基于风速风向对氯乙烯气柜泄漏事故模拟分析*

徐一旻 杨诗画 李亚莉

（1.武汉理工大学 安全科学与应急管理学院，武汉 430070；2.武汉理工大学 光纤传感技术国家工程实验室，武汉 430070）

0 引言

我国化工行业发展迅猛，许多产品的生产能力已经位居世界前列，如合成树脂、合成纤维、合成橡胶等，并且随着中国工业化进程的推进和后疫情时代的到来，我国有望从化工“大国”迈向化工“强国”，但随之而来的化学品生产、储运、销售中的安全形势也将面临更多挑战［1］。氯碱行业先后发生2018年“11·28”事故以及2019年“4·24”事故，2起事故均为氯乙烯气柜泄漏造成的火灾爆炸事故，其中“4·24”事故发生时有7级大风，属于极端环境下的爆燃事故，因此结合风的属性对泄漏事故进行研究对其有重要意义。

国内外学者也有结合风的属性对危化品泄漏事故进行研究，如姚娜等［2］运用CFD中流体力学数值模拟软件Fluent，模拟了不同风速对煤气泄漏扩散过程的影响，为煤气泄漏救援提供了安全撤离的依据；陈兵等［3］运用PHAST工艺危险源分析软件模拟不同风速时CO2管道泄漏后的CO2浓度变化与扩散距离，最终对管道建设及泄漏后的事故救援给予指导；刘禹等［4］基于ALOHA软件，模拟了不同风速条件下氯乙烯气罐造成的气体扩散及爆炸事故后果的影响情况，为事故处置提供参考；QIAN J Y等［5］基于氢气加气站对氢气泄漏扩散行为进行了数值研究，分析了泄漏位置和风效应对氢气泄漏和扩散的影响；吕伟等［6］考虑不确定性风况、扩散源位置和周边社会环境等多因素的影响，通过风向图信息量化风况发生的可能性，提出一种毒气泄漏扩散风险潜势图的构建方法。由此来看，国内外大部分学者研究的是不同风速下气体的泄漏情况，但是从风速风向2个维度对氯乙烯气柜的泄漏实时情况进行模拟并将泄漏范围呈现在卫星云图的方法较少，因此对氯乙烯气柜泄漏事故的研究迫在眉睫。

本文通过分析风速和风向对氯乙烯气体扩散的影响，结合2019年内蒙古某化工企业氯乙烯气柜泄漏事件，借助有害大气空中定位软件ALOHA模拟在不同风速和风向下氯乙烯泄漏引起的蒸汽云爆炸事故和毒气扩散事故，通过MARPLOT软件将泄漏危险区域在卫星云图中呈现，根据监测点的浓度变化提出相应的处置措施。

1 氯乙烯的理化性质及风对其扩散的影响

氯乙烯是一种无色、有醚样气味、有毒有害、易燃易爆的气体。它与空气混合后容易引发蒸汽云爆炸，燃爆限度为3.6%~33%，在其燃爆限度范围内遇点火源，会引发爆炸事故［7］，对人员和设备的损害十分巨大。

氯乙烯通常以气体的形式储存在气柜中，因此一旦氯乙烯气柜出现故障或者破裂等，氯乙烯就会泄漏至空气中［7］，而风会影响氯乙烯气体的扩散，进而对周围的人员、环境造成影响。风向决定着气体的主要扩散方向，风速的大小决定着气体扩散速率，因此在对氯乙烯气体泄漏进行分析的过程中，需综合考虑风速与风向的作用［8］。

2 ALOHA软件介绍及参数设置

2.1 ALOHA模拟软件简介

ALOHA（Areal Locations of Hazardous Atmospheres，有害大气空中定位软件）是一款能够模拟事故后果的软件，主要用于危险化学品泄漏事故后果风险分析研究，能够模拟一些典型的化学品在泄漏后发生有毒气体扩散、热辐射、爆炸爆破力以及在发生着火和爆炸之后的毒性［9］。通过在软件相应的地方选择泄漏物质、泄漏位置、大气状况等信息，可以模拟化学品在泄漏之后的有毒气体的扩散、爆炸、闪火、喷射火等危险事故，在模拟结束后以图表和文本的形式输出相应的计算结果。

2.2 ALOHA模拟参数的设置

在用软件进行模拟前，需要先输入模拟地区的基础数据，见表1。其次就是泄漏源的选择，由于气柜的泄漏与储罐或管道的泄漏不同，其泄漏主要原因是进气控制失效，气柜内的气体由钟罩与水封的缝隙向外泄漏，泄漏速率恒定，不受内部压力影响，所以选择直接源泄漏。

表1 模拟地区的基础数据

在参数设置时还要判断泄漏类型，是属于连续泄漏还是瞬时泄漏，连续泄漏形成的气云称为云羽，瞬时泄漏形成的气云称为云团［4］。根据事故资料可判断本文中的泄漏类型属于连续泄漏，在软件模拟时选择连续泄漏类型作为模拟的前提。

氯乙烯气柜可能引发的事故类型有负压爆炸事故和正压泄漏事故。负压爆炸事故产生的表面超压对人员及设备有严重危害，正压泄漏事故则会引发中毒、燃爆的事故链。查阅资料可知该事故是正压泄漏事故，由于氯乙烯比重比空气大，从气柜泄漏对外扩散的过程会向地面下降，极易引发人员中毒；当空气中的氯乙烯气体在其燃爆的浓度范围内遇点火源，会出现事故链的传播引发火灾、爆炸衍生事故［10］。因此本文研究氯乙烯气体泄漏后引发的蒸汽云爆炸和有毒气体扩散，在其他条件不变的情况下，改变风速和风向，对蒸汽云爆炸产生的冲击波作用范围以及毒气扩散范围的影响。

3 事故案例结果分析讨论

本文以内蒙古自治区某化工企业PVC车间发生爆燃事故为例，该企业建设规模为年产40万t聚氯乙烯（其中10万t糊树脂）、32万t烧碱、60万t电石及100万t水泥，是内蒙古自治区工业升级的重点项目，因此研究该化工企业对内蒙古的化工安全生产有重要意义。此次燃爆事故造成4人死亡、3人重伤、2人轻伤、30人轻微伤［11］。

3.1 蒸汽云爆炸冲击波影响范围模拟

氯乙烯气体泄漏后迅速与空气发生混合，达到其燃爆浓度，遇火源发生爆炸，冲击波超压区域内强大气流对周围建筑、设备、人员造成损毁和伤亡。在该事故中，氯乙烯从气柜的东北角处泄漏，之后遇到明火，发生爆炸，导致三氯乙烯车间和聚氯乙烯车间受损严重［11］。

蒸汽云爆炸的冲击波作用通过ALOHA模拟之后如图1所示。事故发生时，风速为7级，取风速为15 m/s。红色区域警戒线为r=34.75 m的圆形区域，超压冲击波超过55.160 kPa，会造成大型钢结构以及加工设备破坏，同时造成大量人员死亡。橙色警戒线是以r=52.12 m为半径的圆形区域，冲击波压力大于24.133 kPa，此区域冲击波压力会损坏建筑物外表。黄色警戒线覆盖面积较大，呈现以r=116.13 m为半径的圆形区域，冲击波压力达到6.895 kPa以上，会引起受压面玻璃大部分破碎导致不安全事故发生。

3.2 氯乙烯气体扩散事故影响范围模拟

氯乙烯泄漏时由于气化作用，变成气体向四周扩散，会导致中毒事故的发生。事故发生时的氯乙烯泄漏导致的中毒范围如图2所示，在距离泄漏点136.25 m的范围内，60 min内氯乙烯的体积分数达到4.8×10-3以上，在该区域内，若人员无任何防护措施并未及时撤离，短时间吸入大量氯乙烯，对人体造成不可逆转毒性危害，表现为肝脏损伤、麻痹无意识等危害，故一旦发生泄漏事故，此范围禁止人员停留，应立即采取强制疏散措施。距离泄漏点311.81 m的范围内，60 min内氯乙烯的体积分数为1.2×10-3以上，处于较危险水平，若不及时撤离，对暴露在该区域的人员造成可逆转毒性危害，表现为头晕、头痛、乏力、胸闷等。距离泄漏点747.98 m的范围内，60 min内氯乙烯的体积分数为0.25×10-3以上，该区域影响范围广阔，应设置警戒线禁止无关人员进入。

4 风速风向对事故后果的影响

事故发生时风力达7~8级，是很罕见的大风天气，并且发生泄漏的氯乙烯气柜周围存在其他建筑物。本文以化工厂区西北方向的某个村庄和电石冷却库为监测点（如图3所示），结合当地多年的风力和风向数据，研究氯乙烯气柜泄漏产生的影响。通过查阅事故当地的气象资料，得到了自2011.1.1—2021.9.1的这11年的风力和风向的数据，如表2—表3所示［12］。

表3 近11年风向

4.1 风速对事故后果的影响情况

通过ALOHA软件模拟如表1的风速，分析氯乙烯气柜泄漏造成的有毒气体扩散和蒸汽云爆炸危害影响范围随风速改变的情况，见图4。

氯乙烯毒气扩散和爆炸影响范围最大的是在风速为1级风时，毒气扩散最远距离可达到1 394.46 m，爆炸的最远距离可达到383.13 m。氯乙烯毒气的扩散范围和蒸汽云爆炸影响范围随着风速的增大而减小，当风速小于4 m/s时（3级风），毒气扩散范围下降的速度最快，然后下降速度趋于平缓；当风速在2~5.7 m/s时，蒸汽云爆炸影响范围下降速度最快，然后趋于平缓。这是因为保持其他因素不变，随着风速增大、气体泄漏的进行，气体的空间浓度分布达到稳态，即使继续泄漏，气体可燃爆的空间范围与空间体积不再发生变化［13］，燃爆能量达到极大值后不再增加。因此，氯乙烯气体的毒性和蒸气云团的爆炸威胁范围变小。

4.2 风向对事故后果的影响情况

在改变风速的基础上改变风向，通过ALOHA软件模拟可知：改变风向并不会影响蒸汽云爆炸和有毒气体扩散范围的大小，但会影响作用范围，因此结合研究点进行相关的分析。

对于电石冷却库，当风向为西风、西北风和西南风3个风向时，很容易达到氯乙烯的爆炸极限，并且该地冬季和春季多西风和西北风，加之电石冷却库常堆放有温度达1 000℃的电石，因此氯乙烯泄漏后极易发生燃爆事故（室外监测浓度变化见图5，监测点位于泄漏点东338.328 m、北54.864 m）。

经过ALOHA软件模拟，当风向为东南风时，氯乙烯会扩散至厂区西北方向的某村庄（监测点浓度变化如图6所示，监测点位于泄漏点以西246.888 m、以北73.152 m），极易发生人员中毒伤亡事故，若遇明火，会发生燃爆事故。

5 应急管理

1）极端天气（雷雨或7级以上大风天气）情况下应加大现场巡检频次，巡检时间间隔不超过1 h，查看气柜本体是否有裂纹、变形、泄漏等问题，同时做好记录，保证气柜安全运行。

2）DCS系统应设置报警压力极限范围，并设高低限声光报警。当压力不在极限范围内时，发出警报，立即组织相关人员现场查看，严格按照《氯乙烯气柜安全运行规程》（T/CCASC100—2020）进行处理。

3）根据ALOHA软件模拟结果可知，风速风向会影响事故后果，因此在厂区内需要对两者进行监测。在氯乙烯气柜和其他大型储罐周围安装风速风向仪，帮助厂区工作人员对环境中的风向风速进行定性、定量的科学分析。

4）氯乙烯爆炸极限范围大，一旦泄漏就会造成严重的事故后果。由电石冷却库的氯乙烯浓度变化可知，极易达到其爆炸极限，因此在该车间以及其他有高温明火的区域设置浓度报警器，一旦报警器报警，各车间人员应立即停止工作，疏散至安全区域。

5）根据图6可知，当风向为东南风时，村庄的氯乙烯浓度已超过美国环境署规定的急性暴露指导水平（AEGL）［14］，在此浓度下会出现危及生命的影响或死亡，因此将氯乙烯浓度达到致命伤害值的区域设置为第一警戒区，进行人员抢救和疏散及氯乙烯气柜的抢修；将氯乙烯浓度到达严重伤害值的区域设置为第二警戒区，进行人员疏散和洗消工作；氯乙烯浓度达到轻度伤害值的区域设置为第三警戒区，阻止无关人员及车辆进入事故现场。

6）根据实地拟合的结果制定合理的人员疏散和救援路线，编制应急预案并进行演习，当事故发生后能减轻对人、财产和环境造成的影响。

6 结论

根据氯乙烯泄漏造成的不同事故后果以及不同风速及风向下的事故影响范围，对相似化工园区的安全有借鉴意义，应以最大事故影响范围作为参考标准；其次爆炸的发生是因为遇到火源，因此对火源的把控是安全监管的重中之重；同时氯碱行业中氯乙烯气柜的使用要严格遵守《氯乙烯气柜安全运行规程》，及时检查气柜的运行情况，重点加强现有气柜运行工艺的安全措施、自动化监控水平、人员操作水平，从而降低气柜运行风险。