基于ALOHA软件的安全设计优化分析

金 浩,王 默,李 雁,余春和

(1.中国五环工程有限公司,湖北 武汉 430223;2.黄冈市环境保护监测站,湖北 黄冈 438021)

在工程设计中,辐射热对周边设施的影响、有毒气体泄漏后的扩散对人员密集场所的影响、蒸汽云爆炸对建筑设备的影响需要通过软件进行模拟计算,根据计算结果对总图布置、工艺方案进行调整,因此,模拟计算对于总图布置、工艺方案设计优化具有重要指导意义。本文运用ALOHA软件对某综合罐区中丙烷积液池的热辐射、苯罐泄漏后有毒气体的扩散、丙烯球罐泄漏后沸腾液体扩展蒸气爆炸进行模拟分析,计算影响范围,为项目安全设计提供参考。

1 软件选择

有害大气空中定位软件ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)由美国国家海洋、大气管理局(NOAA)和美国环境保护局(EPA)的应急管理办公室合作开发,并得到了应急响应部门(ERD)的支持,其主要用途是为应急响应人员提供与化学品泄漏相关的一些常见危害的空间范围估计[1,2]。ALOHA软件可以根据化学物质的类型、事故发生的地理位置、大气条件和泄漏源情况等信息,模拟危险化学品泄漏,从而快速预测危险化学品泄漏后对人体产生影响的毒气浓度以及超压和热辐射的范围[3]。

国内研究者从2000年起开始引进ALOHA软件,张建文等[4]概述了SLAB,DEGADIS,ALOHA,ARCHIE 等多种大气扩散模型,并对软件应用做出了评价。田水承[5]等运用ALOHA软件对氯乙烯储罐泄漏事故进行了模拟研究,并将研究结果运用于危化品泄漏事故的预防管控。闫洁洁等[6,7]以典型液氯泄漏事故为例,分别运用ALOHA软件模拟和公式计算两种方法对泄漏危害进行量化评估,估算结果表明,ALOHA 软件对泄漏毒物的危害区域和敏感点毒物浓度的预测结果具有良好的精度,在泄漏事故应急及工程设计中具有一定实用性。

2 基于ALOHA软件的事故后果模拟

2.1 模拟环境的构建

本文研究案例位于广西,项目中采用平均风速、年主导风向、年平均大气温度、年平均湿度等气候条件,对于云层覆盖率选择晴天,更具有代表性。模拟需要的主要参数及场景见表1。

表1 本文ALOHA软件模拟的主要参数及场景

2.2 池火灾后果分析

2.2.1影响阈值

火灾通过热辐射的方式破坏周围环境,根据NFPA 59A—2019《LNG 生产、储存、液化标准》及GB/T 22724—2022《液化天然气设备与安装陆上装置设计》,站内设施允许接受的辐射照度应符合下列规定:①辐射照度大于或等于5 kW/m2的界线以内,不得有行政办公楼;②辐射照度大于或等于8 kW/m2的界线以内,不得有控制室、维修车间、化验室和仓库等建筑物;③辐射照度大于或等于15 kW/m2的界线以内,不得有相邻储罐的金属外表面;④辐射照度大于或等于32 kW/m2的界线以内,不得有相邻储罐的混凝土外表面。

2.2.2场景假设

本项目积液池距离低温丙烷双金属球罐30 m。低温丙烷储罐配管区阀门或法兰发生泄漏,低温丙烷泄漏至配管区小围堰,围堰内不能及时挥发的丙烷由地沟导流至积液池中,积液池中的低温丙烷液体遇到静电、电火花、雷击等点火源后会形成池火灾。

2.2.3模拟结果

若积液池体积为3 m(长)×3 m(宽)×4 m(深),ALOHA计算结果见图1。在顺风方向一级区域辐射照度5 kW/m2最大影响距离为16 m,二级辐射照度8 kW/m2最大影响距离为13 m,三级辐射照度15 kW/m2辐射照度距离小于10 m。则积液池13 m范围内不能布置仪表控制间、维修车间、化验室和仓库等建筑物,积液池16 m范围内不能布置办公楼、集中控制室。积液池距离低温丙烷双金属球罐30 m,位于15 kW/m2最大影响距离以外。

图1 3 m(长)×3 m(宽)×4 m(深)积液池池火灾影响范围

若积液池体积为1 m(长)×1 m(宽)×4 m(深),其他参数不变,根据ALOHA计算结果,在顺风方向一级区域辐射照度5 kW/m2、二级区域辐射照度8 kW/m2、三级区域辐射照度15 kW/m2的最大影响距离均小于10 m。

对比上述计算结果可知,集液池的表面积越小,池火的热辐射范围影响越小,当罐区集液池及附近设施在总图布置时,为布置更紧凑,可通过调整减小集液池的表面积,以此来改变池火的热辐射影响范围。

2.3 中毒后果分析

2.3.1影响阈值

ALOHA使用AEGLs(急性暴露指引水平)作为苯的毒性阈值,AEGL将危害程度分为三个等级:AEGL-3、AEGL-2和AEGL-1。AEGL-3是空气中风险物质的浓度标准,超过该值能对生命健康造成影响或导致死亡;AEGL-2是空气中风险物质的浓度标准,超过该值,表现为不可逆转的、严重的健康影响;AEGL-1空气中风险物质的浓度标准,表现为明显不适或某些症状,它是短暂和可逆的暴露。苯的AEGL-1浓度是52 mg/m3,AEGL-2浓度是800 mg/m3,AEGL-3浓度是4 000 mg/m3。

2.3.2场景假设

本项目人员集中场所为办公楼,距离苯罐区约为225 m。苯罐为10 000 m3的内浮顶储罐,储罐底部DN100的出口管道上阀门或法兰破损发生泄漏,苯泄漏至尺寸为40 m×50 m围堰中,未遇到点火源,苯扩散至周边环境中。

2.3.3模拟结果

ALOHA计算结果见图2,在顺风方向空气中苯浓度超过AEGL-1的最大影响范围为824 m,空气中苯浓度超过AEGL-2的最大影响范围为156 m,空气中苯浓度超过AEGL-3的最大影响范围为55 m。当苯泄漏后,可造成距离泄漏点55 m范围内人员急性死亡、156 m范围内人员不可逆转的严重伤害、824 m范围内暴露人员轻度可逆转伤害。人员密集场所需布置在AEGL-2及AEGL-3影响范围外,本项目办公楼距离苯罐区约为225 m。

图2 苯泄漏影响范围(苯罐区设置围堰)

若苯罐区未设置围堰,其他参数不变,ALOHA计算结果见图3,在顺风方向空气中苯浓度超过AEGL-1的最大影响范围为2 800 m,空气中苯浓度超过AEGL-2的最大影响范围为571 m,空气中苯浓度超过AEGL-3的最大影响范围为216 m。

图3 苯泄漏影响范围(苯罐区未设置围堰)

由图2和图3计算结果可知,苯罐区设置围堰中毒危险区域与没有围堰时中毒危险区域相比,其毒性危险区域距离下风向的最大距离显著减少。由此可得出,对于密度比空气大的有毒物质,设置围堰可显著降低中毒事故后果影响程度。

2.4 爆炸后果分析

2.4.1影响阈值

根据AQ/T 3046—2013《化工企业定量风险评价导则》及GB/T 37243—2019《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》,不同热辐射强度造成的伤害和损坏见表2。

表2 不同热辐射强度造成的伤害和损坏

2.4.2场景假设

罐区发生火灾,4 000 m3丙烷球罐罐体吸收的热量被罐内的液体吸收,导致液体不断气化,储罐就可能破裂,进而引起气体急剧膨胀和液体闪蒸,发生沸腾液体扩展蒸气爆炸(BLEVE),释放出的大量液态丙烷由于马上接触到周边的明火,产生了巨大火球。

2.4.3模拟结果

ALOHA计算结果见图4,丙烷球罐发生BLEVE,灾难性破裂形成的火球直径586 m,燃烧29 s。热辐射强度大于37.5 kW/m2,最大影响范围为距丙烷球罐583 m,热辐射强度大于12.5 kW/m2,最大影响范围为距丙烷球罐1 100 m,热辐射强度大于4.7 kW/m2,最大影响范围为距丙烷球罐1 800 m。BLEVE造成的事故后果范围广、影响大,需要在总图、工艺设计及安全管理上采取措施,防止BLEVE的发生。

图4 丙烷球罐发生BLEVE影响范围

3 风险控制措施

针对积液池中可燃液体燃烧产生的辐射热可能会对周边建构筑物、金属储罐、管廊等产生影响,导致事故的发生,在辐射热计算的基础上,可通过调整积液池的位置、大小,使之远离影响目标,降低辐射热的影响,同时在积液池设置低温或可燃气体探测及高倍泡沫灭火系统,减少低温液体燃烧及气化时间。

对于有毒物质的泄漏扩散对厂区及周边环境的影响,通过设置有毒气体检测器及时报警,设置紧急倒罐设施及时倒罐,合理设置围堰减少扩散面积,在总图布置时将人员密集场所布置在影响范围之外,可以减少毒性气体扩散对人员的影响。

对于可燃液体的球罐BLEVE,考虑水喷淋为储罐外壁降温,或者耐火涂层保护储罐支撑结构和外壁;设置倒罐措施将储罐物料迅速转移;当发生外部火灾时,在保证安全的前提下,尽量把外部明火带离可燃液体储罐底部;工艺设计中设置考虑火灾工况的安全阀进行泄压,可以降低BLEVE的风险。

4 结语

通过对某综合罐区可能存在的池火灾、有毒气体扩散、BLEVE三种典型事故类型进行分析,结合国内外相关标准规范,运用ALOHA软件对各事故类型的影响范围进行了模拟估算,并根据估算结果提出了风险控制措施,为相关的实际工程设计提供参考,有助于安全、科学地进行厂区内平面布置及工艺方案的优化,从而达到降低风险和减少人员伤亡及财产损失的目的。