基于PHAST軟件的化工廠液氨儲罐泄漏模擬

雷小佳

(湖南石油化工職業技術學院，湖南岳陽 414001)

液氨是一種無色液體，具有強烈刺激性氣味，在常溫常壓下氨為氣態，易溶于水、乙醇等，具有毒害性、燃爆性的特點。由于液氨泄漏后會迅速氣化，向周圍空間蔓延，在很短的時間內即可達到致人死亡的濃度，危害極大。氨氣具有燃爆性，與空氣混合能形成爆炸性氣體，遇火源能發生燃燒爆炸[1-3]。因此，國內外學者對此展開了研究。張杰等[4]運用SAFETI軟件對液氨儲罐發生連續性泄漏進行了模擬，計算了液氨泄漏事故的擴散距離及影響范圍。張倩玉[5]基于PHAST軟件對液氨儲罐泄漏事故進行了模擬，結論為隨著風速的增加，噴射火影響后果會逐漸減小。趙昆淇[6]對液化天然氣的泄漏擴散和火災爆炸情況進行了定量的計算和定性的影響分析。

PHAST軟件是一種多功能定量風險評估和危險性評價的計算軟件，該軟件計算準確度高，可以模擬泄漏、擴散、火災、爆炸等事故傷害模型，并且可以采用圖表的形式呈現不同事故狀態下的影響范圍。利用PHAST軟件對某化工廠的液氨泄漏后果進行模擬及定量評價，明確當液氨泄漏事件發生時的應急安全距離，使現場工作人員完成有效的自救和事故控制，以保證工作人員的生命安全和減少企業的財產損失[7-8]。

1 基礎參數

以某化工廠現場參數為基礎對液氨儲罐泄漏進行了模擬。該地區常年平均氣溫為10 ℃，平均風速為4 m/s，平均大氣濕度為75%，大氣穩定度為D。選取該化工廠內某條液氨儲罐管線進行事故模擬，模擬設定的事故參數如表1所示。

表1 事故參數表

根據點火時間的不同，會產生不同的事故后果。液氨發生泄漏之后，如果沒有遇到點火源，只是發生了擴散，人或其他動物進入擴散區域，則會產生中毒現象；如果泄漏之后立即點火，則會產生噴射火；如果泄漏之后隔一段時間遇到點火源，則泄漏的液氨氣體會形成蒸氣云，遇到點火源會發生爆炸或者閃火[9-12]。

2 模型建立

2.1 泄漏氣體擴散模型

采用UDM模型計算擴散過程，對于連續泄漏，其質量濃度c(x,y,δ)如公式(1)所示。

式中，c0(x)為中心線質量濃度，kg/m3；δ為煙羽中心線的距離，m；y為橫風向距離，m；lz(x)、ly(x)分別為質量濃度標準偏差的垂直、水平擴散參數，m；n(x)為質量濃度垂直分布函數指數；m(x)為質量濃度橫風向分布函數指數。

2.2 蒸氣云爆炸模型

TNT當量法和TNO(Multi-Energy)模型法是蒸氣云爆炸模擬方法中的2個典型模型。TNT當量法是把蒸氣云爆炸的破壞作用轉化為TNT爆炸的破壞作用，從而把蒸氣云的量轉化成TNT當量，TNT當量法模型如式(2)、式(3)、式(4)所示。

式中，WTNT為TNT的質量，kg；a為蒸氣云當量系數(統計平均值為0.04，占統計的60%)；W為蒸氣云中液氨氣體的質量，kg；Q為液氨的燃燒熱，J/kg；QTNT為TNT的爆炸熱，J/kg；R為某目標點距離爆炸中心的距離，m；z為R處的爆炸特征長度；Pi為R處的爆炸超壓峰值，Pa。

2.3 噴射火模型

噴射火半經驗模型包括“單點源”模型、“多點源”模型及“圓錐體”模型。其中單點源模型包括“APIRP521”模型、“Shell”模型。點源模型將噴射火焰看作是一系列點源沿著火焰長度方向周圍進行熱輻射，并且認為每一個點釋放的能量是相等的，點源模型有單點源模型和多點源模型2種分類。

在進行事故后果分析時，經常以噴射中心線上的5個或多個點熱源連接成的線來當做噴射火焰。據此與假定點熱源相距R0處的目標所受到的熱輻射強度Ii可由公式(5)計算。

對于多點源模型，其熱輻射強度I等于所有來自各點的熱源到該點熱源的熱輻射強度總和，可由公式(6)得。

3 判定事故傷害程度依據

3.1 熱通量準則

當液氨泄漏發生火災事故時，判定設備以及人員受傷害程度的標準采用熱輻射傷害準則，傷害準則如表2所示[2]。

表2 熱通量傷害準則

3.2 超壓準則

當液氨泄漏發生爆炸事故時，判定設備以及人員受傷害程度的標準采用沖擊波傷害準則，傷害準則如表3所示[3]。

表3 超壓級別與破壞程度的對應關系

4 事故場景模擬分析

采用PHAST軟件研究某化工廠液氨泄漏之后所造成的事故場景類型，在一定的風速條件下，分析災害演化過程特征及變化規律。

4.1 泄漏氣體擴散

將致死率分為4個等級，分別為0.1%、1%、10%、99%，對不同致死率等級進行毒氣擴散模擬，模擬結果如圖1所示。

圖1 液氨擴散后中毒劑量與下風方向距離關系

由圖1可見：在下風向距離294 m內，寬度總長為20 m內的內橢圓中致死率為99%；在下風向距離1 088 m內，寬度總長為64 m內藍色曲線與紫色曲線之間的橢圓范圍內的致死率為10%；液氨泄漏擴散之后影響的下風向最遠距離約為1 733 m，寬度為90 m，在該區域范圍內均有可能致人中毒，甚至死亡。因此，在液氨發生泄漏后，人員應該向下風向的兩側方向逃離，以避免最大程度的接觸泄漏的有毒氣體。

對液氨氣體在下風向擴散過程進行模擬，得到下風向不同距離的液氨泄漏當量濃度，如圖2所示。

圖2 液氨泄漏當量濃度與下風方向距離關系

由圖2可見：在20~200 m內，液氨泄漏的當量濃度較高。在下風向距離約25 m處當量濃度最高，此時致死概率為100%。在超過最高當量濃度之后，隨著下風向距離的增加，當量濃度逐漸降低且在1 700 m處達到最低，超過1 700 m后，可認為是安全范圍。因此，在液氨發生泄漏之后，人員應該逃離至1 700 m外，才能保證自身的安全。

4.2 噴射火

液氨發生泄漏之后如果遇到點火源并立即燃燒就會產生噴射火，噴射火熱輻射強度隨下風向距離產生的變化如圖3所示。

圖3 噴射火熱輻射強度與下風方向距離關系

由圖3可見：在下風向0~15 m內，熱輻射強度隨著距離的增加而逐漸增加，輻射強度由20 kW/m2增加至125 kW/m2，且增長速率較快。在下風向距離15~90 m內，一直維持在最高的熱輻射強度水平上，即熱輻射強度為125 kW/m2，此時致死率為100%。當下風向距離大于90 m時，熱輻射強度加速減小；在距離為107 m時，輻射值降至4 kW/m2。此時，對設備影響不大，對人員來說，持續20 s以上有痛感。可見，液氨發生泄漏之后產生噴射火時，距離超過107 m時，可認為是安全距離。

以熱通量傷害準則為依據分析噴射火對環境的破壞程度，噴射火輻射影響強度范圍見圖4。

圖4 噴射火熱輻射強度影響半徑

由圖4可見：在下風方向距離為45 m，側風方向18 m內，操作設備全部被破壞，人員停留10 s會有1%的死亡可能性，停留1 min絕對致死；在下風方向距離為45~48 m，側風方向18~36 m內，有火焰時導致木制設備燃燒，塑料設備開始熔化，人員停留10 s會受到1度燒傷，停留1 min會受到1%燒傷；在下風方向距離為48~57 m，側風方向36~72 m內，人員停留20 s以上有疼痛感覺。由圖4還可見：輻射強度37.5 kW/m2和12.5 kW/m2曲線呈橢圓形，輻射強度4 kW/m2曲線近似為圓形。隨著噴射火輻射強度的增大，其臨界曲線由橢圓轉變為圓形。因此，側風向熱輻射強度下降較快，人員應向此方向逃跑從而最大程度降低受傷程度。

4.3 蒸氣云爆炸

液氨泄漏之后隔一段時間遇到點火源，則泄漏的液氨氣體會形成蒸氣云，遇到點火源會發生爆炸或者閃火，爆炸沖擊波影響范圍如圖5所示。

圖5 爆炸沖擊波影響半徑

由圖5并依據表3沖擊波破壞程度可見：在距爆炸中心17 m內，重型機器遭到輕微破壞，房屋被摧毀，人員會致死；在距爆炸中心17~22 m內，墻和屋頂遭到重度破壞而局部倒塌，人員會受重傷；在距爆炸中心22~85 m內，10%的玻璃損壞，房屋輕度破壞，人員會受輕傷；在距爆炸中心大于85 m的區域為安全區域。因此，在影響半徑小于85 m內，應加強對設備設施及建筑物的保護，并采用相應的應急方案以保證人員和設備的安全。

5 結論

以某化工廠液氨儲罐為研究對象，基于PHAST軟件模擬了液氨泄漏的擴散、燃燒及爆炸過程，研究了液氨泄漏后園區氣體擴散中毒死亡情況、噴射火熱輻射影響范圍、蒸氣云爆炸沖擊波影響距離，得到如下結論。

1)在液氨泄漏之后，人員應該向下風向的兩側方向逃離，以避免最大程度的接觸泄漏的有毒氣體。人員應該逃離至1 700 m外，才能保證自身的安全。

2)在下風向0~15 m內，熱輻射強度隨著距離的增加而逐漸增加，輻射強度由20 kW/m2增加至125 kW/m2，且增長速率較快。當距離超過107 m時，為安全距離。

3)因液氨泄漏導致的蒸氣云爆炸，爆炸的影響半徑為85 m，當距離超過85 m時為安全距離，人員應盡可能逃離此范圍來保證自身安全。

4)僅分析了1個罐區發生事故后的災害后果，但在實際的過程中，還需考慮周圍的儲罐及設施設備對產生的毒氣、噴射火焰及爆炸沖擊波的影響。