基于QRA的易燃液體儲罐區火災事故后果數值模擬

張樂波(上海茸一檢測技術有限公司，上海 201600)

0 引言

化工企業火災、爆炸危險性較大，幾乎均配備了儲存危險化學品易燃液體的倉庫或儲罐，其中儲罐儲存以配套防火堤的儲罐區存在。2018年和2019年，由國家應急管理部提出并歸口，國家市場監督局先后頒布了《危險化學品生產裝置和儲存設施風險基準》[1]和《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定》[2]，確定了新的社會風險基準和個人風險值基準，且安全防護距離根據個人風險等值線和社會風險F-N曲線確定的原則。在此背景下，易燃液體儲罐區火災事故后果運用定量風險分析模型(QRA)進行數值模擬需要進行修正，得出的結論更為可靠。

1 儲罐區火災定量風險分析模型事故后果模擬的影響因素

易燃液體儲罐區突發事故發生的持續時間、應急救援到達時間等都不能提前確定，但可以根據儲罐區事故有其特有的規律性和場景模擬，分析事故發生的情況。根據分析，決定易燃液體儲罐事故后果的主要影響因素包括下面內容。

1.1 氣象條件

不同的化工生產裝置或儲存設施，以及裝置、設施內介質，影響定量風險分析模型(QRA)氣象條件和影響權重不同。排除特殊天氣，影響易燃液體儲罐事故后果的氣象條件主要考慮4個因素的影響：一是地面類型，即建筑物密集程度、高度和占地比等可以改變局部大氣狀況的因子；二是發生事故期間日照強度及發生事故時的溫度；三是事故發生時的環境大氣狀況，包括大氣環境壓力、環境大氣密度和環境平均風速；四是風向玫瑰圖。除以上影響因素外，大氣穩定度、空氣濕度、建筑物平面布置和豎向布置等參數，也是影響事故后的氣象條件因素或影響氣象條件的因素。

1.2 區域人口密度

在易燃液體儲罐的火災事故后果定量風險分析模型中，防護目標的重要性指標是由其總建筑面積、使用性質和高峰人數組成。因此，事故發生后，周邊區域人口密度是影響事故后果的主要參數。若對廠區或園區進行事故后果模擬，區域人口密度取廠區或園區的人口密度；若數值模擬的目的是為了評估特定防護目標是否超過風險基準，可以罐區和該特定防護目標間連線為半徑，經過調查分析，得出區域人口密度。

1.3 多米諾效應

事故后果評估在分析成組儲罐的事故風險時，一般針對單個儲罐采用池火災(pool f ire)模型進行計算，假定易燃液體瞬間以防火堤幾何中心為圓點，根據防火堤面積折算出圓半徑，分別對儲罐區的單個儲罐發生池火災(pool f ire)事故后果進行數值模擬。池火災(pool f ire)模型往往只針對單個儲罐，而成組儲存的易燃液體儲罐，在單個儲罐發生火災后，由連鎖效應引發的儲罐區火災，事故后果和影響范圍超過單個儲罐，此時如未考慮各儲罐間的多米諾效應得出的計算結果，無法準確反映事故后果產生的社會風險和個人風險。

1.4 泄漏方式及泄漏源強

易燃液體儲罐一般使用固定的常壓容器和儲罐，采用立式或臥式圓柱形常壓儲罐[3]。其泄漏方式分為4種，單層儲罐和雙層儲罐泄漏方式不同。其中，單層儲罐有泄漏到大氣中—小孔泄漏、泄漏到大氣中—中孔泄漏、泄漏到大氣中—大孔泄漏、泄漏到大氣中—完全破裂4種；雙層儲罐分為泄漏到外罐中—小孔泄漏、泄漏到外罐中—中孔泄漏、泄漏到外罐中—大孔泄漏、泄漏到大氣中—完全破裂4種。泄漏源強是指一開始泄漏瞬間的壓強，根據泄漏方式計算出泄漏面積，根據泄漏位置、儲罐液位的高度計算出泄漏壓力，最終得出泄漏源瞬間壓強。

1.5 事故類型

易燃液體儲罐區域定量風險分析模型數值模擬采用池火災(Pool Fire)事故類型和蒸氣云(UVCE)爆炸類型，分別根據事故類型可能發生的概率確定。兩者概率相同，則分別進行計算；兩者同時發生的概率較大，則模擬池火災(pool f ire)和蒸氣云(UVCE)爆炸模型同時發生的情況下進行數值計算。

1.6 其他參數

除以上所述影響因子外，儲罐區各儲罐儲存的介質—易燃液體本身的理化特性也是影響事故后果數值模擬的重要參數。易燃液體是指閃點小于60 ℃液體[4]，生產火災性和儲存火災危險性均定義為甲類和乙類。對定量風險分析模型火災事故后果有決定性的易燃液體理化特性主要有閃點、燃燒熱、密度等，此外，粘稠度也是決定事故后果的理化特性因子。

2 事故后果影響定量風險分析模型(QRA)

事故后果影響定量風險分析模型(QRA)也稱概率風險模型，即使用概率風險值來量化事故后果，如社會風險概率值、個人風險概率值等。根據模型可以描述出社會風險和個人風險的概率等值線(范圍)，來確定新建、在役裝置或儲存設施發生事故后對周邊防護目標產生的威脅是否可以承受。其中社會風險值是表征區域范圍內的風險概率，個人風險值是表征事故作用于防護目標點的風險概率。定量風險分析模型分析軟件是利用本身的數據庫資料進行統計分析，建立模型，對事故后果進行預測。

目前，國內火災事故后果影響定量風險分析模型分析軟件主要有CASST-QRA、RC-QRA、SAFETI-QTA等軟件。經試用，截至到2021年3月，上述軟件均根據GB 36894—2018《危險化學品生產裝置和儲存設施風險基準》進行了數據更新。

文章對模型采用的標準值和輸出內容進行說明，為了能更精確的進行描述和便于閱讀者理解，對個人風險基準和社會風險基準使用了不同的描述。

2.1 個人風險和社會風險

先通過固定常壓儲罐的泄漏火災事故場景進行數值模擬，然后考慮多米諾效應描繪出社會風險曲線，確定該曲線未落在不可容許區；再通過對易燃液體儲罐區火災事故后果進行數值模擬，描繪出該儲罐區發生火災后個人風險等值線，然后對比兩個一類防護目標是否進入個人風險基準覆蓋范圍。

2.1.1 個人可接受風險基準

個人可接受風險基準是各年齡段死亡率最低值乘以風險控制系數得出。中國香港、中國大陸、英國、荷蘭、澳大利亞、馬來西亞、新加坡等不同國家和地區均根據國情和地方情況制定了個人風險基準。其中，對新建裝置或儲存設施的基準值均比在役裝置嚴格，中國僅制定了危險化學品重大危險源的個人風險基準。不同國家或地區以醫院、居住區、商業區為例個人可接受風險值的情況如圖1所示。數據主要收集于國家應急管理部2014年6月27日網站，鏈接為https://www.mem.gov.cn/gk/zcjd/201406/t20140627_233065.shtml，以及《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》等文件。

圖1 不同國家和地區個人可接受風險值對比圖

國家應急管理部先后于2014年和2018年提出課題，將個人風險基準和社會風險基準應用到所有危險化學品生產裝置和儲存設施。在調研橫向對比國外資料及縱向總結國內沿用的數據后，2018年國家市場監督局頒布了GB 36894—2018《危險化學品生產裝置和儲存設施風險基準》，正式成為國家標準。該標準將個人風險基準值執行范圍從新建生產裝置或儲存設施擴展到新建、改建、擴建3類建設項目；將防護目標分為高敏感、重要、一般3種；對一般防護目標中醫院、居住區、商業區等11個場景，根據總建筑面積、高峰時人的數量劃分為3類。中國現行個人風險基準值對比如圖2所示。數據主要采集于全國標準信息公共服務平臺，鏈接為http://std.samr.gov.cn/gb/search/gbDetailed?id=7AC3075CD343B4B1E05397BE0A0AC4DE。

圖2 中國現行個人風險基準值對比圖

2.1.2 社會可接受風險基準

社會可接受風險基準用累積頻率和死亡人數之間的關系曲線(F-N曲線)表示，我國從2011年制定社會風險基準以來，采用的是中國(香港)的社會可接受風險基準，并根據國情于2018年，擴展了不可接受區范圍，對可能造成1000人死亡的社會風險實行零容忍，新的風險基準尚待實際工作中進行驗證。我國與其他國家社會風險基準相比，處于中等水平，具體對比如圖3所示。

圖3 中國與其他國家社會可接受風險基準值對比圖

數據主要收集于國家應急管理部2014年6月27日網站，鏈接為：https://www.mem.gov.cn/gk/zcjd/201406/t20140627_233065.shtml以及GB 36894—2018等國家標準。

2.2 安全防護距離

安全防護距離是指防護目標(具體分類見本文2.1.1節圖2)在定量風險分析模型進行數值模擬能夠波及到的范圍內，且個人風險和社會風險均可接受的距離。經數值模擬，防護目標位于安全防護距離內，其社會風險落入盡可能降低區，還應采取安全措施，降低對防護目標的事故后果影響。

2.3 模型定量評估方法的選用

定量安全評估模型根據定量結果類別不同，分為概率風險分析法、傷害(或破壞)范圍分析法和危險指數分析法[5]。實際應用過程中，易燃氣體選用蒸氣云(UVCE)爆炸事故模型，有毒氣體選用有毒有害物質泄漏擴散事故模型，壓力容器選用易燃液體選用池火災(pool f ire)或蒸氣云(UVCE)爆炸模型最為適用。易燃液體常選用池火災(pool f ire)或蒸氣云(UVCE)爆炸沖擊波模型屬于傷害(或破壞)范圍分析法。事故后果影響定量風險分析模型(QRA)采用的是概率風險分析法和傷害(或破壞)范圍分析法相結合。

2.4 多米諾效應

單個生產裝置或儲存設施，只考慮個體即可。整個易燃液體儲罐區域發生火災事故，還要考慮多米諾效應，即考慮個體與個體之間的鏈式傳播引起的連鎖反應，以及對事故影響范圍起到增幅作用。

3 實證分析

為驗證模型的實際應用，選取筆者實際工作中接觸到的案例進行數值模擬計算，根據信息保密原則，對儲罐介質和相關數據進行了處理，本文的結論不適用于該案例涉及的企業，也不能作為第三方評價機構評估依據和行政監察執法依據。

3.1 分析軟件和案例

選用RC-QRA定量分析軟件，選取上海市某化工園區內的危險化學品生產企業的在役儲罐區進行火災事故后果場景模擬，針對周邊300 m內兩個防護目標進行數值模擬計算，得出結論：該罐區發生火災事故，結果是否超過區域內的風險容量，明確該危險化學品儲存罐區是否可以保留。

3.2 模擬數據分析

3.2.1 易燃液體儲罐區

儲罐區儲罐初始數據表如表1所示。

表1 儲罐區儲罐初始數據表

3.2.2 區域人口及防護目標調查結果

初步調查300 m內的防護目標，區域范圍內涉及2家化工企業、1個園區管委會辦公樓和一個創業辦公園區，共計500人。儲罐區北側為創新創業園，目前有19家企業，工作日高峰期園區人員可達200人，因此列為一般防護目標一類；東側為工業區管委會辦公建筑，工作日高峰期園區人員50人，因此列為一般防護目標二類。

3.3 火災事故后果數值模擬輸出

使用RC-QRA分析軟件進行數值模擬，得出個人風險值和社會風險值，并在考慮多米諾效應的情況下進行對比。

3.3.1 個人風險輸出結果

將風險等級分為六級，一級風險基準為3×10-5、二級風險基準為1×10-5、三級風險基準為3×10-6、四級風險基準為1×10-6、五級風險基準為4×10-7、六級風險基準為1×10-7。數值模擬中參照為A點和B點，若兩者落入個人風險基準等值線內，則該易燃液體儲罐區個人風險不可接受。

根據個人風險輸出結果：若不考慮多米諾效應進行數值模擬計算，一級風險(＜3×10-5)等值線影響范圍基本在本廠區內建構筑物；考慮多米諾效應進行數值模擬計算，一級風險等值線影響范圍包括了鄰廠的建構筑物?？紤]多米諾效應和不考慮多米諾效應兩種情況下進行數值模擬，三級風險(＜3×10-6)等值線都未影響一般防護目標一類(A)；考慮多米諾效應與否，二級風險(＜1×10-5)等值線都未影響一般防護目標二類(B)。兩種不同情況下的個人風險等值線輸出結果如圖4所示。

圖4 個人風險等值線輸出結果圖

3.3.2 社會風險輸出結果及分析

社會風險可接受基準采用ALARP(As Low As Reasonable Practice)原則，劃分為3個區域，即不可接受區、盡可能降低區、可接受區。若社會風險曲線落入不可接受區，該易燃液體儲罐區整體社會風險不可接受。

根據社會風險輸出結果：在不考慮多米諾效應的情況下進行數值模擬分析，整體社會風險落入盡可能降低區和可接受區；在考慮多米諾響應的情況下，整體社會風險在不可接受區域、盡可能降低區和可接受區均有分布。社會風險分布區域輸出結果圖如圖5所示。

圖5 社會風險分布區域輸出結果圖

3.4 數值模擬結果分析

儲罐區使用定量分析模型(QRA)進行個人風險模擬。經計算，防護目標一類(A點)、防護目標二類(B點)均為三級風險(＜3×10-6)和四級風險(＜3×10-7)等值線外，該罐區屬于在役或新改擴項目時個人風險均可接受；經社會風險模擬數值計算，在考慮多米諾效應的狀態下，社會風險部分落入不可接受區。該儲罐區出現的火災事故，發生多米諾效應的概率存在，罐區社會風險不可接受。該易燃儲罐區的分析模型(QRA)事故后果模擬計算結果為社會風險不可接受。

模擬計算中增加多米諾效應的影響因素，個人風險等值線覆蓋范圍擴大，防護目標計算的個人風險值增大。整體模擬結論由符合改變為不符合，綜合項目情況，采納多米諾效應影響下的數值模擬結果。

4 結語

易燃液體儲罐區的定量風險分析模型(QRA)采用概率風險分析法和傷害(或破壞)范圍分析法兩種方法相結合的方式，在考慮儲罐間多米諾效應的情況時，用事故后果數值模擬預測事故的風險程度。本文采用的模型涵蓋了事故發生后影響事故后果的大多數影響因素，并根據新的個人風險和社會風險基準進行了修正，本方法可以作為應急管理部門評估新建、改建、擴建項目及在役項目超過區域安全風險容量；并為新標準的研究和應用起到了推動作用。

在分析過程中發現，我國將“千人死亡率可接受社會風險基準定義為0”不符合概率統計學原則，尚待實際應用過程中驗證或修正。

模型可以在危險化學品生產裝置和儲存設施新建、改建、擴建前，對項目是否滿足區域安全風險容量提前進行計算；也可以對在役項目進行數值模擬，對個人風險和社會風險不可接受的項目，可以提前發出安全預警，為應急管理部門及化工園區的安全監督管理提供依據。

由于各類軟件定量模型的數據庫和技術能力限制，對建構筑物平面布置和豎向布置的影響未予以考慮，或影響因子比重不適當，因此數值模擬結果有一定程度上的失真。今后還要深入研究，建立和充實國家級別的數據庫，進而完善事故后果定量風險分析模型。