应用ALOHA对典型化学品事故的预测及分析

张子炎

(应急管理部化学品登记中心，山东青岛 266071)

典型化学品多为气体和液体，气体化学品如甲烷、液化气、乙烯等，液体化学品如苯、甲苯等，一旦大面积泄漏就会发生引起损失惨重的爆炸事故[1-3]。ALOHA(Areal Location of Hazardous Atmosphere)是为了在紧急情况下迅速得到有效、合理的结果以供使用者使用的一款化学品泄漏模拟软件，能模拟火灾和爆炸(沸腾的液体膨胀蒸汽爆炸、蒸汽云爆炸)等泄漏场景，并对这些情况下产生的易燃性、热辐射和超压进行评估[4]。本文使用ALOHA软件对典型化学品的池火、沸腾液体膨胀蒸汽爆炸进行了模拟，分析了这几种典型化学品事故危险范围的规律，分析结果可以为风险评估、事故救援提供理论依据。

1 ALOHA简介

1.1 高斯及重气扩散模型

ALOHA会依据化学品物理属性选择高斯扩散模型还是重气扩散模型进行计算。一般而言，分子量比空气大的气体，在室温下比空气轻但储存在低温状态下的气体以及气体云的密度远远大于空气密度的气体被定义为重气。高斯模型适用于非重气云气体，包括轻气云和中性气云气体。使用高斯扩散公式[5]进行计算必须符合如下假设:风的平均流场稳定，风速均匀，风向平直；污染物的浓度符合正态分布；污染物在输送扩散中质量守恒；污染源的源强均匀、连续。高斯扩散模型标准式为:

式中:C——空间点(x，y，z)的污染物的浓度，mg/m3；

σy、σz——分别为水平、垂直方向的标准差，m；

q——源强，即单位时间内排放的污染物，μg/s；

u——平均风速，m/s。

ALOHA使用重气扩散模型为DEGADIS模型[6]，DEGADIS模型主要基于分子量、泄漏规模和气体云的温度计算，其标准式为:

式中:C——浓度，kg/m3；

Cc——表面中心线浓度，kg/m3；

b——燃气烟羽水平均匀中心区的1/2宽度，m；

Sy——水平浓度比例系数；

Sz——垂直浓度比例系数；

x、y、z——为扩散下风向的空间位置坐标，m。

1.2 模拟计算参数

ALOHA根据表1中各影响因素所对应的计算参数，模拟了每一种化学品扩散浓度、扩散形状、影响范围和其他信息。

表1 模拟计算主要参数

1.3 事故后定量分析

火灾强烈的热辐射可以造成严重的人员伤亡和财产损失，对于热辐射的影响一般选用热通量准则进行标准设定[7]。爆炸能量的释放以热辐射、超压和容器残余变形能量3种形式表现出来。

在使用ALOHA软件模拟沸腾液体膨胀蒸汽爆炸时，主要计算爆炸形成的火球所具有热辐射对周围的影响。因此在池火及沸腾液体膨胀蒸汽爆炸计算中，ALOHA选定了3个热辐射临界值进行标定。分别是:①热辐射＞10 kW/m2时可在60 s内致死，该区域为红色危险区域；②热辐射＞5 kW/m2时在60 s内造成二级烧伤，该区域为橙色危险区域为；③热辐射＞2 kW/m2时在60 s内感觉到疼痛，该区域为黄色危险区域。

2 典型化学品事故模拟情况

2.1 池火灾

以正戊烷为例，在相同的地理位置、建筑类型、天气、湿度、温度等条件下，不同泄漏尺寸对形成的池火的持续时间及危险区域直径的影响如表3所示。

表3 正戊烷池火模拟情况

由表3可得，池火火灾热辐射所形成危险区域与泄漏直径有关，与泄漏深度无关；池火火灾热辐射所形成危险面积与风速有关；火灾持续时间的影响与泄漏直径及风速有关。

2.1.1 风速对火灾的影响

以正戊烷为例，当泄漏直径为5 m及20 m时，所形成危险区域[8]如图1所示。

根据图1可得，相同泄漏直径下，红色、橙色危险区域在一段风速后呈现区域平稳，但黄色危险区随风速的波动依旧较大；随着泄漏直径的增加，风速对各危险区域的影响变大，但均随风速的增加而先增大后减小的趋势。

图1 风速对正戊烷危险区域的影响情况

2.1.2 泄漏直径对火灾的影响

由表4和表5可得，随着泄漏源直径的增加，危险区域越来越大。只含有C、H的烷烃最容易发生池火且危险区域最大，其他类别物质发生火灾情况主要与所含有基团有关，若是含有卤元素、硝基、胺基、硫化物等，就不易发生火灾，若含有苯环、氧基就易发生火灾。

表4 泄漏直径5 m时各种化学品模拟情况

表5 泄漏直径20 m时各种化学品模拟情况

2.2 沸腾液体蒸汽爆炸

以正戊烷为例，在相同的地理位置、建筑类型、天气、湿度、温度等条件下，不同泄漏尺寸对形成的沸腾液体蒸汽爆炸(以下简称BLEVE)的持续时间及危险区域直径的影响见表6。

根据表6，对于BLEVE而言，危险区域大小主要与泄漏直径与泄漏深度有关，与风速关系不大。爆炸持续时间主要与泄漏体积有关。泄漏直径越大、泄漏深度越深，危险区域越大。

由表7所得，对于BLEVE而言，其产生的辐射热强度远大于池火。对于只含有C、H的烃类、醇类、酯类而言，其爆炸范围与链的长度有关，爆炸区域随着碳链长度的增加而增加。不单含有C、H的化学品，各基团对辐射热的影响未曾现明显规律，但含有羧基(-COOH)和硝基(-NO3)的化学品的爆炸影响相对最小。

表6 正戊烷爆炸模拟情况汇总

表7 泄漏直径5 m(深度0.5 m)时各种化学品模拟情况

3 典型化学品事故数据分析

3.1 池火事故的分析

同等条件下，将甲烷至己烷随泄漏直径而变化的最大危险区域数据进行了整合，得到曲线如图2。

对于只含有C、H的烷烃来说，相同碳数的烷烃危险区域面积相似；随着碳链的增长，辐射热强度越大；辐射热所产生的危险区域随泄漏直径的增加而呈现线性增长。

在同等条件下，将同系列物质最大危险区域随泄漏直径的变化进行了曲线绘制，见图3。

图2 烷烃类系列物质危险区域分析曲线

图3 同系列物质危险区域

各化学品辐射热所产生的危险区域均随泄漏直径的增加而呈现线性增长。对于所有化学品而言，只含有C、H化学品辐射热最强，且烷烃～烯烃＞炔烃。各基团对辐射热的影响可大致归纳为:醛基(-CHO)～醚(C-O-C)＞羟基(-OH)＞羧基(-COOH)＞硝基(-NO3)的化学品，其中含有硝基的化学品辐射热最小，氨基(NH3-)对热辐射的影响随化学结构的变化而变化。

3.2 沸腾液体蒸汽爆炸事故分析

对于只含有C、H的烷烃、醇类、酯类而言，爆炸区域随着碳链长度的增加而增加；由图4可见，辐射热所影响的面积与泄漏直径不呈线性规律。不只含有C、H的化学品，各基团对辐射热的影响未呈现明显规律。BLEVE辐射热所引起的危险区域约为池火的15～20倍。

图4 烷烃类BLEVE情况

4 结论

a)池火火灾热辐射所形成危险区域与泄漏直径、风速有关，与泄漏深度、风向无关。BLEVE事故产生的危险区域主要与池漏深度有关，与风速及风向关系不大。

b)化学品发生池火事故时，各化学品辐射热所产生的危险区域均随泄漏直径的增加而呈现线性增长，危险区域随碳链的增加而增大。只含有C、H化学品辐射热最强，含有羟基(-OH)、卤素(-Cl)、羧基(-COOH)、酯基(R-COO-R)、羰基(-C ＝0)、醛基(-CHO)、胺基(-NH2)、硝基(-NO3)的化学品所产生的辐射热均低于只含有C、H的化学品，各基团对辐射热的影响可大致归纳为:醛基(-CHO)～醚(C-O-C)＞羟基(-OH)＞羧基(-COOH)＞硝基(-NO3)的化学品，氨基(NH3-)对热辐射的影响随化学结构的变化而变化。

c)化学品发生BLEVE爆炸事故时，其产生的辐射热强度远大于池火，辐射热所引起的危险区域约为池火的15～20倍；辐射热所影响的面积与泄漏直径不呈线性规律。化学品含有其他基团对辐射热的影响未曾现明显规律，但含有羧基(-COOH)和硝基(-NO3)的化学品的辐射热相对最小。