基于ALOHA软件对苯乙烯储罐泄露事故的后果分析

(1.太原工业学院，山西太原，030008；2.河南心连心化肥有限公司，河南新乡，453700)

经验交流

基于ALOHA软件对苯乙烯储罐泄露事故的后果分析

卢亚菁1李林芳2

(1.太原工业学院，山西太原，030008；2.河南心连心化肥有限公司，河南新乡，453700)

苯乙烯是一种危险的合成高分子材料的重要原料，其储罐发生泄漏会导致火灾、爆炸和人员中毒事故，采用ALOHA软件对储罐泄露后果进行模拟，定量得出了苯乙烯储罐泄露导致火灾、爆炸、中毒事故后果的危害范围。根据对储罐工艺过程风险分析的结果从预防事故发生的可能性及控制事故后果的严重程度两个方面，提出工艺过程风险控制措施。

苯乙烯 泄露 风险分析 ALOHA模拟

苯乙烯是合成高分子材料的重要原料，是生产聚苯乙烯的主要原料，同时还可生产合成橡胶、离子交换树脂等。苯乙烯是用苯取代乙烯的一个氢原子形成的有机化合物，其特点是暴露空气中逐渐发生聚合和氧化作用，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，其爆炸极限的范围是1.1～6.1%(vo1)，属于国家安全监管总局首批重点监管的危险化学品(安监总管三[2011]95号)[1]。储罐是苯乙烯生产和应用中的重要设施，由于储罐本身的失效或环境中的危险因素，容易造成储罐内易燃、易爆、有毒物质泄漏，导致发生火灾、爆炸和人员中毒事故，造成大量的财产损失及人员伤亡[2]。ALOHA软件功能强大，操作简单，目前已成为危险化学品领域事故灾害后果预测和事故应急救援的重要工具[3]。鉴于苯乙烯的特殊物化性质和储罐的重要性，本文以ALOHA软件作为苯乙烯储罐风险分析的工具，根据后果分析的结果，提出工艺过程风险控制措施同时为泄漏的救援与预防提供一定的指导。

1 危险度分析

本文以辽宁华锦通达化工股份有限公司的“2.7×104t/a裂解汽油抽提苯乙烯”工程中苯乙烯储罐进行风险分析。该储罐是拱顶式常压大型立式储罐，基本参数如表1。

表1 苯乙烯储罐的基本参数

利用危险度法对储罐单元进行分析，根据分析结果确定其危险等级。从而确定是否需要对其进行更详细的分析。危险度评价取值表是借鉴日本劳动省安全六段法的定量评价表，结合我国《石油化工企业设计防火规范》和《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》等有关标准、规范，并对其做了部分修改后编制而成的定量打分评价表，再根据项目进行打分，可以得出相应的危险等级。本案例的危险等级为I，危险程度为高度，故需要对其进行更详细的分析。

2 泄露后果风险分析

本文采用ALOHA 软件对苯乙烯储罐泄漏情况进行模拟，从而评估其后果的严重程度。根据统计数据，泄漏事故发生的主要原因是设备失效，尤其是设备中密封垫片的失效，以及人为因素[4]。物质泄露后的扩散与物质本身的性质有关，苯乙烯液体泄漏后，扩散到地面，形成液池。因为苯乙烯易挥发，且存储温度低于环境温度，泄露后液体的蒸发量大，大量蒸发在液池上面后会形成蒸气云，并扩散到周围空气中。当周围环境中没有点火源时，主要分析苯乙烯的毒性危险区域。苯乙烯具有易燃易爆性，当泄漏后遇到点火源，将发生火灾、爆炸事故，对于火灾、爆炸事故，主要考虑热辐射危险区域。

2.1 模拟环境的构建

本文研究案例位于辽宁省盘锦市西北部，地理坐标在北纬41°10′和东经122°12′之间，海拔高度平均值为4m。案例中风速分别取平均风速和最大风速进行分析，风向及温度、湿度取当地夏季的气候条件。对于云层覆盖率选择晴天，更具有代表性。根据企业提供的数据信息可知，该储罐的直径为6.7m，高度为7.1m。罐内存放苯乙烯液体，存放温度为10℃。储罐内液体容量参数，根据对事故后果的保守估计原则，以及储罐中液体的存储量规则，存储量系数为0.8。即实际最大储量是储罐容积的80%，即197t。

2.2 中毒模型风险分析

2.2.1 伤害等级

ALOHA使用ERPGs(应急规划准则)作为毒性标准，ERPG将危害程度分为三个等级:ERPG-3、ERPG-2和ERPG-1。ERPG-3是几乎所有人暴露于有毒气体环境1h而不会出现危害生命影响的最大容许浓度；ERPG-2 是员多数人暴露于有毒气体环境1h而不会出现不可逆转或其他严重的健康危害或症状，或者削弱他们采取保护行动的能力，而没有其他影响的最大容许浓度；ERPG-1 是多数人员暴露于有毒气体环境1h，除了轻微的短暂的不良健康影响或明显感到刺激性气味之外不会有其他不良影响的最大容许浓度。苯乙烯的ERPG-1浓度是50 ppm，ERPG-2 浓度是250 ppm，ERPG-3浓度是1000 ppm。

2.2.2 泄露罐参数的确定

对泄露后果进行评估时，根据保守估计的原则，即选择可能发生的最严重泄露位置。本文选择储罐底部孔洞泄露，储罐底部安装有进料管，出料管，存在着法兰，阀门，焊接等可能发生失效危险因素，且根据罐体设计情况，法兰等密封接合部件直径为80mm。另外，储罐底部泄露的危险性最大，因为罐体中物质的重力作用将加快泄露过程的进行。

2.2.3 模拟结果

苯乙烯蒸气的密度大于空气，因此气团将沿地面扩散，选择高斯模型，针对苯乙烯罐区是否存在着围堰，应用ALOHA 进行估计，模拟结果如图1所示。

图1 毒性危险区域

从图1可以看出，设置围堰中毒危险区域与没有围堰时的相比，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，设置围堰显著降低中毒事故后果严重程度。

2.3 池火灾模型风险分析

2.3.1 事故等级

火灾通过热辐射的方式破坏周围环境，ALOHA 使用的标准，是根据60s内热辐射对人体危害程度，后果的严重程度是由作用到人体的热通量和热强度共同决定的，把热辐射情况分为三个等级。三级(后果最严重)：10kW/m2(人员60秒内可能死亡)；二级：5kW/m2(人员60秒内二度烧伤)；一级：2kW/m2(人员60秒内感到疼痛)。

2.3.2 模拟假设

假设苯乙烯从储罐底部泄露，形成液池，遇到点火源，如雷击，电火花等，苯乙烯燃烧形成池火灾。

2.3.3 模拟结果

根据ALOHA估计，热辐射最严重的区域延伸到下风向的最大距离为22m，二级区域延伸到下风向最大距离为30m，一级区域延伸到下风向的最大距离为43m。

热辐射危险区域不像毒性危险区域，热辐射危险是向所有方向同时延伸。但整体扩展偏向下风向方向。这种差异的存在是因为燃烧火焰向风的方向倾斜，从而导致下风向的热辐射危险更大。此外，池火灾还存在其他危险，如可能引发二次火灾和爆炸。

2.4 爆炸模型风险分析

2.4.1 模拟假设

当储罐破裂，发生爆炸时，苯乙烯液体瞬间沸腾，形成蒸气云。假设，泄露物质全部都形成了BLEVE，没有形成池火。

对BLEVE后果的评估中，ALOHA只估计火球的热辐射强度。在大多数BLEVE事故中，热辐射比冲击波超压，碎片等的影响范围更大，更显著。所以，从保守估计的角度，估计可能发生的最严重后果，即储罐内物质的爆炸设置为100%时的模拟场景，利用热辐射后果范围研究BLEVE的事故后果。

2.4.2 模拟结果

ALOHA根据输入的源强度信息，估计得到，BLEVE火球的直径约为327 m，爆炸持续时间为19s。爆炸火球热辐射危险区域，三级区域，即危险程度最严重的区域，在每个方向延伸到640m，二级域直径为905m，一级区域直径为1400m，另外在1400m以内，物质蒸发爆炸过程中，储罐等周围环境中的碎片将被抛射到很远距离，导致人员受伤、设备及建筑物破坏，甚至引发二次爆炸或火灾。

3 风险控制措施

本文基于风险的角度，从降低事故发生的可能性和事故后果的严重程度两个方面考虑上述风险的控制措施。控制措施的采用遵循系统安全优先次序，优先采用本质安全措施。

3.1 减小事故发生的可能性措施

(1)事故发生的初始原因是物质的泄露，物质泄漏的主要原因是由于罐体本身的失效，可能性较大的失效情形有：进料管和出料管与罐底连接法兰发生失效，焊接处发生裂缝等。根据失效理论，首先可通过提高罐体本身及其附件的可靠性，即选用性能较好的部件；其次减小维修检查周期从而及时发现隐性失效，提高系统的可靠性，降低失效的可能性，降低泄露事件可能性。

(2)泄露事件发展为火灾、爆炸事故过程中，存在着很多后续事件，尽可能从最先发挥功能的安全功能着手，对报警器，安全阀连锁等安全功能进行冗余设计，从而可以在泄露初期采取堵漏或其他控制措施，从而降低事故发生的可能性。

(3)物质发生泄露后，环境中存在点火源，可能导致火灾、爆炸事故，故可以采取措施减小点火源作用的可能性。如安装防雷电设施，设置禁火区域，对外来车辆的装卸作业，现场监督指导，设置安全标志进行警示等。

3.2 降低事故后果严重程度的措施

(1)根据本质安全的理论，首先应尽可能减少物质的存储量。

(2)进行过程控制，如利用冷却系统，保证罐体及周围环境的温度较低，利用液位控制装置，防止液位过高，利用泄压系统，防止装置内压力过高。

(3)根据上文对储罐周围是否存在围堰的毒性危险区域分析情况可知，设置围堰能够显著地减小储罐内有毒物质泄露后的毒性区域。故有毒物质储罐区可以通过设置围堰来降低泄露中毒事故的风险。

(4)根据上面对池火灾发生时热辐射区域的估计可知，紧急疏散区应设置在距离危险区43m以外。

(5)完善储罐区安全管理，提高企业安全管理水平，对工作人员进行安全培训，提高工作人员的安全素质。

4 小结

运用ALOHA软件对苯乙烯泄露后果进行模拟分析，后果计算模型采用高斯模型，模拟得出苯乙烯发生泄露后，物质扩散过程中的毒性危险区域、遇到点火源，发生池火灾的热辐射危险区域，发生爆炸的热辐射危险区域。ERPG-3级中毒危险区，下风向的最大距离是13m；ERPG-2级中毒危险区，距离下风向的最大距离是28m；ERPG-1级中毒危险区，距离下风向的最大距离是116m。若发生池火灾，热辐射最严重的区域(60s内人可能死亡)延伸到下风向的最大距离为22m，二级危险区域距离延伸到下风向最大距离为30m，一级级级危险区域距离延伸到下风向的最大距离为43m。若发生爆炸，危险程度最严重的区域，在每个方向延伸到640m。苯乙烯储罐泄露发生事故危害范围大、事故后果严重，需从降低事故发生的可能性和事故后果的严重程度两个方面采取安全措施减小苯乙烯储罐的风险。

[1] 安监总管三[2011]95号. 国家安全监管总局首批重点监管的危险化学品名录[Z]. 北京：国家安全生产监督管理总局，2001.

[2] 袁毅. 储罐危险源网络化监控系统的研究和应用[D].北京：北京交通大学,2008.

[3] 吕德超. 道路运输气体类危化品泄漏扩散及警戒范围模型研究[D].北京：北京交通大学,2013.

[4] 潘旭海,蒋军成. 重(特)大泄漏事故统计分析及事故模式研究[J]. 化学工业与工程,2002,(03):248-252+264.

SimulationandAnalysisofLeakageAccidentsofStyreneTankbyALOHA

LuYajing1,LiLinfang2

(1.TaiyuanInstituteofTechnology,Taiyuan030008,Shanxi,China;2.HenanXinlianxinFertilizerCo.LTD,Xinxiang453700,Henan,China)

Styrene is a danger of the important raw material for synthetic polymer materials, the tank leak, fire, explosion and poisoning accident of the tank leak consequences by using software simulation, obtained quantitative styrene tank leaked the dangers of fire, explosion, poisoning accident consequences. According to the results of the risk analysis in chemical process, some risk control measures has also been proposed.

styrene; leakage; risk analysis; ALOHA simulation

湖北楚星化工实施煤气化节能技术升级改造项目

湖北楚星化工股份有限公司目前正在湖北省宜都市枝城镇阳和岭村实施煤气化节能技术升级改造项目。该项目是楚星化工公司落实生态优先、绿色发展的具体行动和实施产业转型升级重大部署项目，投资近20亿元，现已完成所有土方回填、强夯及桩基施工招标，即将进入土建施工阶段。此次升级改造项目包括煤气化和净化合成两部分。项目核心技术特点是采用加压气化、蒸汽驱动。其中，水煤浆气化技术能有效降低能耗和生产成本，提高原料煤的适应性，使企业生产获取更广泛的原料来源，同时充分发挥设备能力，并通过对生产系统进行相应改造，优化系统配置。合成氨工艺中的核心环节空分装置将采用世界最先进的德国曼透平公司的空压机、增压机、汽轮机，同等装置能耗比国产机组低15%。煤气化采用国内自主知识产权、具有世界先进水平的华东理工大学多喷嘴对置式水煤浆加压气化技术，可使每吨合成氨的成本降低400元以上，全年可以实现效益1.7亿元。该项目建设周期为2年，将于2018年正式建成投产。投产后，可实现年节约原料煤6.6万吨，年节约蒸汽16.5万吨，年节电990万度，总节能量折标煤近7万吨。此外，本次升级改造环保设施配套齐全，设置有污水站、火炬、硫回收等环保装置，将在原有装置的基础上大幅提升环保标准。

(汪家铭)