液氨危害范圍預判在其罐區選址決策中的應用研究

張鑫　林鑫

關鍵詞：液氨儲罐;SLAB模型;大氣擴散危害范圍;安全選址

中圖分類號：X51 文獻標志碼：A

0引言

氨作為一種重要的工業原料和制冷劑，隨著相關行業的發展，用途與用量越來越多。但與此同時也成為了發生泄漏造成中毒死亡的主要化學物之一[1-2]。雖然我國在液氨罐區等危險品建設項目選址安全論證有相關法律上的約束，但是對具體選址問題并無操作性上的明確指向，這樣對液氨罐區的選址缺乏實用性[3]。

如果液氨罐區安全布局不科學、規劃選址不合理，將對罐區及周圍公眾、環境構成重大威脅[4]。因此，液氨罐區的選址至關重要。

目前，一些學者針對液氨等危化品存儲設施的選址問題開展過相關研究。孫會軍[5]從總成本和危害程度兩方面考慮，建立了多目標模型來解決有害物質存貯地點的選址問題。多英全等[6]針對重大危險源選址中普遍采用的安全距離方法的一些缺點，提出采用基于個人風險和社會風險的規劃選址方法。李楊等[7]綜合安全、經濟和環境多方面影響因素，提出一套危險化學品儲存設施選址方法。但是，目前大多危化品存儲設施的選址研究僅考慮了危化品靜態存儲時的潛在風險與安全性，對于危化品的運輸風險對選址的影響幾乎沒有涉及。運輸風險主要是發生事故后對周邊公眾造成的潛在危害，不同的危化品運輸線路運輸風險不同，如若液氨罐區選址位置沒有安全適宜的線路承擔液氨的運輸任務，那么選址也是不合理的。因此運輸風險危害范圍可作為儲罐區選址的驗證指標。

本文將基于玉門某工業園區內液氨儲罐區建設項目案例，針對液氨罐區這一特定研究對象，將液氨靜態存儲與動態運輸時發生泄漏事故的大氣擴散危害范圍確定為液氨罐區選址時所考慮的主要因素，把對周圍公眾及環境潛在的危害放在首位，通過對液氨罐與運輸槽罐車發生的泄漏事故分別進行大氣擴散危害范圍的預測，在以上工作基礎上給出液氨罐區的選址意見。

1材料與方法

1.1研究對象

玉門東某化工工業園位于甘肅省玉門市玉門火車東站東南側，規劃面積50.8 km。園區空間被劃分為五大功能區，包括光熱光伏產業區、材料建材產業區、化工產業區、有色冶金產業區、倉儲物流區。現擬在倉儲物流區內建設一液氨儲罐區，為相關產業提供液氨的倉儲、運輸服務，擬共設液氨儲罐5個，容積均為650m，最大儲存量為475t，園區內氨運輸槽車容積統一為25m。目前園區內共設立了兩條危化品運輸路徑由，兩條路線①與②道路全長分別為6.54km、8.1km，寬度48m，從園區西北側邊界的玉門火車東站分別通往倉儲物流區西南角與西北角。園區倉儲物流區及危險品運輸道路位置具體如圖1所示。

1.2環境保護目標

項目周邊5 km范圍內只有一個居民區，位于園區內，倉儲物流區的西側，居民人數為1220人，區民區邊界與倉儲物流區區域的最近直線距離為850m，距危化品運輸路線①與路線②的直線距離分別為50 m、720 m。

1.3研究方法

首先根據收集與準備的項目相關資料，對液氨儲罐與運輸槽罐車分別進行了調查分析，通過對液氨儲罐與槽罐車的風險識別，參照同類型項目以及相關事故統計資料，分別設定液氨儲罐與槽罐車泄漏的最大可信事故;然后利用重質氣體擴散模型SLAB對最大可信事故進行大氣擴散危害范圍計算，得到不同情景下液氨泄漏的大氣擴散危害范圍;最后基于液氨儲罐大氣擴散危害范圍初步確定液氨罐區的選址區域，再利用槽罐車泄漏的大氣擴散危害范圍驗證選址是否合理，最終給出液氨罐區的選址意見。

1.4模型選取

在大氣擴散模型選取前，應首先判定瀉放物質為重質氣體還是輕質氣體，判斷依據采用理查森數，理查森數是一個無量綱常數，是煙氣云團的勢能和環境的湍流動能之比，跟氣體密度、環境條件、泄漏初始條件等因素有關。液氨的存儲狀態一般為低溫高壓[8]，釋放時會形成密度比空氣大的氣液混合煙云擴散，屬于重質氣體擴散。目前應用較廣泛的重質氣體泄放擴散模擬模型包括高斯模型，SLAB模型以及ALOHA模型等[9]。大連理工大學的孫召賓等[10]對三個模型進行了數值模擬，結果表明SLAB模型預測值最接近實測值，模擬結果可靠性最高。因此本文采用SLAB模型進行液氨泄漏事故大氣擴散危害范圍預測。

SLAB模型是由美國勞倫斯國家實驗室（LLNL）在美國能源局（DOE）資助下開發的擴散模型，它可通過求解一維或準三維的動量方程，質量、能量、物質守恒方程和狀態方程來模擬重氣體擴散，計算流程如圖2所示。為了簡化求解過程，方程通過將煙云作為穩態煙羽或瞬時煙團在空間上進行平均。連續排放（持續時間非常長的排放源）作為穩態煙羽。有限時間的排放采用穩態煙羽模式描述最初煙云的擴散，而且在該排放源持續泄漏的時間段內，可以一直使用穩態煙羽模式。煙羽模式方程為：

1.5最不利氣象條件選取

最不利氣象條件下發生事故時對周邊環境的影響范圍和影響程度比最常見氣象條件下要更嚴重[11]，為評估泄漏事故可能造成最嚴重的危害范圍，因此本文選取最不利氣象條件進行液氨大氣擴散危害范圍預測。我國目前關于最不利氣象條件的諸多研究表明[12-13]，事故危害范圍預測時，以最大落地濃度及最遠影響距離篩選，最不利氣象條件的選取標準基本可以概括為高穩定度、低風速。對園區當地氣候條件及2018年玉門鎮氣象觀測資料進行統計分析，并結合HJ/T169—2018《建設項目環境風險評價導則》中對于最不利氣象條件的推薦，最終選取預測時氣象條件為F類穩定度，風速1.5m/s，溫度25 ℃，相對濕度50%。

2研究過程

2.1物料風險識別

液氨具有腐蝕性，極易揮發，所以很容易發生泄露事故。液氨一旦發生泄漏事故，泄漏的液氨變為氣態的氨氣，體積迅速擴大，并在空氣中持續擴散，擴大影響范圍。液氨的主要理化特性見表1所列。

2.2最大可信事故

本次研究的風險預測是在對液氨理化特性識別與泄漏危害識別的基礎上，參照同類型建設項目以及相關事故統計資料，設定最大可信事故，對有重大危害及影響的源項進行事故設定。

擬建項目以液氨泄漏為重點，由事故統計資料分析，結合事故發生概率、事故后果嚴重性等因素，確定本項目最大可信事故為：液氨儲罐閥門連接管破裂泄漏事故和槽罐車罐體焊接管破裂泄漏事故。

2.3源強計算

液氨泄漏速率使用流體力學柏努利方程計算：

綜合以上情況，運用上述公式進行計算，可知液氨儲罐泄漏速率為Q=1.652kg/s，槽罐車儲罐泄漏速率為Q=0.563kg/s。

2.4液氨泄漏擴散參

數根據最大可信事故的特征，匯總SLAB模型運行時所需要的相關參數，詳見表2所列，液氨泄漏大氣擴散計算選取的氣象參數見表3所列。

2.5預測評價標準與傷害范圍劃分

HJ/T169—2018《建設項目環境風險評價導則》推薦大氣毒性終點濃度值作為評價標準，分為1、2級。其中1級為當大氣中危險物質濃度低于此限值時，絕大多數人員暴露1h不會對生命造成威脅，當超過該限值時，有可能對人群造成生命威脅;2級為當大氣中危險物質濃度低于該限值時，暴露1 h一般不會對人體造成不可逆的危害，或出現的癥狀一般不會損傷該個體采取有效防護措施的能力。

本文在參考大氣毒性終點濃度值基礎上，增加了半致死濃度標準LC，確定了本選址案例的危害后果閾值，并根據閾值高低將發生事故狀況后的危害范圍劃分為致死區、不可逆損傷區、損傷出現區。具體劃分方法見表4所列。

2.6預測結果

使用SLAB模型對液氨儲罐與槽車泄露進行大氣擴散危害范圍預測，氨氣濃度達到評價標準時的最大影響范圍預測結果見表5所列和圖3、圖4所示。

通過結果可知，液氨儲罐泄漏時，氨氣的下風向濃度隨著下風向距離的增加而減小;半致死濃度出現的最遠距離為350.3m處，毒性終點濃度-1出現的最遠距離為665.5m，毒性終點濃度-2出現的最遠距離為1100.7 m。

槽罐車泄漏時，半致死濃度出現的最遠距離為152.7m處，毒性終點濃度-1出現的最遠距離為266.2 m，毒性終點濃度-2出現的最遠距離為464.9m。

3研究結果的分析、討論及應用

以液氨事故狀況造成的最大傷害區域作為衡量事故后果造成影響程度的標準，并根據此標準劃分三個不同的傷害區域，認定在每個劃分區域內發生事故后，會造成相應程度的人員傷亡或人體損傷，而在此區域之外則不會出現相應傷害。

3.1液氨靜態存儲事故狀況危害范圍在選址時的應用

選址位置應位于液氨儲罐泄漏造成傷害損傷區外，若傷害損傷區或不可逆傷害區范圍覆蓋園區規劃選址區域，則應嘗試調整園區布局，經調整后若可以做到，則規劃選址可行;若經調整后仍無法做到，則應采取相關安全改進措施，降低風險。但若致死區覆蓋園區規劃選址區域，則規劃選址不合理，應重新選址并重復上述工作。項目周邊評價范圍內只有一個居民區，液氨罐區應建設位置在應距離居民區邊界1 100.7m之外的區域。

3.2液氨動態運輸事故狀況危害范圍在選址時的應用

槽罐車泄漏事故造成的致死區、不可逆損傷區、損傷出現區的影響半徑分別為152.7m，266.2m，464.9m。以此來分別考察園區內規劃的兩條危化品運輸路線是否可以承擔液氨的運輸任務，從而確定液氨罐區的選址位置是否合理。危化品運輸路線①與居民區的最近的直線距離為50m，當槽罐車在危化品運輸路線①發生泄漏事故時，居民區將處在高致死區域內，風險是不可接受的。危化品運輸路線②與居民區的最近的直線距離為720m，當槽罐車在危化品運輸路線②發生泄漏事故時，不會對居民區造成相應的傷害。因此選擇路線②承擔液氨的運輸任務。

3.3液氨罐區最終選址

根據對本次液氨事故狀況危害范圍預判的分析，結合園區發展建設規劃，最終決策液氨罐區的選址應位于剔除掉以環境敏感點為圓心，1 100.7m為半徑的圓形區域外的園區倉儲物流區域內。并且應選擇危化品運輸路線②承擔也液氨運輸任務。

4結論

本文以我國玉門某工業園區內擬建的液氨罐區的安全選址為研究對象，對液氨理化特性與泄漏危害識別，設定液氨泄漏最大可信事故，利用SLAB模型對最大可信事故情景模式進行液氨大氣擴散危害范圍的計算，并根據預測結果綜合園區建設規劃，給出液氨罐區的選址意見。主要研究結論如下：

（1）根據對液氨理化特性與泄漏危害識別，參照同類型項目以及相關事故統計資料分析，設定本次液氨事故狀況危害范圍預測的最大可信事故為液氨儲罐閥門連接管破裂泄漏事故和槽罐車罐體焊接管破裂泄漏事故。

（2）通過SLAB模型預測，選取最不利氣象條件，對最大可信事故進行大氣擴散危害范圍預判，得到液氨儲罐閥門連接管破裂泄漏事故的致死區、不可逆損傷區、損傷出現區的最大影響半徑距離分別為350.3m，665.5m和1100.7m;運輸槽罐車罐體焊接管破裂泄漏事故對應的運輸道路兩側上述三個影響區寬度分別為152.7m，266.2m，464.9m。

（3）根據液氨靜態存儲與動態運輸時的最大可信事故大氣擴散危害范圍的預測結果，結合園區建設規劃，最終液氨儲罐的選址區域應位于剔除掉以環境敏感點為圓心，1100.7m為半徑的圓形區域外的園區倉儲物流區域內，并且應選擇危化品運輸路線②承擔液氨的運輸任務。