基于PHAST软件的化工厂液氨储罐泄漏模拟

雷小佳

(湖南石油化工职业技术学院，湖南岳阳 414001)

液氨是一种无色液体，具有强烈刺激性气味，在常温常压下氨为气态，易溶于水、乙醇等，具有毒害性、燃爆性的特点。由于液氨泄漏后会迅速气化，向周围空间蔓延，在很短的时间内即可达到致人死亡的浓度，危害极大。氨气具有燃爆性，与空气混合能形成爆炸性气体，遇火源能发生燃烧爆炸[1-3]。因此，国内外学者对此展开了研究。张杰等[4]运用SAFETI软件对液氨储罐发生连续性泄漏进行了模拟，计算了液氨泄漏事故的扩散距离及影响范围。张倩玉[5]基于PHAST软件对液氨储罐泄漏事故进行了模拟，结论为随着风速的增加，喷射火影响后果会逐渐减小。赵昆淇[6]对液化天然气的泄漏扩散和火灾爆炸情况进行了定量的计算和定性的影响分析。

PHAST软件是一种多功能定量风险评估和危险性评价的计算软件，该软件计算准确度高，可以模拟泄漏、扩散、火灾、爆炸等事故伤害模型，并且可以采用图表的形式呈现不同事故状态下的影响范围。利用PHAST软件对某化工厂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应急安全距离，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[7-8]。

1 基础参数

以某化工厂现场参数为基础对液氨储罐泄漏进行了模拟。该地区常年平均气温为10 ℃，平均风速为4 m/s，平均大气湿度为75%，大气稳定度为D。选取该化工厂内某条液氨储罐管线进行事故模拟，模拟设定的事故参数如表1所示。

表1 事故参数表

根据点火时间的不同，会产生不同的事故后果。液氨发生泄漏之后，如果没有遇到点火源，只是发生了扩散，人或其他动物进入扩散区域，则会产生中毒现象；如果泄漏之后立即点火，则会产生喷射火；如果泄漏之后隔一段时间遇到点火源，则泄漏的液氨气体会形成蒸气云，遇到点火源会发生爆炸或者闪火[9-12]。

2 模型建立

2.1 泄漏气体扩散模型

采用UDM模型计算扩散过程，对于连续泄漏，其质量浓度c(x,y,δ)如公式(1)所示。

式中，c0(x)为中心线质量浓度，kg/m3；δ为烟羽中心线的距离，m；y为横风向距离，m；lz(x)、ly(x)分别为质量浓度标准偏差的垂直、水平扩散参数，m；n(x)为质量浓度垂直分布函数指数；m(x)为质量浓度横风向分布函数指数。

2.2 蒸气云爆炸模型

TNT当量法和TNO(Multi-Energy)模型法是蒸气云爆炸模拟方法中的2个典型模型。TNT当量法是把蒸气云爆炸的破坏作用转化为TNT爆炸的破坏作用，从而把蒸气云的量转化成TNT当量，TNT当量法模型如式(2)、式(3)、式(4)所示。

式中，WTNT为TNT的质量，kg；a为蒸气云当量系数(统计平均值为0.04，占统计的60%)；W为蒸气云中液氨气体的质量，kg；Q为液氨的燃烧热，J/kg；QTNT为TNT的爆炸热，J/kg；R为某目标点距离爆炸中心的距离，m；z为R处的爆炸特征长度；Pi为R处的爆炸超压峰值，Pa。

2.3 喷射火模型

喷射火半经验模型包括“单点源”模型、“多点源”模型及“圆锥体”模型。其中单点源模型包括“APIRP521”模型、“Shell”模型。点源模型将喷射火焰看作是一系列点源沿着火焰长度方向周围进行热辐射，并且认为每一个点释放的能量是相等的，点源模型有单点源模型和多点源模型2种分类。

在进行事故后果分析时，经常以喷射中心线上的5个或多个点热源连接成的线来当做喷射火焰。据此与假定点热源相距R0处的目标所受到的热辐射强度Ii可由公式(5)计算。

对于多点源模型，其热辐射强度I等于所有来自各点的热源到该点热源的热辐射强度总和，可由公式(6)得。

3 判定事故伤害程度依据

3.1 热通量准则

当液氨泄漏发生火灾事故时，判定设备以及人员受伤害程度的标准采用热辐射伤害准则，伤害准则如表2所示[2]。

表2 热通量伤害准则

3.2 超压准则

当液氨泄漏发生爆炸事故时，判定设备以及人员受伤害程度的标准采用冲击波伤害准则，伤害准则如表3所示[3]。

表3 超压级别与破坏程度的对应关系

4 事故场景模拟分析

采用PHAST软件研究某化工厂液氨泄漏之后所造成的事故场景类型，在一定的风速条件下，分析灾害演化过程特征及变化规律。

4.1 泄漏气体扩散

将致死率分为4个等级，分别为0.1%、1%、10%、99%，对不同致死率等级进行毒气扩散模拟，模拟结果如图1所示。

图1 液氨扩散后中毒剂量与下风方向距离关系

由图1可见：在下风向距离294 m内，宽度总长为20 m内的内椭圆中致死率为99%；在下风向距离1 088 m内，宽度总长为64 m内蓝色曲线与紫色曲线之间的椭圆范围内的致死率为10%；液氨泄漏扩散之后影响的下风向最远距离约为1 733 m，宽度为90 m，在该区域范围内均有可能致人中毒，甚至死亡。因此，在液氨发生泄漏后，人员应该向下风向的两侧方向逃离，以避免最大程度的接触泄漏的有毒气体。

对液氨气体在下风向扩散过程进行模拟，得到下风向不同距离的液氨泄漏当量浓度，如图2所示。

图2 液氨泄漏当量浓度与下风方向距离关系

由图2可见：在20~200 m内，液氨泄漏的当量浓度较高。在下风向距离约25 m处当量浓度最高，此时致死概率为100%。在超过最高当量浓度之后，随着下风向距离的增加，当量浓度逐渐降低且在1 700 m处达到最低，超过1 700 m后，可认为是安全范围。因此，在液氨发生泄漏之后，人员应该逃离至1 700 m外，才能保证自身的安全。

4.2 喷射火

液氨发生泄漏之后如果遇到点火源并立即燃烧就会产生喷射火，喷射火热辐射强度随下风向距离产生的变化如图3所示。

图3 喷射火热辐射强度与下风方向距离关系

由图3可见：在下风向0~15 m内，热辐射强度随着距离的增加而逐渐增加，辐射强度由20 kW/m2增加至125 kW/m2，且增长速率较快。在下风向距离15~90 m内，一直维持在最高的热辐射强度水平上，即热辐射强度为125 kW/m2，此时致死率为100%。当下风向距离大于90 m时，热辐射强度加速减小；在距离为107 m时，辐射值降至4 kW/m2。此时，对设备影响不大，对人员来说，持续20 s以上有痛感。可见，液氨发生泄漏之后产生喷射火时，距离超过107 m时，可认为是安全距离。

以热通量伤害准则为依据分析喷射火对环境的破坏程度，喷射火辐射影响强度范围见图4。

图4 喷射火热辐射强度影响半径

由图4可见：在下风方向距离为45 m，侧风方向18 m内，操作设备全部被破坏，人员停留10 s会有1%的死亡可能性，停留1 min绝对致死；在下风方向距离为45~48 m，侧风方向18~36 m内，有火焰时导致木制设备燃烧，塑料设备开始熔化，人员停留10 s会受到1度烧伤，停留1 min会受到1%烧伤；在下风方向距离为48~57 m，侧风方向36~72 m内，人员停留20 s以上有疼痛感觉。由图4还可见：辐射强度37.5 kW/m2和12.5 kW/m2曲线呈椭圆形，辐射强度4 kW/m2曲线近似为圆形。随着喷射火辐射强度的增大，其临界曲线由椭圆转变为圆形。因此，侧风向热辐射强度下降较快，人员应向此方向逃跑从而最大程度降低受伤程度。

4.3 蒸气云爆炸

液氨泄漏之后隔一段时间遇到点火源，则泄漏的液氨气体会形成蒸气云，遇到点火源会发生爆炸或者闪火，爆炸冲击波影响范围如图5所示。

图5 爆炸冲击波影响半径

由图5并依据表3冲击波破坏程度可见：在距爆炸中心17 m内，重型机器遭到轻微破坏，房屋被摧毁，人员会致死；在距爆炸中心17~22 m内，墙和屋顶遭到重度破坏而局部倒塌，人员会受重伤；在距爆炸中心22~85 m内，10%的玻璃损坏，房屋轻度破坏，人员会受轻伤；在距爆炸中心大于85 m的区域为安全区域。因此，在影响半径小于85 m内，应加强对设备设施及建筑物的保护，并采用相应的应急方案以保证人员和设备的安全。

5 结论

以某化工厂液氨储罐为研究对象，基于PHAST软件模拟了液氨泄漏的扩散、燃烧及爆炸过程，研究了液氨泄漏后园区气体扩散中毒死亡情况、喷射火热辐射影响范围、蒸气云爆炸冲击波影响距离，得到如下结论。

1)在液氨泄漏之后，人员应该向下风向的两侧方向逃离，以避免最大程度的接触泄漏的有毒气体。人员应该逃离至1 700 m外，才能保证自身的安全。

2)在下风向0~15 m内，热辐射强度随着距离的增加而逐渐增加，辐射强度由20 kW/m2增加至125 kW/m2，且增长速率较快。当距离超过107 m时，为安全距离。

3)因液氨泄漏导致的蒸气云爆炸，爆炸的影响半径为85 m，当距离超过85 m时为安全距离，人员应尽可能逃离此范围来保证自身安全。

4)仅分析了1个罐区发生事故后的灾害后果，但在实际的过程中，还需考虑周围的储罐及设施设备对产生的毒气、喷射火焰及爆炸冲击波的影响。