基于ALOHA后果模拟的液氨泄漏事故应急策略研究

郝腾腾 郑 欣副教授 王慧宇

(东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

0 引言

液氨作为冷冻剂，常常被应用于工业生产的制冷系统中。随着近几年国内工业迅速发展，使用液氨作为制冷剂的企业高达70%。可是由于我国涉氨企业在安全技术及安全管理等方面的发展远远落后于氨制冷系统的扩建速度，从而导致了液氨泄漏事故的频繁发生。2010年福建宁德一制冷厂液氨泄漏引发中毒事故，采取泄漏点堵漏和水雾稀释的应急策略并对下风向500人紧急疏散；2013年宝源丰禽业液氨泄漏引起火灾和爆炸，导致121人死亡，因存在中毒和爆炸隐患而扩大警戒线，方圆1 000m人员紧急疏散。因此，开展液氨泄漏事故的应急策略研究，对减少事故损失具有十分重要的现实意义。

国内外诸多学者利用有害大气空中定位软件(Areal Locations of Hazardous Atmospheres，ALOHA)对液氨泄漏事故进行模拟。焦姣等利用ALOHA软件对液氨泄漏造成的大气扩散、爆炸和火灾事故后果进行模拟，得到各事故场景下的危害范围；Sanchez等利用ALOHA软件模拟液氨泄漏事故毒性危害区；Anjana等利用ALOHA来模拟氨泄漏事故，预测毒性危害距离，并结合GIS软件进行可视化处理。也有诸多学者针对危险化学品泄漏事故应急策略理论方面展开研究。胡忆伪对丙烯槽车突发泄漏事故进行应急处置分析，提出一套危险化学品槽车泄漏应急处置方法；杨春生等对化学品泄漏事故现场应变程序进行研究，结合CSTI和HAZMAT构建出我国化学品泄漏应变程序；周锦山对剧毒化学品泄漏事故应急处置进行了研究，对成立应急救援组织和制定应急救援预案有一定指导作用。

上述研究在开展ALOHA软件模拟或危险化学品泄漏应急处置时，很少有学者综合考量液氨泄漏中毒和爆炸事故模拟结果并提出相应的危险化学品泄漏事故应急策略。本文利用ALOHA软件模拟某化工厂液氨泄漏造成的中毒和爆炸事故后果，结合模拟及可视化结果进行警戒区域划分，提出应急救援队伍管控方案和下风向居民应急疏散的处置措施。研究结果可为今后液氨泄漏的应急救援处置乃至其他危险化学品的应急救援策略提供理论依据。

1 基于ALOHA软件的液氨泄漏模拟

ALOHA软件自带强大的化学品性质数据库以及用于评估化学品泄漏和蒸发速率的模型，能够协助应急人员预测与化学品泄漏有关的化学品泄漏危害区域、源强动态变化以及敏感点的浓度变化。同时可以将模拟结果导入MARPLOT软件中，该软件可以在地图上直观地显示有毒有害气体泄漏危害影响范围。因此，为了能够快速准确地预测危化品在大气中的扩散范围和实际区域，有效地组织受影响区域人员疏散，避免人员伤亡和财产损失，本文采取ALOHA软件模拟和MARPLOH软件图像处理相结合方法。

液氨泄漏对人员造成伤害的主要是中毒事故，同时液氨爆炸和火灾事故中沸腾液体扩展蒸汽爆炸(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion，BLEVE)事故造成的危害最为严重。因此，本文在研究液氨泄漏时同时考虑中毒和BLEVE事故，利用ALOHA软件对某化工厂进行液氨泄漏事故模拟。

1.1 参数设置与场景假设

ALOHA软件含有的评估化学品泄漏和蒸发速率的模型包括高斯模型、蒸汽云爆炸、BLEVE火球等成熟的大气扩散、火灾、爆炸等模型。根据本文研究对象选择高斯模型和BLEVE火球模型。

液氨泄漏事故的地理位置和周围环境状况按照实际情况设置，泄漏物质选择氨气，状态为液化气，假设化工厂内有2个同类型液氨储罐，液氨充装量为3t，储罐基本参数，见下表。气象条件参数参照当地近5年夏季气象数据设置，因为这些参数取值会直接影响到模拟结果的影响范围大小。具体数值设置，见下表。

表 泄漏事故模拟基本参数表Tab. The based parameter table of leakage accident simulation

假设其中一个液氨储罐罐体出现破裂导致大量液氨泄漏，氨气与空气混合形成可燃蒸汽云团向下风向扩散引发中毒事故，若扩散云团遇火源导致厂内发生火灾事故，从而导致另一罐体受热发生BLEVE事故，考虑泄漏后即刻发生BLEVE事故和泄漏发生30min后发生BLEVE事故2种场景。其中小尹家窝堡位于距离液氨泄漏事故点下风向2 000m处。

1.2 液氨泄漏后果模拟分析

1.2.1 大气扩散模拟

液氨泄漏后蒸发形成的氨气与空气混合形成有毒蒸汽云团向下风向扩散，可能造成厂区内部人员及下风向的居民中毒。利用ALOHA软件模拟大气扩散事故，选择紧急响应计划指导浓度(Emergency Response Planning Guidelines，ERPG)作为毒性危险区域图的临界浓度标准，并将图像导入MARPLOH软件得到毒性危险区域可视化图，如图1。

图1 毒性危害区域可视化Fig.1 Visualization of toxic hazard areas

通过模拟结果可知，致命伤害区(ERPG-3)扩散至下风向316m，严重伤害区(ERPG-2)扩散至下风向1 200m，轻度伤害区(ERPG-1)扩散至下风向3 000m。最外层边界线区域考虑了气体在风力作用下可能转移扩散的范围。其中，工厂和下风向的农田处于致命伤害区和严重伤害区范围内，下风向的小尹家窝堡部分区域处于轻度伤害区范围内，但是整个村庄都处于最外层边界区域内。

1.2.2 BLEVE事故模拟

BLEVE事故会造成热辐射、冲击波和碎片等危害，其中对人体生命健康影响最严重的是热辐射产生的伤害。因此，本文模拟了BLEVE事故热辐射危害后果，如图2。

图2 BLEVE热辐射危害区域可视化Fig.2 Visualization of thermal radiation hazard areas

通过模拟结果可知，BLEVE事故的致命伤害区半径为120m，此区域60s内火球产生的热辐射值高于10Kw/m，会造成人员死亡；严重伤害区半径为173m，此区域60s内火球产生的热辐射值在5～10Kw/m之间，会造成皮肤烧伤；轻度伤害区半径为274m，此区域内辐射值低于5Kw/m，但是长时间停留在此区域会使人员有灼烫感。其中，致命伤害区主要在工厂内部，严重伤害区涉及到厂外的农田及长德大街，轻度伤害区范围扩大至尚德大街。

蒸汽云团在扩散过程中会由于风力和空气的稀释作用导致氨浓度值降低，选择距离泄漏点下风向120m处为目标测试点，利用ALOHA软件模拟得到此点处氨浓度变化曲线，如图3。可以得出：在泄漏30min后，该测试点的氨浓度值降低至轻度伤害值之下，其他目标测试点同样出现此变化。则此时综合考量中毒和爆炸事故类型时应以BLEVE爆炸事故带来的后果影响为主。

图3 目标测试点氨浓度变化曲线Fig.3 Ammonia concentration change curve at the target test point

2 液氨泄漏事故应急策略

2.1 事故现场管制划分原则

事故现场通常划分为冷区、暖区、热区和除污区。以ALOHA软件事故模拟结果为依据，综合考量中毒和爆炸事故后果提出该企业氨泄漏事故现场警戒区划分和应急队伍安排策略，指导氨泄漏应急救援工作的有效开展，并根据事故伤害形式进行人员防护工作指导。

(1)根据ALOHA模拟结果，将事故现场氨浓度值达到致命伤害值的区域设置为第一警戒区域，目的是保护事故现场，撤离现场人员以及处理泄漏源。此区域内的抢险救援工作由抢险组承担，抢险组应包括消防官兵及专业抢险队员。此区域具有的高蒸汽压、高毒性化学物质和热辐射会致人死亡，因此抢险组成员在此区域救援时要实施一级个体防护。抢险组主要任务是设置第一警戒区隔离带，进行人员解救和疏散及泄漏设备抢修，并用水稀释中和事故现场泄漏物质，防止高浓度氨气继续向下风向扩散。

(2)事故现场氨浓度值到达严重伤害值的区域设置为第二警戒区域，目的是控制污染物传播。此区域的人员疏散和洗消工作应由治安组成员承担，下风向泄漏物质稀释中和由抢险组成员承担。此区域氨浓度和热辐射值相对降低但仍会对人体造成重大伤害，因此治安组成员要实施二级个体防护。此区域及第一警戒区的伤员和应急救援人员需进行洗消处理后才可离开，防止人员携带污染物造成污染扩散。

(3)事故现场氨浓度值达到轻度伤害值的区域设置为第三警戒区域，目的是阻止无关人员及车辆进入事故现场，避免救援作业受到影响。因为这个区域相对安全，所以在泄漏点的上风向和两侧风向位置建立现场应急指挥部以及院前急救点。此区域人员不直接接触有害液体且氨浓度值只会使人员产生轻微的不良健康反应，因此应急人员采取三级个人防护。院前急救点的主要任务是对中毒人员进行急救处理，之后送至医院进行全面治疗。

(4)治安组要根据现场指挥部的命令设置第二、三警戒区域的标志牌和隔离带。建立交通管制点，对进出事故现场的人员和车辆逐一登记，并阻止无关人员和车辆进出警戒区域。监督进入警戒区内人员佩戴个人防护用品，同时公安部门还应负责下风向居民的紧急避难疏散工作，减少人员中毒。后勤组要保障水、个人防护用品等物品供给。

2.2 应急处置措施

结合事故现场管制划分原则和ALOHA软件模拟事故后果，绘制液氨泄漏事故现场管制示意图，如图4。

图4 事故现场管制图Fig.4 Accident site control map

当中毒事故与BLEVE事故同时发生时，综合考量事故模拟结果，根据划分原则，第一警戒区为下风向扩散半径316m和上风向BLEVE事故半径173m范围内区域，第二警戒区为第一警戒区外下风向扩散半径1 200m和BLEVE事故半径274m范围内的区域，第三警戒区是第一、二警戒区域外半径为3 000m范围内的区域，根据毒性危害区域的最外层边界确定疏散区范围。

根据1.2节分析，中毒事故30min后发生BLEVE事故，则在综合考量下第一警戒区为半径120m范围内区域，第二警戒区为第一警戒区外半径173m范围区域，第三警戒区为第一、二警戒区域外半径为274m范围内的区域，其事故管制图在图4基础修改即可。

抢险组除了进行人员抢救和工程救险外，还要做好现场防火工作，避免二次火灾和爆炸事故发生。如图4所示，为提高应急救援效率，事故现场指挥部设置在上风向龙翔宾馆处，院前急救点分别设置在上风向宏鑫宾馆处和侧风向尚德大街上。事故现场救援时，治安组应在第三警戒区边界与长德大街和尚德大街的交会位置设置交通管制点，将洗消通道布置在第二警戒区域内的2条大街上。由于液氨泄漏具有可燃性和爆炸性，治安组应严禁烟火、非防爆以及摩擦撞击火花设备进入事故现场。

2.3 应急疏散措施

抢险组负责第一警戒区内人员疏散任务，将中毒人员通过洗消通道迅速疏散至上风向或侧风向的院前急救点进行急救处理。治安组及其他相关部门负责疏散第二、三警戒区域内人员。利用ALOHA软件可以得到毒性扩散区域内某位置处的氨气浓度变化曲线，从而采取应急疏散措施。通过图4可以看出，下风向第二警戒区内为农田区，若事故发生时为农忙时节，需要对务农人员进行紧急疏散。由于农田区没有房屋建筑，因此该区域内人员无法进入室内避难，只能紧急撤离。选择距离泄漏点下风向500m处为目标测试点，得到大气氨气浓度变化曲线，如图5。由图5可知，大气中的氨气浓度迅速超过ERPG-2，并持续15min，在此时间段内会对此区域内人员造成严重中毒伤害，因此，治安组人员要实施二级个体防护，指导农田区的务农人员向泄漏点两侧风向位置迅速撤离并到院前急救点进行身体检查。

图5 第二警戒区目标处氨浓度变化曲线图Fig.5 The change curve of ammonia concentrationat the target point in the second warning area

由图4可知小尹家窝堡处于第三警戒区域内，由图1可知，小尹家窝堡处于有毒气体扩散的轻伤区。选取小尹家窝堡内距离泄漏点下风向2 000m处作为目标测试点进行模拟，如图6。通过分析曲线变化，可知扩散前15min内，房间内的氨气体积分数一直增加，增加到9.16ppm后开始逐渐降低，但是一直处于ERPG-1之下；而户外氨气体积分数在最初时间内增加很快，约3min超过了ERPG-1并迅速增加到51.4ppm，但没有超过ERPG-2和ERPG-3，15min后才降低至ERPG-1之下。

图6 第三警戒区目标处氨浓度变化曲线图Fig.6 The change curve of ammonia concentrationat the target point in the third warning area

因此，在此次液氨意外泄漏的危机情况下，前15min内是避难疏散的关键时间，应将泄漏扩散轻度伤害区的居民紧急安排到室内进行紧急避难，避难时要紧闭门窗，用湿毛巾捂住口鼻，然后在30min后室外氨浓度几乎为0时进行室内通风换气，排除室内有毒气体。

3 结论

(1)通过对设定液氨泄漏事故模拟可知，氨泄漏中毒影响范围最远可达3 000m处；BLEVE事故主要引起热辐射伤害，以爆炸处为中心，影响范围半径可达274m。

(2)对液氨泄漏事故应急策略进行研究，基于ALOHA软件模拟后果，综合考量中毒和爆炸事故后果提出事故现场管制区划分原则：事故现场氨浓度值大于致命伤害值的区域设置为第一警戒区域；事故现场氨浓度值达到严重伤害值的区域设置为第二警戒区域；事故现场氨浓度值达到轻度伤害值的区域设置为第三警戒区域。同时提出各警戒区域应急救援队伍安排策略。

(3)当中毒事故与BLEVE事故同时发生时，综合考量中毒和爆炸事故模拟结果，第一警戒区是下风向半径316m和上风向BLEVE事故半径120m范围内的区域，第二警戒区最远可达1 200m，第三警戒区最远至3 000m；当液氨泄漏30min后发生BLEVE事故，则可设置第一警戒区域半径为120m，第二警戒区最远至173m，第三警戒区最远至274m。

(4)利用ALOHA软件可模拟得到各个警戒区域内的氨浓度变化曲线图，观察2个测试点室内外氨浓度随时间变化情况可知前15min是避难疏散的关键时间段。在此时间段内，农田区室外浓度会致人重伤，人员应迅速撤离此区；小尹家窝堡室内浓度一直低于轻伤浓度值，居民应进入室内紧急避难。以此来指导避难疏散工作，可为现场指挥部节省决策时间并提高应急救援效率。