环氧丙烷储罐泄漏事故场景的ALOHA数值模拟

张永光(上海天谱安全技术咨询有限公司，上海 201108 )

0 引言

ALOHA(Areal Location of Hazardous Atmosphere)是一个用于模拟危险化学品泄漏导致的有毒气体扩散、火灾、爆炸等危险及其威胁区域的计算程序。ALOHA中的威胁区域是指危险(如毒性)超过用户指定关注级别(LOC)的区域。ALOHA可根据输入的相关基础参数计算出危险化学品从储罐、液池和气体管道中逸出的速度及其随时间的变化情况，并可模拟多种释放场景，基于各种释放场景输出威胁区域、特定位置的威胁和释放源强度图等[1]。

上海市某化工厂在生产过程中使用低沸易燃液体环氧丙烷作为原料，厂区内设有环氧丙烷储罐区，罐区内设有一台容积1 000 m3的环氧丙烷球形储罐，若该储罐发生泄漏，环氧丙烷极易燃，并可与空气形成爆炸性混合物，若遇明火、高热等点火源可能会燃烧爆炸从而导致火灾、爆炸事故。为研究环氧丙烷储罐泄漏事故对人员的伤害范围或对物体的破坏范围，本文利用ALOHA模拟与环氧丙烷释放相关事故的威胁区域，以期为事故预防和救援能够提供有效的指导，并为人员集中场所与爆炸地点的防护距离计算提供方法。

1 基础信息输入

ALOHA需要输入泄漏发生的地理位置、大气条件、发生时间、化学品和释放源情况等基础信息来进行模拟计算[2]。

1.1 地理位置和大气条件

上海市地处东经121°29′，北纬31°13′，平均高度为海拔2.19 m左右，平均气温15.6 ℃，雨量充沛，日照充足，年平均相对湿度77%，全年最大频率风向为东南风，平均风速3.3 m/s。

假设某日20:00发生环氧丙烷储罐泄漏，ALOHA中输入大气条件的计算参数如下：

风速：3.3 m/s，风向：SE，测量高度：10 m，地表粗糙度：城市或森林，云层覆盖：5/10，气温：15.6 ℃，大气稳定度：E，是否存在逆温：否，相对湿度：77%。

1.2 环氧丙烷危险特性

在ALOHA的化学品信息项目中选择环氧丙烷，软件自动输入环氧丙烷相关参数如下：

化学品名称：环氧丙烷，CAS号：75-56-9，摩尔质量： 58.08 g/mol，AEL-1(60 min)：73 mg/L，AEL-2(60 min)：290 mg/L，AEL-3(60 min)：870 mg/L，IDLH：400 mg/L，LEL：22 000 mg/L，UEL：355 000 mg/L，环境条件下沸点：34.5 ℃，环境温度下蒸气压：0.48倍的标准大气压，环境条件下饱和浓度：48.3%。

1.3 环氧丙烷储罐及泄漏场景

上海市某化工厂的环氧丙烷储罐区内设有一台容积1 000 m3的环氧丙烷球形储罐(直径12.4 m)，工作温度0～20 ℃，工作压力0～0.2 MPa，充装系数为80%。罐区为水泥地面，设有1.2 m高的防火堤，罐区占地面积1 430 m2。厂区北侧设有综合楼，距离环氧丙烷储罐200 m。

根据有关统计数据，固定式压力储罐泄漏场景中频率最大为中孔泄漏，中孔泄漏孔径范围5～50 mm，代表值25 mm[3]。在ALOHA中模拟储罐发生泄漏时，泄漏孔的面积必须小于储罐的圆形截面积或者小于储罐表面积的10%，取两者之间较小的值。若直径12.4 m储罐发生泄漏，储罐表面积为483 m2，泄漏孔的面积必须小于储罐表面积的10%，即48.3 m2，此时泄漏孔直径最大可取为7.84 m。

危险化学品的危险特性主要为燃烧性、爆炸性、毒害性和腐蚀性，根据国家相关标准的规定，环氧丙烷(UN1280)危险性类别为第3类易燃液体，且未划分其他危险性的类别或项别[4]，环氧丙烷的主要危险特性为其燃烧性。若环氧丙烷储罐发生泄漏，事件树如图1所示。

图1 环氧丙烷储罐中孔泄漏事件树

根据图1的事故场景，在ALOHA中选择泄漏源为储罐，输入源强的计算参数如下：球形储罐，储罐直径12.4 m，容积1 000 m3，储存化学品状态：液体，储存温度15.6 ℃，充装系数80%，储存量668 318 kg，泄漏口形状：圆形，泄漏孔径：25 mm/ 7.84 m，泄漏通过孔洞或管道/阀门：孔洞，泄漏孔距罐底高度：1 m，地面类型：混凝土，地面温度：15.6 ℃，最大液池面积：1 430 m2。

2 模拟分析

2.1 池火

环氧丙烷储罐发生泄漏并在防火堤所围面积内形成燃烧的液池，当泄漏孔径为25 mm时，ALOHA模拟得出池火的最大火焰长度：10 m，燃烧时间：1 h，最大燃烧速率：79.8 kg/min，总燃烧量：4 711 kg，蔓延为直径5.3 m的液池。当泄漏孔径为7.84 m时，ALOHA模拟得出池火的最大火焰长度：42 m，燃烧时间：1 h，最大燃烧速率：5 200 kg/min，总燃烧量：311 678 kg，蔓延为直径43 m的液池。池火相关的潜在危险包括热辐射、烟雾以及火灾产生的有毒燃烧产物等，ALOHA主要是模拟其热辐射危害，当环氧丙烷储罐泄漏孔径为25 mm和7.84 m的时候可能发生池火的热辐射威胁区域分别如图2和图3所示。

图2 池火热辐射威胁区域图(泄漏孔径25 mm)

图3 池火热辐射威胁区域图(泄漏孔径7.84 m)

通过图2、图3可以看出环氧丙烷储罐一旦泄漏发生池火灾，相应的热辐射水平对那些暴露在这些热辐射水平下，但能够在1 min内寻求庇护的人可能产生的影响。热辐射危险的分布不依赖于风，主要跟距离有关，在所有方向分布基本相同。当泄漏孔径为 25 mm发生池火灾时，热辐射值大于10.0 kW/m2，人员如停留60 s就有死亡危险的红色威胁区域半径小于10 m；在13 m半径范围内，热辐射值大于5.0 kW/m2， 人员如停留60 s会造成二度烧伤；22 m半径范围内，热辐射值大于2.0 kW/m2，人员如停留60 s会感觉疼痛。当泄漏孔径为7.84 m发生池火灾时，在70 m半径范围内，热辐射值大于10.0 kW/m2，人员如停留60 s就有死亡危险；在99 m半径范围内，热辐射值大于5.0 kW/m2，人员如停留60 s会造成二度烧伤；154 m半径范围内，热辐射值大于2.0 kW/m2，人员如停留60 s就会感觉疼痛。

可以得出，泄漏孔径25 mm时环氧丙烷的泄漏速度小，在地面蔓延形成的液池直径5.3 m，液池面积小，未充满整个防火堤，燃烧速率慢，燃烧的总物料少，热辐射危害程度和影响范围较小，池火灾热辐射在1 min内导致人员死亡的威胁区域小于10 m，并且1 min内致人二度烧伤的威胁区域的半径13 m，基本低于甲类储罐区距其他建筑或设施防火间距的规定，在事故状态下对周边装置或设施的生产经营活动影响较小。当泄漏孔径为7.84 m时，可以近似为储罐完全破裂，此时环氧丙烷瞬时泄漏，迅速充满整个防火堤，在防火堤围护的面积大小的液面燃烧，燃烧速率快，燃烧的总物料多，热辐射危害程度和影响范围均远大于中孔泄漏时情景，池火灾热辐射在1 min内导致人员死亡的威胁区域半径可达70 m，对周边装置或设施生产经营活动的影响较大。

2.2 闪火区域

环氧丙烷储罐发生泄漏并在防火堤所围面积内形成蒸发的液池，环氧丙烷蒸气云遇点火源可能会发生闪火。当泄漏孔径为25 mm时，ALOHA模拟得出最大平均蒸发速率：68.2 kg/min，时间1 h，总蒸发量：3 257 kg，蔓延为直径21 m的液池。当泄漏孔径为7.84 m时，ALOHA模拟得出最大平均蒸发速率：625 kg/min，时间1 h，总蒸发量：30 704 kg，蔓延为直径43 m的液池。池火灾时环氧丙烷泄漏后立即点燃形成燃烧的液池，在泄漏孔径较小时，泄漏出的环氧丙烷量比较少，并且泄漏出的环氧丙烷相当一部分直接燃烧掉，导致液池的面积较小；闪火时环氧丙烷泄漏未立即点燃形成了蒸发的液池，当泄漏孔径较小时，泄漏出的环氧丙烷量比较少，但环氧丙烷蒸发的速度远小于燃烧速度，因此同样泄漏孔径下形成的环氧丙烷蒸发液池的面积远大于燃烧液池。当泄漏孔径极大时，近似为储罐完全破裂，此时环氧丙烷近似于瞬时泄漏，迅速充满整个防火堤，燃烧液池面积和蒸发液池面积均等于防火堤内围护的面积，因为燃烧速度远大于蒸发速度，所以在相同时间内燃烧液池中环氧丙烷的总燃烧量远大于蒸发液池中环氧丙烷的总蒸发量。

ALOHA不模拟闪火的热辐射、烟雾以及有害燃烧产物等潜在危险，主要模拟化学品泄漏后可能发生闪火的区域，即可燃蒸气云内部浓度超过LEL的区域。ALOHA估算的是蒸气云的平均浓度，在实际的蒸气云中，浓度是不均匀的，即使平均浓度已低于LEL，但仍可能有浓度高于LEL的局部区域(火焰袋)，实验表明火焰袋会出现在平均浓度高于LEL 60%的区域，因此ALOHA使用60%的LEL作为红色威胁区的默认易燃LOC。ALOHA将10%LEL用作黄色威胁区的默认易燃LOC。环氧丙烷蒸气比空气重，采用的重气模型，当环氧丙烷储罐泄漏孔径为25 mm和7.84 m的时候可能发生闪火的区域分布分别如图4、图5所示。

通过图4、图5可以看出环氧丙烷储罐泄漏形成蒸发液池后若发生蒸气云闪火，闪火事故的威胁区域受到风的影响较大，风向决定了蒸气云的漂移方向，因此闪火区域较少分布在逆风方向(上风向)，大部分分布在顺风方向(下风向)。当泄漏孔径为25 mm时，蒸气云平均浓度大于60%LEL的红色威胁区域(火焰袋区域)长度为下风向20 m，因距离较近时扩散预测的准确度低而未画出威胁区域图；蒸气云平均浓度大于10%LEL的黄色威胁区域长度为下风向63 m。当泄漏孔径为7.84 m时，蒸气云平均浓度大于60%LEL的红色威胁区域长度为下风向74 m(火焰袋区域)，在此区域均可能发生闪火；蒸气云平均浓度大于10%LEL的黄色威胁区域长度为下风向217 m。图4、图5中威胁区两侧的虚线为风向置信线。风向改变时，释放出来的化学物质会被吹向一个新的方向，预计蒸气云在95%的时间内会停留在风向置信线区域内。当泄漏孔经为25 mm时，泄漏速度小，在地面蔓延形成的液池直径21 m，未充满整个防火堤，液池面积小，蒸发速率慢，蒸发的总物料少，闪火区域范围较小。此时蒸气云平均浓度大于60%LEL的红色威胁区域(火焰袋区域)长度为下风向20 m，基本不超过甲类储罐区距其他建筑或设施防火间距的规定，在事故状态下对周边装置或设施的生产经营活动影响较小。当泄漏孔径增大时，环氧丙烷泄漏速度更快，形成的蒸发液池面积更大，环氧丙烷蒸发的速度和总蒸发量均增大，因此形成的蒸气云的区域更大，闪火区域更大，蒸气云平均浓度大于60%LEL的红色威胁区域(火焰袋区域)长度可达下风向74 m，对周边装置或设施生产经营活动的影响较大。与池火灾事故威胁区域相比，在相同泄漏孔径时，闪火的威胁区域更大。

图4 闪火区域分布图(泄漏孔径25 mm)

图5 闪火区域分布图(泄漏孔径7.84 m)

2.3 蒸气云爆炸

环氧丙烷储罐发生泄漏并在防火堤所围面积内形成蒸发的液池，环氧丙烷蒸气云遇点火源也可能会发生蒸气云爆炸。当泄漏孔径为25 mm时，ALOHA模拟得出最大平均蒸发速率：68.2 kg/min，时间1h，总蒸发量：3 257 kg，蔓延为直径21 m的液池。当泄漏孔径为7.84 m时，ALOHA模拟得出最大平均蒸发速率：625 kg/min，时间1 h，总蒸发量：30 704 kg，蔓延为直径43 m的液池。环氧丙烷蒸气云爆炸时ALOHA模拟出的上述液池面积、蒸发速率等源强数据与闪火完全相同，即环氧丙烷泄漏后延迟点火在前期泄漏情景基本相同时闪火或蒸气云爆炸两种事故均可能发生，一般认为，必须要有强的点火源或有某些火焰加速的机理才能形成强的爆炸波发生蒸气云爆炸。ALOHA运行蒸气云爆炸场景时模拟的危险是超压(由于存在太多未知或不可知的变量，很难准确地预测危险碎片的分布，ALOHA没有对危险碎片的威胁进行建模，这些碎片可能会远远超出预测的超压威胁区)，如果蒸气云爆炸时超压超过一定值，便会对周围的建筑物及人员造成破坏或损伤，超压的破坏作用与初始爆炸能量成正比，与距离成反比。在石油化工厂进行总平面布置设计时，需要特别关注人员集中的建筑物与具有蒸气云爆炸危险性的泄漏源之间防护距离。

蒸气云爆炸附加输入计算参数：蒸气云点火时间：未知，蒸气云点火源类型：火花或明火，拥塞水平：拥塞，难以通行。当环氧丙烷储罐泄漏孔径为25 mm和7.84 m的时候可能发生蒸气云爆炸的超压(冲击波)威胁区域分别如图6、图7所示。

图6 蒸气云爆炸超压威胁区域图(泄漏孔径25 mm)

图7 蒸气云爆炸超压威胁区域图(泄漏孔径7.84 m)

通过图6、图7可以看出环氧丙烷罐一旦泄漏发生蒸气云爆炸，当泄漏孔径为25 mm时，18 m半径范围内，冲击波超压可达8.0 psi(55.16 kPa,1 psi=6.895 kPa)，可摧毁建筑物，导致房屋完全毁坏；25 m半径范围内，冲击波超压可达3.5 psi(24.13 kPa)，会造成严重伤害，导致钢框架房屋因地基变形而拉开；57 m半径范围，冲击波超压可达1.0 psi(6.895 kPa)以上，导致房屋被部分破坏，无法居住。当泄漏孔径为7.84 m时，65 m半径范围内，冲击波超压可达8.0 psi(55.16 kPa)，可摧毁建筑物，导致房屋几乎完全毁坏；98 m半径范围内，冲击波超压可达3.5 psi(24.13 kPa)，会造成严重伤害，导致钢框架房屋因地基变形而拉开；219 m半径范围，冲击波超压可达1.0 psi(6.895 kPa)以上，导致房屋被部分破坏，无法居住。蒸炸云爆炸产生的超压受到风向的影响，因为蒸汽云在爆炸前顺风漂移一段距离，导致圆形的威胁区并不集中在化学物质释放的原点。与闪火类似，当泄漏孔径增大时，环氧丙烷泄漏速度更快，形成的蒸发液池面积更大，环氧丙烷蒸发的速度和总蒸发量均增大，因此形成的蒸气云的区域更大，蒸气云爆炸的影响范围增大。在相同泄漏孔径时，蒸汽云爆炸的威胁区域与闪火区域相近。

环氧丙烷储罐北侧200 m处综合楼为人员集中的建筑物，其与具有蒸气云爆炸危险性的泄漏源之间应有一定的防护距离，假设环氧丙烷储罐泄漏发生蒸气云爆炸事故时，该综合楼位于下风向，当泄漏孔径为25 mm时，ALOHA模拟该点处的超压：0.2 psi(1.38 kPa)，在此超压下可导致玻璃破裂。当泄漏孔径为7.84m时，ALOHA模拟该点处的超压：1.14 psi (7.86 kPa)，在此超压下导致房屋被部分破坏，无法居住。当蒸汽云爆炸的超压小于10 kPa时，人员的死亡概率为0，即在距离爆炸点200 m的人员集中建筑物在环氧丙烷储罐中孔泄漏和完全破裂时的风险均是可接受的。

3 结语

通过对环氧丙烷储罐泄漏导致的池火、闪火及蒸气云爆炸事故及其威胁区域进行模拟分析，得出以下三点：

(1)环氧丙烷的主要危险特性为其燃烧性，环氧丙烷储罐泄漏发生概率最高的为中孔泄漏，泄漏的极端严重情景为储罐完全破裂，在泄漏可能产生池火、闪火及蒸气云爆炸等事故。通过ALOHA软件计算出环氧丙烷储罐两种泄漏情景的速度和泄漏量，并模拟上述释放场景，基于释放场景输出了威胁区域图。在环氧丙烷储罐泄漏应急处置中可根据ALOHA输出的上述威胁区域来划分出相应的警戒范围，对人员疏散起到指导作用。

(2)近年来，在大型石化企业的工厂设计中，需重点考虑办公楼、中央控制室等人员集中场所的防爆安全设计。ALOHA可以对易燃化学品泄漏发生蒸气云爆炸的超压影响范围进行模拟，并可模拟某具体位置的超压值，因此可以作为人员集中场所与爆炸地点之间防护距离理论计算中一种具备参考价值的方法。

(3)尽管ALOHA是一个相对复杂的计算机程序，但实际情况要复杂得多，ALOHA为了做出预测而按理想状态进行了一系列的假设，同时许多偶然发生的事情可能会影响气体云的扩散，但在ALOHA的计算中没有考虑到，因此利用ALOHA软件对环氧丙烷储罐泄漏模拟得出的是理论数值，与实际情况会有偏差。