基于情景構(gòu)建的火力發(fā)電廠液氨泄露擴(kuò)散事故的安全風(fēng)險(xiǎn)評估研究

賈明松 周 凡

(1、華能長春熱電廠，吉林 長春130000 2、華能吉林發(fā)電有限公司，吉林 長春130216)

華能長春熱電廠采用哈爾濱鍋爐廠制造的SCR 原理脫硝裝置，催化劑及噴氨口位于省煤器與空氣預(yù)熱器之間的尾部煙道。氨儲存單元為氨區(qū)的2 臺65m3液氨儲罐，連接SCR 區(qū)域和氨區(qū)的氨氣管道系統(tǒng)布置在廠區(qū)的綜合管架上。液氨通過液氨槽車運(yùn)送到裝卸區(qū)域，通過槽車與液氨儲罐間的管道和壓縮機(jī)將液氨輸送到液氨儲罐中，使用液氨泵將液氨輸送到蒸發(fā)器內(nèi)，通過蒸汽將液氨蒸發(fā)為氨氣，再利用氨氣緩沖罐進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，使用專用管道把氨氣輸送至脫硝噴氨口。通過探索發(fā)現(xiàn)液氨泄漏、擴(kuò)散等重大突發(fā)事件，構(gòu)建電廠液氨泄漏、擴(kuò)散重大事故情景，可以提高企業(yè)面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)和應(yīng)急處置項(xiàng)目的應(yīng)急響應(yīng)效率，提升火電廠液氨泄漏重大事故的應(yīng)對能力。

1 情景構(gòu)建應(yīng)用

1.1 情景分析

通過分析我國2007-2018 年危險(xiǎn)化學(xué)品各環(huán)節(jié)事故數(shù)和死亡人數(shù)可知，我國危險(xiǎn)化學(xué)品各環(huán)節(jié)事故次數(shù)與死亡人數(shù)在2007-2018 年處于整體下降趨勢，在2016 與2018 年危險(xiǎn)化學(xué)品各環(huán)節(jié)事故次數(shù)與死亡人數(shù)突變，急劇增多。其中，2016 年發(fā)生事故220 起，造成230 人死亡；2017 年發(fā)生事故218 起，造成271 人死亡。本文通過對液氨泄漏生產(chǎn)安全事故的調(diào)研分析可知：

a.氨氣較空氣輕，易形成氨霧，流動性強(qiáng)，流向快；b.低濃度氨氣泄露到空氣中時(shí)，作業(yè)人員能夠聞到氨的臭味會迅速撤離；高濃度氨氣泄露到空氣中時(shí)，作業(yè)人員會吸入對人身致傷的氨，受傷人員不能及時(shí)撤離。當(dāng)吸入一定濃度的氨后，會導(dǎo)致傷者呼吸系統(tǒng)水腫，呼吸道水腫會令人窒息，甚至導(dǎo)致死亡；c.如果液氨發(fā)生泄露，當(dāng)氣壓在0 MPa 時(shí)，發(fā)生溫度驟然降低，溫度會低至零下33 ℃，液氨在接觸人的皮膚后，會在接觸位置造成凍傷；d.受傷者吸入大量的氨后，會神志不清，難以自救，救援人員受現(xiàn)場實(shí)際情況和畏懼心理作用，增加救援難度；e.無論是液氨還是氨氣發(fā)生泄露后，會迅速擴(kuò)散，影響到廠區(qū)周邊區(qū)域，造成嚴(yán)重的社會影響，使得企業(yè)形象受損。

1.2 模擬計(jì)算

以泄漏場景不同，在溫度為-33.40 ℃時(shí)，分別建立四種氨儲罐模型，泄漏擴(kuò)散效果如圖1 所示。

圖1 氨儲罐泄漏擴(kuò)散圖

當(dāng)泄漏隨時(shí)間變化時(shí)，泄漏口徑分別為5mm 時(shí)的小孔泄漏模型、25mm 的中空泄漏模型、100mm 的大孔泄漏模型；當(dāng)泄漏為瞬時(shí)，災(zāi)難性破裂模型。通過模擬計(jì)算氨儲罐泄漏后的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)場景為小孔泄漏模型時(shí)，材料液體質(zhì)量百分率為80.64%，液滴直徑為68.64 um，速度為274.14m/s；當(dāng)場景為中空泄漏模型時(shí)，材料液體質(zhì)量百分率為80.12%，液滴直徑為73.24um，速度為265.15m/s；當(dāng)場景為大孔泄漏模型時(shí)，材料液體質(zhì)量百分率為82.41%，液滴直徑為84.89um，速度為244.63m/s；當(dāng)場景為災(zāi)難性破裂模型時(shí)，材料液體質(zhì)量百分率為80.55%，液滴直徑為59.39um，速度為265.70m/s。通過模擬計(jì)算氨儲罐泄漏后擴(kuò)散的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)場景為小孔泄漏模型時(shí)，至UFL 的平均距離為1.40m，至LFL 的平均距離為2.26m；當(dāng)場景為中空泄漏模型時(shí)，至UFL 的平均距離為6.36m，至LFL的平均距離為8.16m；當(dāng)場景為大孔泄漏模型時(shí)，至UFL 的平均距離為8.90m，至LFL 的平均距離為15.02m；當(dāng)場景為災(zāi)難性破裂模型時(shí)，至UFL 的平均距離為32.71m，至LFL 的平均距離為45.59m。

1.3 情景演化路線分析

本文情景模擬的事故主體為華能吉林發(fā)電有限公司長春熱電廠，現(xiàn)場人員100 人；相關(guān)方為農(nóng)安縣應(yīng)急局，現(xiàn)場人員1000人。篩選的情景事件如表1 所示，并對其展開分析。

表1 情景事件

1.3.1 情景1：液氨泄露。液氨迅速氣化成氨氣，開始向四周擴(kuò)散。氨氣密度低于空氣，擴(kuò)散速度極快，如果遇上大風(fēng)天氣，不但加快擴(kuò)散的速度，還會加快液氨的氣化速度。如果不能在第一時(shí)間采取有效控制措施，由于其具有刺激性氣味和毒性，擴(kuò)散至周邊人員聚集區(qū)，容易引起群死群傷事故。

1.3.2 情景2：氨氣發(fā)生泄露后，由于其具有可燃性，爆炸極限在16%-25%之間。周邊環(huán)境中出現(xiàn)明火、火花，就會引燃氨氣，達(dá)到爆炸極限條件時(shí)，甚至?xí)l(fā)爆炸。壓力容器內(nèi)的蒸發(fā)后氨氣如被引燃會形成噴射火，引燃周邊易燃物，甚至損毀設(shè)備設(shè)施。由于破口位置的溫度升高，會加速液氨氣化，隨著罐內(nèi)液氨在容器內(nèi)流動，在圍堰內(nèi)形成池火。管內(nèi)液體存量越大、壓力越大、持續(xù)時(shí)間越長池火危害性越大。火災(zāi)會使人員受到傷害，設(shè)備設(shè)施被引燃致使火災(zāi)蔓延。

1.3.3 情景3：液氨持續(xù)蒸發(fā)，氨氣持續(xù)擴(kuò)散。氨氣形成的蒸汽云團(tuán)隨風(fēng)擴(kuò)散。一旦被引燃，在該區(qū)域會發(fā)生閃爆，閃爆會引燃圍堰內(nèi)流出的液氨蒸發(fā)氣體形成池火。燃爆產(chǎn)生的沖擊波會傷害該區(qū)域的現(xiàn)有人員，同時(shí)造成設(shè)備設(shè)施損壞。

2 事故模擬及應(yīng)對行為

因2 號儲罐前側(cè)安全閥需要更換，共3 名檢修人員，其中，2名檢修人員正在罐頂平臺拆卸安全閥，另1 名在下面準(zhǔn)備接應(yīng)。螺栓全部拆卸完成，2 人合力試圖將安全閥移動至工作平臺，因密封面粘住難以移動，用力過猛且脫手，安全閥穿過工作平臺跌落，砸中1 號儲罐底部液相引出管，致使該管道和液氨儲罐之間的焊縫處發(fā)生斷裂，液氨延裂縫噴出，液氨發(fā)生泄漏。此時(shí)，作業(yè)人員立即捂住口鼻，互相攙扶，沿上風(fēng)向進(jìn)行撤離。

2 分鐘后，生產(chǎn)集控室通過報(bào)警信號和報(bào)警電話接到泄漏報(bào)警，派出運(yùn)行人員3 人前往現(xiàn)場進(jìn)行查看，人員到達(dá)現(xiàn)場后，確認(rèn)1 號罐底液相管和液氨儲罐之間焊縫斷裂，看到液氨噴射出3 至5 米。此時(shí)，a.現(xiàn)場作業(yè)人員立即進(jìn)行自救和互救，延上風(fēng)向向圍堰外撤離；b.穿好防化服，進(jìn)入氨區(qū)，幫助受傷人員撤離；c. 運(yùn)行人員將現(xiàn)場看情況匯報(bào)當(dāng)班值長和部門負(fù)責(zé)人；d.立即組織廠內(nèi)救援人員趕到現(xiàn)場，開展現(xiàn)場救援工作。

5 分鐘后，經(jīng)過觀察和現(xiàn)場分析確定短時(shí)間內(nèi)無法控制液氨噴射狀泄露。此時(shí)，已經(jīng)逐級匯報(bào)，電廠主要負(fù)責(zé)人立即宣布啟動二級應(yīng)急響應(yīng)，在生產(chǎn)會議室成立應(yīng)急指揮部，各工作組人員趕到現(xiàn)場組織救援與搶險(xiǎn)工作；各應(yīng)急工作組進(jìn)入狀態(tài)，按照應(yīng)急預(yù)案，開展應(yīng)急工作，運(yùn)行人員將脫硝系統(tǒng)緊急停車。

10 分鐘后，應(yīng)急指揮部組織專業(yè)技術(shù)人員推算氨氣擴(kuò)散范圍，經(jīng)分析目前不能有效控制氣體擴(kuò)散，氣體將隨時(shí)間推移持續(xù)擴(kuò)散。(模擬中毒傷害范圍約50m，受影響區(qū)域約1000m)。此時(shí)，應(yīng)急指揮部下達(dá)命令要求立即采取控制氨氣擴(kuò)散措施：a.工藝控制：維持消防水壓力，確保水噴淋持續(xù)噴淋，通過排放稀釋、倒罐轉(zhuǎn)運(yùn)操作等有效措施，降低氨氣濃度和減少故障儲罐液氨存量；b.防范措施：立即組織氨區(qū)周邊作業(yè)人員有序撤離，設(shè)置警戒區(qū)域防止火災(zāi)傷害，利用消防水槍對火災(zāi)附近區(qū)域進(jìn)行降溫和稀釋氨氣等應(yīng)急措施，應(yīng)急處置人員對受傷人員進(jìn)行現(xiàn)場救治，同時(shí)維持好現(xiàn)場治安等。c.應(yīng)急指揮部宣布啟動一級響應(yīng)，上報(bào)地方政府，撥打110、119、120 電話請求社會救援，請求公安部門協(xié)助疏散廠區(qū)周邊人員。

30 分鐘后，倒罐轉(zhuǎn)運(yùn)操作起到作用，泄露量持續(xù)減少，氨氣擴(kuò)散到空氣中的濃度持續(xù)降低。氨氣泄露和擴(kuò)散引發(fā)的危害范圍得到有效控制和減小。各應(yīng)急小組將指揮部各項(xiàng)指令逐一落實(shí)，消防車對液氨儲罐持續(xù)進(jìn)行噴淋。應(yīng)急工作組對氨區(qū)周邊進(jìn)行警戒和物資調(diào)配等相關(guān)工作持續(xù)開展，衍生災(zāi)害已經(jīng)得到有效控制。

70 分鐘后，圍堰和泄露儲罐內(nèi)的液氨已經(jīng)被稀釋和燃燒盡。觀察現(xiàn)場警戒范圍內(nèi)空氣中氨氣濃度持續(xù)下降。此時(shí)逐步恢復(fù)部分應(yīng)急措施：a.停止氨區(qū)外的消防車噴水，消防隊(duì)撤離；b.工作組將不同程度受傷的50 人送往醫(yī)院進(jìn)行救治，同時(shí)配合120 急救人員將受傷人員送往醫(yī)院就醫(yī)，經(jīng)確認(rèn)2 人當(dāng)場死亡，2 人重度燒傷，2 人重度中毒，44 人輕微中毒。其余人員進(jìn)行現(xiàn)場醫(yī)療救治后，進(jìn)行相關(guān)善后處置。

在發(fā)出應(yīng)急信息后，開展災(zāi)后處置：a.通知廠區(qū)周邊受影響的村莊、單位和公安部門撤銷警戒區(qū)域；b.安撫死亡人員家屬，洽談賠償事宜，安撫受傷人員；c.對周邊村莊村民進(jìn)行解釋和補(bǔ)償；d.開展事故調(diào)查，對應(yīng)急救援工作進(jìn)行評估。發(fā)出應(yīng)急信息之后2-4 天，開展災(zāi)后恢復(fù)生產(chǎn)和氨區(qū)重建：a.處置人員進(jìn)行該區(qū)域的全面檢查和清理；b.制定和實(shí)施設(shè)備設(shè)施的維修方案，進(jìn)行施工檢修。發(fā)出應(yīng)急信息之后第5 天，完全恢復(fù)生產(chǎn)：修復(fù)驗(yàn)收，置換恢復(fù)，投入正常生產(chǎn)。

3 結(jié)論

根據(jù)情景構(gòu)建工作成果，對火力發(fā)電廠脫硝液氨泄露專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案修訂提供科學(xué)依據(jù)，完成專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案編制工作，通過完善安全風(fēng)險(xiǎn)分析準(zhǔn)備，提升安全風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對能力。根據(jù)情景構(gòu)建及安全風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果，細(xì)化了現(xiàn)場處置方案，完善與當(dāng)?shù)卣跋嚓P(guān)企業(yè)的應(yīng)急聯(lián)動機(jī)制。實(shí)現(xiàn)了情景構(gòu)建技術(shù)在火力發(fā)電廠的首次應(yīng)用，提升了發(fā)電企業(yè)典型生產(chǎn)安全事故預(yù)防與風(fēng)險(xiǎn)評估能力，促進(jìn)了企業(yè)重大突發(fā)事件安全管理水平的提升。基于數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)模擬事故后果定量分析，構(gòu)建液氨突發(fā)事件典型情景，明確了情景關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的相關(guān)應(yīng)急任務(wù)，驗(yàn)證了液氨泄漏事故發(fā)生的機(jī)理和構(gòu)建的情景，為提升應(yīng)急能力提供技術(shù)支撐。