ALOHA软件在氯乙烯泄漏事故中的应用与分析

黄浩祎，谢建林

(1.太原科技大学 环境与安全学院，山西 太原 030024)

0 引言

我国的化工行业发展迅猛,其中化工行业所涉及的原料产品中易燃易爆的有毒有害物质较多，在产品生产、储存及原材料运输过程中由于某些原因使得有毒有害物质泄漏，造成人员中毒伤亡，引发火灾爆炸等事故时有发生。利用软件模拟进行预测是一种有效且节省成本的方法，许多学者利用ALOHA软件对事故进行模拟分析,模拟结果对现场的安全疏散工作有指导作用[1]。

ALOHA软件最先应用于美国，由美国环保署(EPA)及美国海洋大气管理局(NOAA)联合共同开发，在模拟化学品泄漏事故的范围此软件发挥了优势[2]。2000年起国内学者开始引进ALOHA软件方法，梁虎利用ALOHA软件进行预测危险化学品在大气中的扩散形状和区域面积，并以图的形象表示出扩散的浓度、影响范围和其他信息[3]。相艳景等在环氧乙烷储罐泄漏事故中使用ALOHA软件模拟，分析了5种危险事故如中毒、闪火及火灾爆炸等，得出5种事故定量的伤害范围[4]。闫洁洁等运用ALOHA软件模拟结合公式计算的方法分别对液氯泄漏进行评估，结果表明ALOHA软件在预测危害区域和敏感点浓度方面精度较高[5]。田水承、王春华、邵辉、焦姣、朱云峰等[6-10]分别针对氯乙烯、液氯、苯、液氨及环氧乙烷发生的泄漏事故使用ALOHA软件进行不同事故的数值模拟，并根据结果对危险区域进行划分，对厂区的布置规划和应急救援决策有着重要意义。N.S.Anjana等[11]使用ALOHA软件预测氨泄漏的有毒性气体影响距离，并结合GIS数据库制定了相应的救援方案。

本文以河北省某化工厂氯乙烯泄漏事故为背景，结合事故报告的信息对氯乙烯泄漏过程中所引起3种事故：有毒气体扩散、蒸气云爆炸热辐射与冲击波超压范围及沸腾液体扩展蒸气云爆炸(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosions，BLEVE)范围进行分析。通过Google Earth将泄漏危害区域在地图中呈现出来，得到泄漏事故的伤害范围。针对泄漏事故影响范围提出风险控制措施及建议，以期通过预测事故的范围提高风险管控的能力。

1 氯乙烯的性质与泄漏事故类型

1.1 氯乙烯的性质

氯乙烯是可燃性气体，无色有特殊芳香气味，液化氯乙烯属于甲A液化烃类可燃物质，爆炸极限范围是3.6%～33%[12]。氯乙烯具有毒性，吸入该气体后会产生麻醉作用，浓度过高可致人立即死亡[13]。氯乙烯的性质如下表1所示。

表1 氯乙烯的性质

1.2 氯乙烯储罐泄漏事故类型

氯乙烯储罐在发生泄漏后，泄漏物质与空气迅速结合，在未遇到火源的情况下，毒性气体扩散造成中毒事故；若混合气体在扩散途中遇到明火，会发生火灾爆炸事故[14]。本文背景事故中未发生池火灾与喷射火事故，因此对于池火灾与喷射火事故本文不予考虑,文章仅对有毒气体扩散、蒸气云爆炸范围及沸腾液体扩展蒸气云爆炸(BLEVE)3种事故范围进行分析。

2 数学模型介绍

通过对厂区内氯乙烯泄漏事故进行分析，主要研究泄漏过程引发的气体扩散、蒸气云爆炸以及沸腾液体扩展蒸气云爆炸事故，所涉及的数学模型有流体力学的相关数学模型、重气扩散模型、气体爆炸模型以及沸腾液体扩展蒸气云爆炸模型，以下将详细介绍文章所涉及的数学模型。

2.1 气体扩散过程中的数学模型

本文中氯乙烯气体扩散遵循无化学反应的单项气体多组分扩散的规律，在扩散的过程中涉及的流体力学方程主要包括：连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、及组分守恒方程[15]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ρ为气体密度，uj为x、y、z方向速度分量，P为压力，ut为流体湍流粘度，gi为x、y、z方向重力加速度，T为流体的温度，σT为常数，一般取0.9～1.0，cp为混合物的定压比热，cpx为泄漏物的定压比热，cpa为大气环境定压比热，D1为湍流的扩散系数。

2.2 重气扩散模型

当氯乙烯储罐处于特定的压力和温度下发生泄漏时，具有气液二相流特征，在泄漏口附近会发生闪蒸现象，液化的氯乙烯快速蒸发使得周围空气的温度下降，与空气形成混合物，混合气体的密度大于空气，氯乙烯的泄漏扩散会受到重力的作用，表现为重气扩散。因此选用重气扩散模型进行分析，其表达式如下所示:

(5)

(6)

(7)

式中：c为泄漏物质的质量浓度，c0为中心位置泄漏物的质量浓度m，b为水平范围宽度m；Sy为大气水平浓度比率，Sz为大气垂直浓度比率，α为风速廓线常数，z0为风速廓线高度m，u0为z0高度上的实际风速m/s，ux为x轴正方向的实际风速m/s。

2.3 气体爆炸模型

典型的蒸气云爆炸伤害模型包括有TNT当量模型、TNO模型、CAM模型等[16]。本文选取TNT当量模型，模型计算式如下所示：

(8)

式中：WTNT为蒸气云的TNT当量，wf为蒸气云燃料的总质量，a为蒸气云爆炸效率因子，Qf为蒸气云燃烧热，QTNT为TNT的爆炸热，取值为4.5 MJ/kg。

气体爆炸后的冲击波是以被引燃处为中心向四周扩散，气体爆炸冲击波超压值计算式为：

(9)

(10)

式中：L为R处的爆炸特征长度；R为到火球中心的距离，Pi为R处的爆炸冲击波的超压值。

其中蒸气云爆炸产生的热辐射，计算模型如下所示：

(11)

式中：Q为热剂量，bG为常量，取值2.04×104，M为火球消耗的燃料质量。θ为火球的温度，r为火球半径，R为到火球中心的距离。

2.4 沸腾液体扩展蒸气云爆炸

沸腾液体扩展蒸气云爆炸事故发生的原因是装有化学品的储罐发生泄漏，导致液体泄漏，内部的液体快速喷射至空中，并且一部分液体瞬间变为气体，膨胀为由可燃液体蒸汽和未气化的液滴组成的蒸气云团，此时点燃会形成火球[17]。本文采用沸腾液体扩展蒸气云爆炸火球静态计算模型：

火球直径：

(12)

(13)

(14)

式中：mf为燃料质量，Hc为单位质量燃烧热，R为燃烧热辐射系数，τa为大气传输率，干燥晴朗的天气τa=1。

3 ALOHA软件介绍及参数设置

3.1 ALOHA 模拟软件简介

ALOHA软件是一款主要用于危险化学品泄漏事故后果风险分析研究的软件，软件的数据库包含近千种化学品信息，根据泄漏物质、泄漏位置、大气情况等信息，软件通过对话框的形式，对输入的场景信息进行提示，可以模拟化学品泄漏后的有毒气体扩散、爆炸、闪火、喷射火等危险事故，在模拟结束后以图表和文本的形式输出相应的计算结果，软件主要操作步骤如下图1所示。

图1 ALOHA软件模拟流程

3.2 ALOHA模拟参数的设置

根据当地气象部门发布的数据，室外气温为-8 ℃，西北风，风速4 m/s,相对湿度18%。发生泄漏的氯乙烯储罐为双层钟罩型结构，储罐底部水槽内径、中节内径及上段钟罩内径分别为24.5、23.5、22.5 m，容积为5 000 m3，储罐结构尺寸示意如图2所示。

图2 氯乙烯储罐尺寸示意图

在模拟前，需要判断泄漏类型是属于连续泄漏还是瞬时泄漏，连续泄漏形成的气云称为云羽，瞬时泄漏形成的气云称为云团。根据事故的资料可判断本文中的泄漏类型属于连续泄漏，在软件模拟时选择连续泄漏类型作为模拟的前提。

假设泄漏发生位置为储罐距离地面8.5 m处，泄漏孔径为15 cm，充装系数为80%。储罐内氯乙烯常温储存，储存压力为3 kPa。储罐在软件内置的化学品数据库中选择氯乙烯。由于氯乙烯在实际的储存中以液化后的形态储存在储罐中，当储罐发生泄漏后，氯乙烯会以液态和气态的混合状态存在，本文仅研究氯乙烯泄漏后气化的气体扩散过程。

针对氯乙烯泄漏过程的有毒气体扩散影响的范围、蒸气云爆炸热辐射作用和冲击波超压范围及沸腾液体扩展蒸气云爆炸事故热辐射范围运用ALOHA软件进行模拟，事故模拟结果结合Google Earth进行定量分析，针对泄漏事故影响范围提出合理的警戒区域。

4 模拟结果分析

4.1 有毒气体扩散事故影响范围模拟

氯乙烯气体在泄漏后迅速与空气结合，在未遇到火源的情况下形成大面积的有毒气体区域，本文使用急性暴露指导浓度(Acute Exposure Guideline Level，AEGL)指标对氯乙烯储罐泄漏过程产生的有毒气体影响范围进行划分。急性暴露指导浓度值分3个等级：AEGL-1为轻度中毒区域，该区域中人员会出现不适等某些无症状丧失感觉的现象，但这种现象是暂时的，撤离该区域后身体可恢复正常；AEGL-2式中度毒性区域，暴露于这一毒气环境的人员中会出现严重的对健康有害的影响，AEGL-3是高毒性区域，此区域的人员暴露于这一毒气环境会出现危及生命的影响或者死亡[18]。泄漏孔径的尺寸为15 cm，对有毒气体扩散范围进行模拟分析如图3(a)所示，将有毒气体扩散范围在Google Earth进行拟合，结果如图3(b)所示。

图3 中毒事故影响范围

氯乙烯储罐泄漏点下风侧483 m范围内为三级致毒区(AEGL-3),该区域氯乙烯浓度高达13 392.86 mg/m3(4 800 ppm)以上，若无任何防护措施人员暴露于该区域，会产生麻醉感、重度中毒甚至因呼吸衰竭而死亡，故一旦发生泄漏事故，此范围禁止人员停留，防止人员发生中毒死亡事故。二级致毒区域(AEGL-2)的边界是下风侧1 000 m，该区域内氯乙烯浓度达到3 348.21 mg/m3(1 200 ppm)以上，处于较危险水平，若不及时撤离暴露在该区域的人员会产生呕吐、眩晕等中毒症状，该区域内的人员需及时疏散撤离。一级致毒区域(AEGL-1)的影响范围广阔，边界为下风侧2 500 m，应设置警戒线禁止无关人员进入。

通过Google Earth将模拟结果进行拟合，如图3(b)所示，严重伤害区域中泄漏储罐南侧20 m处有某省道,车辆来往密集，应当立即禁止其他车辆进入此区域，避免携带火源造成不可逆转事故。轻度伤害区域范围大，其中包括村庄、农田等区域，此区域内可能造成人员身体不适的情况，其中可能由于风速、风向及泄漏孔径的增大使伤害区域范围扩大，因此该区域内应当加强防范措施。

本文以下风向500 m处人员密集场所为敏感点，研究氯乙烯气体扩散对下风向500 m处浓度变化如下图4所示，其中红色实线表示敏感点室内外的浓度，黑色虚线表示敏感点室内的浓度变化。

图4 500 m处敏感点浓度变化

由图4可见，从事故发生后，敏感点处的室外氯乙烯浓度在3 min 到10 min内急剧上升，浓度约为12 555.80 mg/m3(4 500 ppm)，人员若暴露在此环境下会对身体造成严重损伤。该敏感点处室内的氯乙烯浓度随时间增加呈现缓慢上升的趋势，约在32 min时达到AEGL-2等级对应的3 348.81 mg/m3(1 200 ppm)。因此当氯乙烯泄漏时，处于这一区域的人员应做好防护措施后进行撤离，以减少有毒气体的造成的伤害。

4.2 蒸气云爆炸热辐射与冲击波超压范围模拟

蒸气云爆炸事故伴随有冲击波超压和热辐射这两种破坏作用，冲击波超压的危险系数大于热辐射。蒸气云爆炸事故的热辐射作用在ALOHA软件模拟结果如图5(a)所示，将模拟数据在Google Earth进行拟合，得到结果如图5(b)所示。

图5 蒸气云爆炸事故热辐射影响范围

红色警戒线约为231 m×200 m的扇形区域，气体浓度大于60 267.86 mg/m3(21 600 ppm)，遇到火源会发生爆炸事故。橙色警戒区域约为面积561 m×280 m的区域，范围超过氯乙烯储罐所在的厂区，气体浓度高于10 044.64 mg/m3(3 600 ppm)属于爆炸事故潜在危险区。黄色警戒线范围较大，最远距离可达810 m，与第一警戒线和第二警戒线区域的氯乙烯浓度相比发生爆炸事故的可能性较小。图中最外层的虚线范围是由于一些不确定因素如风速、风向等会导致事故后果发生偏移，此界限的区域可能会受到影响，应做好相应的防护措施。

氯乙烯气体泄漏后与空气迅速发生混合，达到满足爆炸的条件后，遇到火源即发生爆炸事故，冲击波超压区域会产生的强大气流，具有强烈的破坏作用，其破坏程度见表2。ALOHA软件对气体爆炸冲击波超压范围进行模拟分析，如图6(a)所示，模拟结果在Google Earth中拟合，结果如图6(b)所示。

表2 冲击波超压对人体伤害与建筑物破坏程度表

图6 蒸气云爆炸事故冲击波影响范围

红色区域警戒线为r≈214 m 的圆形区域，覆盖厂区及公路，超压冲击波超过 8.0 psi(1 psi=6.895 kPa)，会造成建筑物钢筋骨架结构和混凝土建筑物破坏，同时对人体会产生骨折等身体危害。橙色警戒线是以r≈298 m 为半径的圆形区域，冲击波压力大于等于3.5 psi，此区域覆盖部分农田及村庄冲击波压力会使得部分建筑物破坏。黄色警戒线覆盖面积较大，呈现以r≈621 m 为半径的圆形区域，冲击波压力达到 1.0 psi以上，会引起建筑物玻璃破碎以致发生不安全事件发生。

4.3 沸腾液体扩展蒸气云爆炸(BLEVE)范围模拟

ALOHA软件可以模拟沸腾液体扩展蒸气云爆炸(BLEVE)事故发生后热辐射的破坏范围。其中导致人员死亡的热辐射强度为10 kW/m2、重伤的热辐射强度为5.0 kW/m2、轻伤的热辐射强度2.0 kW/m2。由ALOHA软件模拟结果如图7(a)所示，将模拟结果在Google Earth进行拟合，结果如图7(b)所示。

由模拟结果可得，发生事故后以泄漏点为中心，致命危险区域的范围是800 m，该区域内人员接触热辐射后可能会在发生死亡，可能造成烧伤的范围为1 100 m，在2 000 m范围内人员接触热辐射60 s便会产生疼痛感。由于BLEVE爆炸产生的热辐射伤害破坏力最强，因此罐区应加强对储罐的检查。若发生泄漏事故，处置过程中禁止火源，将发生爆炸事故的可能性降到最低。

5 结论

通过ALOHA软件对化工厂氯乙烯泄漏事故模拟分析，以本文在软件中设定的基本参数为前提，得到以下结论：

(1)氯乙烯储罐泄漏，有毒气体扩散事故影响范围划分为3个级别：一级致毒区域(AEGL-1)的范围为下风侧1 000～2 500 m;二级致毒区域(AEGL-2)的边界为下风侧483 ～1 000 m;三级致毒区(AEGL-3)氯乙烯储罐泄漏点下风侧483 m的范围内。

(2)蒸气云爆炸事故热辐射影响范围的第1警戒线区域约占面积231 m×200 m，此区域遇到火源必然会发生爆炸事故；第2警戒线属于潜在爆炸事故危险区面积为561 m×280 m；第3警戒线内氯乙烯浓度低，发生爆炸事故的概率较小。蒸气云爆炸的冲击波影响范围，红色警戒线内半径约为214 m，橙色警戒线内半径约298 m 圆形区域覆盖农田及村庄，黄色警戒线半径约621 m区域覆盖面积较大。

(3)沸腾液体扩展蒸气云爆炸事故，氯乙烯泄漏储罐周围800 m范围内的人员接触热辐射后有致命危险，可能造成人员烧伤的事故范围为1 100 m，在2 000 m范围内人员接触热辐射60 s会产生疼痛感。