發生蒸氣云爆炸的超壓(沖擊波)威脅區域分別如圖6、圖7所示。

圖6 蒸氣云爆炸超壓威脅區域圖(泄漏孔徑25 mm)

圖7 蒸氣云爆炸超壓威脅區域圖(泄漏孔徑7.84 m)

通過圖6、圖7可以看出環氧丙烷罐一旦泄漏發生蒸氣云爆炸，當泄漏孔徑為25 mm時，18 m半徑范圍內，沖擊波超壓可達8.0 psi(55.16 kPa,1 psi=6.895 kPa)，可摧毀建筑物，導致房屋完全毀壞；25 m半徑范圍內，沖擊波超壓可達3.5 psi(24.13 kPa)，會造成嚴重傷害，導致鋼框架房屋因地基變形而拉開；57 m半徑范圍，沖擊波超壓可達1.0 psi(6.895 kPa)以上，導致房屋被部分破壞，無法居住。當泄漏孔徑為7.84 m時，65 m半徑范圍內，沖擊波超壓可達8.0 psi(55.16 kPa)，可摧毀建筑物，導致房屋幾乎完全毀壞；98 m半徑范圍內，沖擊波超壓可達3.5 psi(24.13 kPa)，會造成嚴重傷害，導致鋼框架房屋因地基變形而拉開；219 m半徑范圍，沖擊波超壓可達1.0 psi(6.895 kPa)以上，導致房屋被部分破壞，無法居住。蒸炸云爆炸產生的超壓受到風向的影響，因為蒸汽云在爆炸前順風漂移一段距離，導致圓形的威脅區并不集中在化學物質釋放的原點。與閃火類似，當泄漏孔徑增大時，環氧丙烷泄漏速度更快，形成的蒸發液池面積更大，環氧丙烷蒸發的速度和總蒸發量均增大，因此形成的蒸氣云的區域更大，蒸氣云爆炸的影響范圍增大。在相同泄漏孔徑時，蒸汽云爆炸的威脅區域與閃火區域相近。

環氧丙烷儲罐北側200 m處綜合樓為人員集中的建筑物，其與具有蒸氣云爆炸危險性的泄漏源之間應有一定的防護距離，假設環氧丙烷儲罐泄漏發生蒸氣云爆炸事故時，該綜合樓位于下風向，當泄漏孔徑為25 mm時，ALOHA模擬該點處的超壓：0.2 psi(1.38 kPa)，在此超壓下可導致玻璃破裂。當泄漏孔徑為7.84m時，ALOHA模擬該點處的超壓：1.14 psi (7.86 kPa)，在此超壓下導致房屋被部分破壞，無法居住。當蒸汽云爆炸的超壓小于10 kPa時，人員的死亡概率為0，即在距離爆炸點200 m的人員集中建筑物在環氧丙烷儲罐中孔泄漏和完全破裂時的風險均是可接受的。

3 結語

通過對環氧丙烷儲罐泄漏導致的池火、閃火及蒸氣云爆炸事故及其威脅區域進行模擬分析，得出以下三點：

(1)環氧丙烷的主要危險特性為其燃燒性，環氧丙烷儲罐泄漏發生概率最高的為中孔泄漏，泄漏的極端嚴重情景為儲罐完全破裂，在泄漏可能產生池火、閃火及蒸氣云爆炸等事故。通過ALOHA軟件計算出環氧丙烷儲罐兩種泄漏情景的速度和泄漏量，并模擬上述釋放場景，基于釋放場景輸出了威脅區域圖。在環氧丙烷儲罐泄漏應急處置中可根據ALOHA輸出的上述威脅區域來劃分出相應的警戒范圍，對人員疏散起到指導作用。

(2)近年來，在大型石化企業的工廠設計中，需重點考慮辦公樓、中央控制室等人員集中場所的防爆安全設計。ALOHA可以對易燃化學品泄漏發生蒸氣云爆炸的超壓影響范圍進行模擬，并可模擬某具體位置的超壓值，因此可以作為人員集中場所與爆炸地點之間防護距離理論計算中一種具備參考價值的方法。

(3)盡管ALOHA是一個相對復雜的計算機程序，但實際情況要復雜得多，ALOHA為了做出預測而按理想狀態進行了一系列的假設，同時許多偶然發生的事情可能會影響氣體云的擴散，但在ALOHA的計算中沒有考慮到，因此利用ALOHA軟件對環氧丙烷儲罐泄漏模擬得出的是理論數值，與實際情況會有偏差。