基于ALOHA 软件的某化工企业苯泄漏扩散模拟研究

让淑领

（北京中矿基业安全防范技术有限公司山东省分公司，山东 东营 257100）

0 引 言

随着我国石油化学工业的迅猛发展，化工企业的数量和规模逐渐增大，生产、经营、储存、运输、使用，以及销毁的危险化学品的数量快速增多，其中相当一部分是易燃、易爆、有毒及有害的化学品。

危险化学品发生泄漏，不但会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，还会引起民众的恐慌情绪。危险化学品泄露之后其扩散范围的确定直接影响现场人员的疏散。危险化学品发生泄漏后应在最短的时间内确定有毒物质的扩散范围，并将受威胁区域内的人员进行疏散，避免造成人员伤亡事故。

因此，如何根据危险化学品的泄漏情况和事故情景，确定合理可信的影响区域，是危险化学品事故疏散决策中需要解决的一个重要问题。

苯是一种碳氢有机化学物，具有很大的挥发性质，一旦暴露在空气中很容易扩散，人和动物吸入或皮肤接触大量苯进入体内，可能会造成慢性或急性苯中毒，同时苯对皮肤有刺激作用，能诱发人的染色体畸变，是致癌物质。短期接触苯、二甲苯会出现头痛、恶心、呕吐、神志模糊、知觉丧失、昏迷和抽搐等症状。

因此，在化工企业生产过程中，一旦发生苯泄漏扩散事故，极容易引起重大人员伤亡事故。

2015 年11 月5 日，浙江衢州巨化集团苯库4#苯槽的槽顶开裂，蒸汽夹带残余苯泄漏，事故造成2 人死亡。

山东某新能源公司主要以生产柴油、汽油、丙烷、丙烯、氢和液化石油气等，该公司在西北厂区北部建有成品油质量升级项目配套罐区，罐区涉及的物质有原油、石脑油、汽油、柴油、苯、甲苯、二甲苯和煤油。

本文以山东某新能源公司储罐区的苯罐为研究对象，在特定的事故场景下，分析苯罐中的苯泄漏及扩散过程及其影响范围。

1 泄漏扩散理论模型

易燃、易爆、有毒及有害的化学品一旦泄漏，在外部风和内部浓度梯度的作用下会沿地表面扩散，扩散模式可分为烟团扩散和烟羽扩散两种模式，气体扩散过程中在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，变化或扩大的危险区增加了现场抢险救援工作的难度，造成严重的人员伤亡和财产损失。大部分危险化学品的泄漏都属于瞬时泄漏，在瞬时泄漏过程中，常用的数学模型包括高斯模型和盒子模型，由于在处置危险化学品事故应急疏散过程中需要快速确定威胁区域，并不需要特别复杂和精确的扩散模型。

因此，本文选择高斯模型对苯在大气中扩散过程的模拟。

有毒有害气体扩散后果如图1 所示。

图1 有毒有害气体扩散后果Fig.1 Consequence of poisonous and harmful gas diffusion

当泄漏气体在平整的地面上方扩散时，若不考虑化学反应，危险化学品也不发生沉降等现象时，则瞬时泄漏可以用高斯云团模型来描述。在风速、风向不变的情况下，以风向为x 轴建立坐标系，则气体的浓度分布满足方程式如下：

式中：C（x,y,z,t） 为空间坐标系中一点（x,y,z） 在t时刻浓度，kg/m3；Q0为泄漏量，kg；u为环境风速，m/s；σx、σy、σz为大气扩散参数，且σx =σy。若气体在地面扩散时，可以取z=0 平面，此时危险化学品的浓度分布为：

因此，已知危险化学品的泄漏量和环境参数，即可利用高斯云团模型来计算平面内任意一点（x,y） 和任意时间对应的有毒有害气体的浓度。

2 ALOHA 仿真模拟

2.1 ALOHA 软件简介

有害大气空中定位（Areal Locations of Hzadous Atmospheres，ALOHA） 是由美国环保署化学制品突发事件和预备办公室、美国国家海洋和大气管理办公室联合开发，可进行由于危险化学品泄漏造成的有毒气体云、可燃气体云、喷气火、池火和蒸气云爆炸事故的风险建模，广泛应用于危险化学品的事故应急救援与处置。

ALOHA 的模型中包含有源强模型、毒性气体扩散模型、蒸气云爆炸模型和热辐射模型，并且软件自带大约1 000 种常用危化品数据库，采用成熟的各类火灾、爆炸等数学模型，可以模拟危险化学品火灾、爆炸和中毒等事故后果，根据特定的事故场景预测事故的影响范围，模拟得到火灾、爆炸或中毒事故的影响区域和严重程度。

对于特定的敏感点，可以根据建筑物的类型、预测室内或室外的有毒有害气体浓度变化，了解事故的发展态势。

2.2 事故案例情景设定

ALOHA 软件可以在特定的事故情境下，模拟危险化学品的泄漏扩散过程，并分析和评估收到危险化学品威胁的区域。

本文设定的事故案例情景为山东某新能源公司成品油储罐区的苯罐由于阀门破裂而发生苯泄漏事故，该企业的地理坐标为（118.445 567，37.125 489），海拔为8.8 m。

事故发生的时间为2020 年5 月10 日上午10:00，天气为晴转多云，云层的覆盖率约为25%，温度为25 ℃，湿度为50%，风速为3 m/s，风向为北风。

泄漏的苯罐摆放方式为竖直放置，苯罐的容积为5 000 m3，尺寸为直径21 m、高度16.5 m，事故发生时储罐内的苯重量为3 000 t。

苯罐的泄漏点尺寸为2 cm 的圆形孔，泄漏点的位置为距离底部2 m。

此外，在厂区出后位置的值班室作为敏感点，用于分析值班室位置处的室内、室外苯浓度变化规律，值班室相对于泄漏点的坐标为（200，300）。

2.3 参数的设置

利用ALOHA 软件对危险化学品的泄漏扩散过程进行仿真建模时，需要在软件中输入关于气体泄漏的各项细节信息如泄露孔径、位置、容器形状和容量、风速、天气湿度和地表形状等。

本文根据设定的事故情景案例，在ALOHA 软件中设置的具体参数如下。

（1） SiteData-Location Information：选择SP，CHINA。

（2） SiteData-BuildingType：选择SingleStoried building 和Unsheltered surroundings。

（3） SiteData-Date&Time：选择Set a constant time，并在Input a constant date and time 中输入2020.5.10 10：00。

（4） Setup-Chemical：选择Pure Chemicals，在化学物质列表中选中BENZENE 后，点击Select选项；在Ground Roughness is 中，选择Open Country，在Select Cloud Cover 中选择partly cloudy。

（5） Setup-Atmospheric-User Input：风速设置为3，单位选择m/s，风向设置为北风，测量高度为3 m。

在Atmospheric Options 2 中，设置温度为25，单位为 ℃， Inversion Height Options 选择No Inversion，湿度设置为50%。

（6） Setup-Source-Tank：在Select tank type and orientation 中选择Vertical 选项，在Enter two of three values 选项中，输入罐体的直径和长度分别为21 和16.5，单位选择meters。

在Chemical State and Temperature 对话框中，化学品的状态选择Tank contains liquid，在罐体温度设置为Chemical stored at ambient temperature。

在Liquid Mass or Volume 对话框中，输入储罐中苯的体积为3000，单位选择tons。

在Type of Tank Failure 选项中选择Leaking tank, chemical is not burning and forms an evaporating puddle。

在Area and Type of leak 对话框中，选择Circular Opening，在Opening diameter 中 输 入50，单位选择meters，并选择泄漏方式为Hole。

在Heigh of the Tank Opening 对话框中，在The bottom of the leak is 中输入2，单位为m。

在Puddle Parameters 对话框中，Select ground type 选择Concrete。

（7） Setup-Calculation Options：选择Use Heavy Gasdispersion only选项。

（8） Display-DsipalyOptions：选择Metric units。

（9） Display-Threat at point：选择Fixed Corrdinates，敏感点的坐标为West（200），South（300）。

2.4 仿真模拟结果

对于特定的事故情景，在ALOHA 软件中可以对危险化学品事故的影响范围进行仿真模拟，在ALOHA 软件中，危险化学品事故对人员造成的伤害分3 个级别，分别是轻度伤害、严重伤害和重度伤害，不同危害程度对应的极限值不同。

根据轻度伤害、严重伤害和中毒伤害3 种危害程度，从疏散的角度出发，将受威胁区域从内到外划分为紧急避难区、协助疏散区、引导疏散区和自主疏散区。

在事故的应急救援过程中，可以根据仿真模拟结果确定应急疏散方案，指挥受威胁人员有序撤离事故现场。

2.4.1 受威胁区域

本文针对特定事故情境下苯泄漏的过程进行仿真模拟，得到了如图2 所示的泄漏扩散威胁区域。受威胁区域范围如图2 所示。

图2 受威胁区域范围Fig.2 Scope of threatened area

由图2 可以看出，紧急避难区的最大范围与泄漏点的距离约为1.8 km，协助疏散区的最大范围与泄漏点的距离约为5 km，引导疏散区的最大范围与泄漏点的距离约为8.5 km，不同的威胁区域对应的危险有害气体的最大浓度也不同。此外，考虑到风速、风向、温度和日照等条件的影响，使危害去发生偏移，在ALOHA 中采用虚线，显示了偏移的范围。

在苯泄漏事故发生之后，可以观察苯泄漏整个过程中的变化强度，泄露源强度变化如图3 所示。

图3 泄露源强度变化Fig.3 Variation of leakage source intensity

由图3 可以看出，从苯泄漏事故发生后的一个小时内，苯浓度随着蔓延距离之间的变化情况，由此可以判断苯泄漏源的强度大小。

2.4.2 敏感点苯浓度变化规律

为了分析此次苯泄漏事故过程对某一局部地点的苯浓度变化情况，在距离泄漏点位置（90，200）方位的厂区门卫室，设置一个苯浓度观测点，观察门卫室内外的苯浓度变化情况，监测点苯浓度变化情况如图4 所示。

图4 监测点苯浓度变化情况Fig.4 Change of benzene concentration at monitoring points

3 结 语

通过上述的实例分析，可知ALOHA 软件可以根据特定背景条件下危险化学品泄漏事故的危害程度进行仿真模拟，得到该危险化学品的泄漏范围和影响区域，以及监测指定地点的危险有害气体的浓度变化范围。

通过改变不同的参数设置得到不同的仿真模拟结果，当事故发生之后可以通过调整相关参数，得到事故可能的影响范围，为事故的人群疏散和应急救援决策的制定提供技术指导，最大可能的降低事故造成的人员伤亡数量和经济损失。