基于PHAST 的危险化学品压力储罐泄漏模拟分析

张光生 杨日丽 刘伟杰(陇东学院能源工程学院，甘肃 庆阳 745000)

0 引言

近年来，随着我国化工企业生产规模快速发展，危化品种类、所需数量急剧增多，且大多数往往具有易燃易爆、有毒危险特性。若在生产、使用、储存过程中由于管理不当或者操作不慎往往会造成危化品大面积的泄露，就有可能发生灾难性后果。因此，加强对危化品管预控理就显得意义重大。因此，针对危险化学品泄漏事故展开深入研究，同时建立有效的应急机制十分必要[1]。

截止目前为止，国内外一些学者对危险化学品泄漏扩散模型的相关研究主要包括理论分析、实验研究和实际应用3 个方面。至今已出现数以百计的典型事故后果模型，如高斯模型、BM 模型、Sutton 模型、FEM3 模型、箱及相似模型、P-G 模型等[2-7]。每个模型都有其各自的特点及应用范围，为试验研究提供了大量的理论依据。而国内学者着重在重气烟羽扩散的风洞模拟实验，气体在风洞扩散行为[8]、两相界流泄露模型[9]进行了相关的实验研究等。结合不同的泄露后果模型开发了相关的软件、其中应用较为普遍的软件，比如：PHAST、SAFETI、ALOHA等软件，对不同类型的危化品泄露模拟。

本文选取某工业园区丙烷制丙烯腈项目为背景，利用PHAST软件对其可能的泄露扩散事故后果进行模拟分析，得出定量危害影响范围对提高罐区风险预测及整体防范提供指导。

1 项目基本情况

1.1 生产概况

本项目位于某工业园区内，作为一个1200 万t 原油加工项目下属的子项目。总占地4.5 万m2，其平面布置图如图1 所示。该区域内无大河流，河流径流量短。流量的季节性变化大。地上基岩裂隙水和沉积冲积层孔隙潜水量有限。储罐区主要为立式柱形罐储存。该项目储罐区分为产品储罐区及汽车装卸区，产品区有2 个氢氰酸储罐、4 个丙烯腈储罐、2 个乙腈储罐。

图1 厂区平面布置图

1.2 储存系统

本项目物质储存情况及储罐信息见表1 和表2。

表1 物质储存情况表

表2 储罐容量、数量表

2 储存系统重大危险源辨识

2.1 储存系统重大危险源辨识理论

式中：q1,q2,…,qn为每种危险物质实际存在或者以后将要存在的量(t)；Q1,Q2,…,QN为各危险物质相对应的临界量(t)。

2.2 危险化学品重大危险源分级标准

(1)分级指标：经校正系数校正后的比值之和R作为分级指标。

(2)R的计算方法：

式中：β1,β2,…,βn为与各危险化学品相对应的校正系数；α为该危险化学品重大危险源厂区外暴露人员的校正系数。

对照校正系数表，该项目中危险化学品氢氰酸、氢氰酸、乙腈的校正系数β分别取值4、1.5、1.5，区外暴露人员校正系数取值为2。

2.3 危险化学品重大危险源指标计算

本项目危险化学品R 计算指标，见表3。

表3 本项目危险化学品重大危险源指标计算表

2.4 重大危险源辨识结果

综合以上分析结果，储罐区危险化学品重大危险源级别为一级，为保证安全生产的要求，采用PHAST 软件模拟对储罐区进行了安全评估。因条件限制，仅对丙烯腈储罐区泄漏事故进行后果模拟分析。

3 应用PHAST软件对丙烯腈泄漏事故模拟

3.1 参数设定

本次模拟的事故情景为：丙烯腈储罐区中丙烯腈储罐因腐蚀穿孔而导致筒体破坏，在罐体高度4m 处产生孔洞造成丙烯腈泄漏，形成液池，发生连续蒸发扩散。假设泄漏事故在20min内得到有效控制。

(1)设定气象条件：假定周围大气环境为1.5/F、3/F、5/F、1.5/D。

(2)设定天气数据：假定该地区夏季平均气温28.1℃，相对湿度70%，扩散计算的地表温度30.7℃。

(3)设定地形条件：在PHAST 中地面粗糙度被指定为“30mm，开阔平坦的草地，少量孤立的物体”。选中这类表面类型，是因为它产生了一个下风向距离的保守估计，减少了对侧风距离过高的估计。释放位置海拔7m。围堰高度0.4m。

(4)泄漏源参数：泄漏源高度：4m。泄漏类型：连续泄漏。泄漏时间：20min。

(5)模型设定：5000m3丙烯腈储罐，充装系数为71%，罐内最高允许工作压力111.4kPa，丙烯腈液态时密度为0.8004kg/m3，气态时密度为1.830kg/m3，罐体直径23.7m，罐体高度12.53m。分别以泄漏当量直径为7mm(小孔泄漏)、25mm(中孔泄漏)和50mm(大孔泄漏)的孔洞为对象。

液体和易挥发气体的释放被建立为一个“随时间变化释放”的模型，假定泄漏位置在液面以下。释放开始时的液体流速高于最后。在释放开始时，罐内的液位对泄漏的孔洞口能产生极大压力。当液位按照模拟的情况排空储罐时，泄漏速率也同样下降。

(6)浓度设定：在风险预测过程中需要对危害界限(或标准)进行合理选择，PHAST 定义了几个与作用时间相关的浓度，选择美国工业卫生协会所指定的ERPG(紧急响应计划指南)作为绘制下风向距离等浓度线的依据，因为在实际生活当中，ERPG-3 更具有现实作用，它规定了大气环境中最高的毒气浓度值，在低于此浓度标准的环境中暴露1h，绝大多数人不会受到生命威胁，最终可以避难。丙烯腈ERPG 浓度分为三级，具体参数如表4 所示。

表4 紧急响应计划指南(ERPG)浓度

(7)风险后果分析：对于低压常温液体储罐，在泄漏后不会发生闪蒸，泄漏后的液体会在地面形成液池，在未达到边界时液池的大小随时间增加而增加。液池以质量蒸发为主，蒸发后以气体形式迅速扩散，质量蒸发速率随液池面积增加而增加，待液体流至边界后，液池面积不再增加，质量蒸发速率也不再增加。

由于罐体内液体71%充满状态，当储罐下部出现孔洞引发泄漏时，孔洞处温度发生变化，最终达到环境温度，此时罐内气液平衡遭到了破坏，罐内液体迅速从孔口溢出。论文中设定孔洞内径较小，罐内温度变化未达到急速状态，因此，在没有明火及高热的情况下不会发生蒸气爆炸，所以在进行储罐泄漏风险模拟时，主要考虑有毒气体泄漏扩散。

根据紧急响应计划指南，我们最关注的潜在死亡区域是高于75ppm 以上的丙烯腈浓度区域。下一个关注的区域是高于35ppm 以上浓度的丙烯腈，该浓度下可以对人体造成不良伤害。最后一个关注的区域为高于10ppm 以上浓度丙烯腈，该浓度下会对人体产生短暂的不良反应。

3.2 模拟结果

3.2.1 风速的影响

图2 表示的是在泄漏孔径相同，而风速不同的条件下，丙烯腈泄漏扩散范围俯视图。在本次模拟中，三条曲线分别代表了三种不同风速下丙烯腈泄漏的扩散边界范围。在大气稳定度均为F 的条件下，蓝色实线代表风速1.5m/s 时的扩散范围，绿色长划线代表风速3.0m/s 时的扩散范围，红色点划线代表风速5.0m/s 时的扩散范围。风速越大，危险区域越小。反之，风速越小，危险区域越大。也就是说高风速有利于气体的扩散。

图2 7mm孔洞泄漏扩散范围俯视图

3.2.2 泄漏孔径的影响

如图3，图4，图5 所示，蓝色实线代表ERPG-1(10ppm)，绿色长划线代表ERPG-2(35ppm)，红色点划线代表ERPG-3(75ppm)。7mm 孔洞泄漏ERPG-1 浓度顺风距离约为1736m，云团最大单侧宽度103m；25mm 孔洞泄漏ERPG-1 浓度顺风距离约为7297m，云团最大单侧宽度408m；100mm 孔洞泄漏ERPG-1浓度顺风距离约为21925m，云团最大单侧宽度2427m。可以看出孔径大小影响泄漏量，因此在天气条件相同的情况下，孔径越大，危险区域越大。

图3 大气环境1.5/F时，7mm孔洞泄漏扩散范围俯视图

图4 大气环境1.5/F时，25mm孔洞泄漏扩散范围俯视图

图5 大气环境1.5/F时，50mm孔洞泄漏扩散范围俯视图

3.2.3 大气稳定度的影响

如图6 所示，直径7mm 的孔洞，在风速1.5m/s 和大气稳定度分别为F、D 的条件下(蓝色实线代表1.5/F，绿色点划线代表1.5/D)，大气稳定度为F 时的云团面积明显大于大气稳定度为D时的云团面积。

图6 大气环境1.5/F和1.5/D时，7mm孔洞泄漏扩散范围俯视图

然而，这些关键距离的丙烯腈浓度和相关的扩散范围会随着当时的主导风向而变化。同时，为了对现场应急救援进行实际的指导，通过PHAST 软件，将当地的地理信息精确的与CAD厂区布置图相结合，在PHAST 中成功导入地理信息系统，形成了图7。

如图7 所示，三种线型的图形为常年主导风向上的10ppm丙烯腈浓度扩散浓度范围。三种线型的圆环线分别为三种气象条件下(蓝色实线代表1.5/F，绿色长虚线代表3/F，红色短点划线代表5/F)各风向丙烯腈浓度扩散的最远点的连线。由于和地理信息系统进行了结合，我们可以清楚的看到10ppm 丙烯腈浓度在不同气象条件下的最大影响范围，并了解其扩散的宽度。在夏季的1.5F 的风速条件下，10ppm 丙烯腈浓度区会影响到污水预处理车间、装卸区和泡沫站，并超出了南部和西部的厂区边界。在西南风向的情况下，丙烯腈储罐区和泡沫站均会处于浓度，但不会波及氢氰酸及乙腈储罐区。从图7 也可以看出，发生事故后，沿横风向向两边撤离能够在最短时间内逃离事故污染区域。

3.2.4 风速对池火热辐射的影响

当丙烯腈储罐失效产生孔洞泄漏后，泄漏到地面的液体便会向四周流淌、扩展，若受到防火堤、隔堤等的阻挡，发生池火灾。在氧气供应充足的开放空气环境中池火灾对周围环境的主要伤害是热辐射。

模拟结果显示，风速5m/s 时辐射值为4kW/m2的伤害半径为6.9m；风速1.5m/s 时辐射值为4kW/m2的伤害半径为6m。如图8，给事故控制带来不确定性因素。

图7 10ppm丙烯腈浓度地理信息系统分布图

图8 不同风速下池火灾热辐射影响距离

4 结语

本文通过PHAST 软件模丙烯腈项目中的低压丙烯腈储罐泄漏的扩散后果，用UDM 模型模拟液体蒸发扩散的过程，评估泄漏造成的中毒区域。结果表明，PHAST 软件能很好地定量风险模拟与评估石油、化工等装置中各种事故，并以图表的形式直观的表达出来。

对同一孔径的泄漏源来说，风速越大，气体越易挥发扩散；风速较低时，气体因受大气湍流的影响，气体扩散速度就越慢，危险区域就越大。

在夏季的1.5F 的风速条件下，10ppm 丙烯腈浓度区会影响到污水预处理车间、装卸区和泡沫站，并超出了南部和西部的厂区边界。其中，在主导风向(西南风)的作用下，丙烯腈储罐区和泡沫站均会处于浓度，但不会波及氢氰酸及乙腈储罐区。从丙烯腈浓度地理信息系统分布图可以看出，发生事故后，沿横风向向两边撤离能够在最短时间内逃离事故污染区域。

由池火灾辐射影响距离图可以看出，若丙烯腈储罐泄漏发生池火灾事故，不同风速下的热辐射半径均处于丙烯腈罐区范围之内，且热辐射半径均未达到轻伤半径。