某涉氨制冷企业液氨储罐泄漏事故的后果分析

2014-03-10周峰

浙江化工 2014年11期

周峰

(无锡市滨湖区安全生产监督管理局，江苏无锡 214072)

近年来，涉氨制冷企业液氨泄漏事故多发，教训十分深刻，2013 年8 月31 日，上海翁牌冷藏实业有限公司液氨管道发生泄漏，造成15 人死亡、25 人受伤。液氨属乙类易燃、易爆有毒液体，其危险性表现在两个方面，一是氨属高毒物品，短时间(15 min)接触容许浓度为30 mg/m3，因此，液氨一旦泄漏会导致人员中毒、窒息死亡，造成严重后果；二是氨气在空气中的爆炸极限为15%～28%，遇明火极易燃烧、爆炸。企业在生产、运输、储存、设备检修过程中，液氨储罐及其管道、阀门意外破损、爆裂将导致液氨泄漏，液氨迅速蒸发，呈气态大量扩散开来，形成蒸气云，若不采取安全措施，极易引发火灾、爆炸和中毒事故。本文通过建立液氨储罐破裂时的蒸气云爆炸模型、沸腾液体扩展蒸气爆炸模型和中毒模型，定量地计算出各类伤害半径，为企业制定应急救援预案和政府进行安全监管提供科学依据。

1 爆炸与中毒模型

1.1 蒸气云爆炸模型

液氨储存在压力容器（钢瓶、储罐）内，一旦发生破裂，会造成大面积的液氨泄漏，液氨迅速蒸发，形成蒸气云，遇到火源则可能发生蒸气云爆炸。蒸气云爆炸时，产生的大部分能量将形成冲击波，多数情况下，冲击波的破坏作用主要与波阵面上的超压Δp 的大小有关，其值直接影响波阵面内的设备、管路及人身安全。本文采用TNT 当量法来预测其爆炸严重度，假定参与爆炸的氨气释放的能量折合为能释放相同能力的TNT 炸药的量，利用TNT 当量来表示氨气爆炸的威力[1]。

1.1.1 蒸气云的TNT 当量

氨气的TNT 当量WTNT可由下面的公式计算：

若为地面或者近地面爆炸，爆炸的总能量为实际的1.8 倍，上述公式转化为：

式中，E 为爆炸产生的总能量，J；α 为蒸气云当量系数，取α＝0.04；Wf为蒸气云中可燃气体的质量，kg；Qf为可燃气体的燃烧热，kJ/kg，取氨气的Qf=18.59 MJ/kg；QTNT为TNT 的爆热，kJ/kg，取QTNT＝4.52 MJ/kg。

1.1.2 死亡区伤害半径

死亡区内的人员如缺少防护则被认为将无例外地受到严重伤害或死亡，其内径为零，外径为R1，其计算公式[2]为：

式中，WTNT为蒸气云的TNT 当量，kg。

1.1.3 重伤区、轻伤区伤害半径

重伤区的人员如缺少防护，则绝大多数人员将遭受严重伤害，极少数人可能死亡或受轻伤。其内径就是死亡半径R1，外径为R2，其计算公式[2]为：

式中，E 为爆炸产生的总能量，J；P0为环境压力，Pa，取P0=101300 Pa，△P 为引起重伤冲击波超压峰值，Pa，取△P=44000 Pa。

轻伤区内的人员如缺少防护，则绝大多数人员将受轻微伤害，少数人将受重伤或平安无事，死亡的可能性极小。内径为R2，其外径为R3，其计算公式与重伤区伤害半径计算公式相同，其中△P 为引起轻伤冲击波超压峰值，Pa，取△P=17000 Pa。

1.2 沸腾液体扩展蒸气爆炸模型

液氨突然瞬间泄漏时，遇到火源就会立即发生剧烈的燃烧，产生巨大的火球，形成强烈的热辐射。本文采用火灾作用下的热剂量准则确定人员伤亡的区域。

1.2.1 火球当量半径R 和持续时间t

火球的特征可用国际劳工组织提出的模型进行计算。

火球半径的计算公式：

火球持续时间的计算公式：

式中，W 为火球中消耗的可燃物质的质量，kg。

1.2.2 死亡、重伤和轻伤热通量

在热辐射作用下，目标有一定的几率会受到伤害，不同的热通量对人和财产的伤害程度不同。下面用在火灾持续时间内辐射伤害概率来表示人体所受的伤害。

死亡热通量q1:

重伤热通量q2:

轻伤热通量q3:

式中，Pr为伤害概率单位，取Pr=5；T 为人体暴露于热辐射的时间，s。

1.2.3 死亡、重伤、轻伤半径

热辐射的死亡、重伤、轻伤半径可用目标接受的热通量公式计算，由下面的公式计算死亡、重伤、轻伤半径：

式中，q0为火球表面辐射通量，kW/m2，取q0=270 kW/m2；r 为目标到火球中心的距离，m；qr为死亡、重伤、轻伤热通量，m；R 为火球的最大半径，m。

1.3 中毒模型

1.3.1 有毒气体泄漏扩散体积

液氨储罐破裂后，液氨大量泄漏，储罐内压力降至大气压，处于过热状态的液氨温度迅速降至标准沸点，此时全部液氨放出的热量可由下面的公式计算：

式中，Q 为液氨放出的热量，kJ；W 为储罐内液氨的质量，kg；C 为液氨的比热，kJ/kg℃,取C=4.6 kJ/kg℃；T 为储罐内液氨温度，℃，T0为液氨的标准沸点，℃，取T0=-33 ℃。

根据广州市绿色建筑空间分布规划，将全市总体的绿色建筑发展指标分解，以11个市辖区行政边线为界，统计各区对应发展的绿色建筑面积及占全市绿色建筑总量的指标比重，明确各区发展绿色建筑的责任与目标，强化责任支撑。如南沙区“十三五”期间绿色建筑总面积指标约为1100万m2，占全市绿色建筑总量的13%（图7）。

假设这些热量全部用于储罐内的液氨蒸发，则其蒸发量可由下面的公式计算：

式中，W’ 为储罐内液氨蒸发的质量kg；q 为液氨的气化热，kJ/kg，取q=1.37×103kJ/kg。

则液氨在沸点下蒸发为氨气的体积可由下面的公式计算：

式中，V 为液氨蒸发后形成氨气的体积，m3；M 为氨气的相对分子量，取M=17。

1.3.2 有毒气体泄漏扩散半径

假设这些有毒空气以半球形向地面扩散，有毒气体泄漏扩散半径可由下面的公式[3]计算：

式中，R 为有毒气体扩散半径，m；W’为储罐内液氨蒸发的质量，kg；CV为有毒气体在空气的危险浓度值，%；CM为质量浓度，kg/m3。

2 液氨储罐泄漏事故后果分析

应用实例：某涉氨制冷企业的液氨储罐容积为60 m3，实际储存量为3000 kg，储存压力为1.0 MPa，储存温度为22 ℃，液氨的标准沸点为-33℃，比热为4.6 kJ／kg℃，气化热为1.37×103kJ／kg，氨的分子量为17。

采用蒸气云爆炸模型、沸腾液体扩展蒸气爆炸模型与中毒模型计算得出危害半径，是考虑液氨全部泄漏后的情况，未考虑风向、风速、温度、地形、湿度等因素的影响。

2.1 蒸气云爆炸危害半径计算

分别取△P=44000 Pa 和△P=17000 Pa，

求解上述方程组，可得重伤区伤害半径R2=37.13 m，轻伤区伤害半径R3=66.72 m。

2.2 沸腾液体扩展蒸气爆炸危害半径的计算

火球半径：R=2.9×30001/3=41.83 m

持续时间：T=0.45×30001/3=6.493 s

通过公式Pr=-37.23+2.56 ln（Tq14/3），取Pr=5，解得死亡热通量q1=58.07 kW/m2;

通过公式Pr=-43.14+3.019 ln（Tq24/3），取Pr=5，解得重伤热通量q2=38.43 kW/m2;

通过公式Pr=-39.83+3.019 ln（Tq34/3），取Pr=5，解得轻伤热通量q3=16.89 kW/m2;

通过公式qr=q0R2r（1-0.058 lnr）/（R2+r2）3/2，取q0=270 kW/m2,R=13.02 m，将死亡热通量q1=58.07 kW/m2，重伤热通量q2=38.43 kW/m2，轻伤热通量q3=16.89 kW/m2带入公式，计算得出死亡半径R1=57.25 m，重伤半径R2=79.83 m，轻伤半径R3=131.77 m。