基于PHAST的化工园区液氨泄漏后果模拟分析研究

张景钢，项小娟 ，索诚宇，王晓燕

(1. 华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201；2. 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083 )

0 引言

氨是一种重要的化工原料，通常将气态氨加压或冷却成液态氨，以达到方便运输和贮存的目的。它常作“冷冻剂”使用[1]。液态氨具有具备腐蚀性、毒害性、燃爆性且容易挥发的特点，且贮存液氨的容器压力较高[1]，一旦泄漏，会以极快的速度向外扩散，急速气化的性质会加快扩散速度及范围，在内人员极易吸入氨气，对人员造成严重伤害。在大量储存液氨以及类似液体的化学工业园区中，如何有效分析其事故后果，将为事故预防奠定基础[2-3]。当前国内外存在很多种风险分析的办法和较多种类的分析软件，例如美国道化学公司提出的“火灾、爆炸危害指数评价法”，日本劳动省发布了“化工安全评估六阶段法”。国内引入安全系统工程相关理论之后，在吸收和转化的过程中形成了安全检查表、事故树分析，故障种类与影响识别等[2]。PHAST 是一种多功能定量风险评估和危险性评价的计算软件，可以分析计算泄漏事故的影响范围和程度并产生相对应的图表，从而在已经了解人员和资产的具体状况下去算出来的职员的死亡概率与资产亏损的风险概率。评估成果可以以数值或者是图片的方式去显现事故的影响规模，以及个体与集体的风险值，还可以按照得出来的数值对有机会发生的事件进行分层，这对于制订减少风险的方法有很大的好处[3-5]。于是本文将利用PHAST软件对化工园区的液氨泄漏后果进行模拟及定量评价，明确当液氨泄漏事件发生时的有效安全范围，使现场工作人员完成有效的自救和事故控制，以保证工作人员的生命安全和减少企业的财产损失。

1 化工园区概况

1.1 厂房基本布置

本次进行模拟的化工园区办公室和储存场所占地面积为22000 m2(包括加油站及高速公路服务区总占地面积55131.00 m2)，该园区储罐区总储量10400 m3，包括液氨储量1000 m3(250 m3球形储罐4个)。厂房平面基本布置及液氨罐区布置如图1和图2所示。

图1 企业平面布置图

图2 液氨储罐区平面布置示意图

1.2 自然条件

不同的自然条件对液氨泄漏造成的后果及影响与救援措施不一，通过观察顺风距离、风的流速和天气状况等要素对导致的灾难扩散范围有一定的了解，利用PHAST软件进行数据模拟，再为储罐区的地理位置选择与氨气、汽油、柴油罐的放置和编制自救逃生的办法[6-8]。

本次进行模拟的化工业园区地处丘陵，从北向南受胶东骨干地形影响，地势倾斜，属于典型的温带大陆性季风气候，具体气候特征见表1。

表1 化工园区气候特征

1.3 园区液氨基本危险预先性分析

根据该园区液氨储罐实际运行情况统计分析，安全风险主要有：

(1) 液氨储罐的物理爆炸。

(2) 液氨储罐氨泄漏引起的中毒、火灾和爆炸。

(3) 自然因素，如地震、雷击等[9-11]。

表2 液氨储罐预先危险性分析

2 PHAST软件介绍

DNV(挪威船级社)经过多年的安全管理和技术评估的积累，开发了定量风险分析应用于石化行业SAFETITM系列软件，PHAST RISK(原名Safeti)定量风险分析软件，是目前同类产品中最全面的软件。PHAST RISK(包括PHAST)是指对陆地上油气化工工艺设备推行量化风险评估的专门应用在这个领域的软件[4]。它能够经过大量的运算得到不同类别风险的排列顺序，然后把不多的人力和物力资源使减小高风险的举动。这个软件已经被大规模的使用[12]，主要表现在以下方面：

- 厂区选址、厂区设计和平面布置；

- 制定应急救援计划；

- 保证与法律法规的相符性；

- 提高安全意识；

- 进行量化风险评价(QRA)。

PHAST RISK软件的运算里一共有四个不同的部分，它们分别是泄漏、风险、扩散、燃烧后果和中毒后果[4]。通过输入事故发生情况下的泄漏管道、泄漏方式、时间、环境影响因素等条件，可计算出液氨等易燃易爆气体发生泄漏、爆炸等情况下的影响范围和危险程度，从而采取有效的措施进行控制与处理，减少人员伤亡和财产损失[4-5]。

3 模拟参数设计和依据

通过参照本次模拟的实际化工园区的基本情况及历史事故案例，由基本厂房布置、危险区域和相关设置情况对模拟参数进行设计[13-15]，具体参数设置情况见表3和表4。

(1)模拟参数设置，见表3。

表3 各参数输入数据

(2) 氨浓度和热辐射的判据，见表4。

表4 火灾热辐射的影响效应

4 模拟结果及数据分析

4.1 气体扩散后中毒情况分析

气体泄漏后户外中毒、死亡概率、中毒剂量和户外中毒剂量云际图，如图3～图6所示。

图3 气体泄漏后中毒概率随顺风距离变化趋势图

图4 气体泄漏扩散后致死概率随顺风距离变化趋势图

图5 气体扩散后中毒剂量与顺风距离的关系

图6 户外中毒剂量云际图

由图3可知，在气体泄漏后，顺风距离0～280 m范围内，中毒概率为5.7～10，其中中毒概率最高的距离为20～40 m；由图4和图5可知，在泄漏点顺风距离为14～214 m的时候中毒剂量和死亡概率都达到最高点，人员死亡率在此范围内可达到100%。综合三个图可知，在最高点之后，中毒的概率随着距离增加而减小，一直到500 m以后中毒概率在安全范围以内，所以在发生泄漏之后，应迅速逃离在500 m外，保证自身生命安全。由图6可知，当泄漏扩散后，人员应该往顺风方向的两侧逃生，避开中毒和死亡概率最大的范围，做好自救。

4.2 喷射火影响范围分析

气体喷射火热辐射以及强度半径如图7和图8所示。

图7 喷射火热辐射值随下风向的变化

图8 喷射火的强度半径

图7是喷射火的热辐射数值随着顺风风向的变化而变化的关系图。气象条件的设定是常温条件，观察图标可以了解到，首先热辐射值是随着距离的增大而快速的增加，在最高点以后有一段时间保持稳定的状态，最后热辐射值和距离成反比关系，也就是数值随着距离的增大而减小。 泄漏过程中，在0～15 m的距离内热辐射值加速递增，15～235 m时为稳定状态，处于最高值，当辐射值达到4 kW/m2时辐射半径为270 m，辐射值为12.5 kW/m2辐射半径为320 m。

最后结合图8和表4可知，在发生火灾的地点半径320米内不能设置有木材的设备，人体不能再此范围待的时间超过10 s；在发生火灾的地点半径为270米内，对设备没有影响，人体不能在此范围待的时间超过20 s。

4.3 早期爆炸的影响分析

气体早期爆炸影响分析如图9～图10所示。

图9 储罐缸体破裂早期爆炸超压距离图

图10 储罐缸体破裂早期爆炸半径图

爆炸影响范围结果，见表5。

表5 早期爆炸影响范围结果

由图9和图10可知，在爆炸地点1300 m范围以外的区域为安全区域，在这个范围里面，结合表5的分析结果可对相对应的建筑物加强保护措施，制定应急方案和现场救援方案，保证人们的生命安全不受到威胁。

5 结论

(1) 当氨气罐发生泄漏扩散之后，现场的工作人员应该及时的往顺风方向的两侧紧急散开，并且离开中毒和死亡概率的范围做好自救。

(2) 当发生泄漏到达一定程度会引发火灾，火灾热辐射的影响范围一般是以着火点为中心，呈圆形的方式向外扩散，本次火灾模拟结果的最大影响半径是320 m，在这个范围以外都属于安全区域。

(3) 由于泄漏引起爆炸的时候，离爆炸点1300 m以外属于安全区域，1300～330 m属于易燃易爆区域，应该在这个范围里面排除所有会导致燃烧和爆炸的物品，来保证作业人员的生命和财产的安全。

(4) 采用PHAST 软件对氨气泄漏事故进行模拟，要注意其中一个重要环节便是过程中的参数设置。在使用过程中必须做到结合实际情况及事故经验，反复的对数据、结果进行比较以保证实验模拟结果的有效性和真实性，能够与实际情况相符合。PHAST 软件在对氨气泄漏事故后果模拟上有很好的效果，能够形象而又准确有效的模拟事故影响范围及程度，可为氨气泄漏事故应急救援和灾害防治提供有效的理论支持。