吳子科 劉晉 齊東川 吳進(jìn) 王琦

(1.重慶市安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 重慶 401331； 2.重慶科技學(xué)院 重慶 401331；3.重慶市航空應(yīng)急救援總隊(duì) 重慶 401331)

0 引言

由于化工生產(chǎn)裝備多管道、多連接口的特性，“泄漏事故”是化工企業(yè)常見的安全事故之一[1-2]。一旦泄漏容易引發(fā)人員中毒，遇到明火或高溫會(huì)引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸等事故，是危害企業(yè)安全的主要因素，對(duì)化工企業(yè)造成了極大的困擾；對(duì)有毒有害氣體在不同情況下的泄漏進(jìn)行模擬，能夠讓企業(yè)了解各種生產(chǎn)狀態(tài)下事故發(fā)生的后果以及概率，進(jìn)而幫助企業(yè)找到生產(chǎn)與安全之間的平衡，使企業(yè)在追求生產(chǎn)效益的同時(shí)也能保障安全，具有突出的現(xiàn)實(shí)意義。

在各種企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法中，運(yùn)用社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線(F-N)來衡量企業(yè)生產(chǎn)安全是主流的方式[3]。其原理是通過衡量某一事故發(fā)生群死群傷的概率是否在社會(huì)公眾的可接受范圍來確定該情況下生產(chǎn)是否合理。通常分為不可接受區(qū)、盡可能降低區(qū)以及可接受區(qū)，最理想的狀態(tài)是社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)在接受區(qū)范圍內(nèi)，表明系統(tǒng)的安全性較高。F-N曲線示意圖如圖1所示[4-5]。

圖1 社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)(F-N)曲線示意

1 某化工企業(yè)概況

2 事故后果模擬計(jì)算分析

2.1 模擬軟件介紹及模擬參數(shù)選取

事故后果模擬計(jì)算采用挪威船級(jí)社PHAST軟件。PHAST軟件是由挪威船級(jí)社(DNV)開發(fā)的，是專門用于石油石化領(lǐng)域危險(xiǎn)分析與安全計(jì)算的軟件，已在許多國(guó)家廣泛運(yùn)用并獲得認(rèn)可[6-7]。

氯氣(液氯)屬于劇毒危險(xiǎn)化學(xué)品，一旦發(fā)生泄漏事故，將會(huì)導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的人員中毒、甚至死亡[8]。本文對(duì)廠區(qū)內(nèi)的鋼瓶、儲(chǔ)罐的液氯泄漏導(dǎo)致的事故后果進(jìn)行模擬計(jì)算。

(1)泄漏源參數(shù)的選取見表1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算選用參數(shù)

(2)泄漏場(chǎng)景及計(jì)算所用的設(shè)備失效頻率選取《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》(GB/T 37243—2019)中推薦的壓力設(shè)備的失效頻率值，其主要失效場(chǎng)景和設(shè)備失效頻率值見表2。

表2 壓力容器的失效頻率

(3)氣象參數(shù)，選取當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速1.9 m/s，大氣穩(wěn)定度D(在此穩(wěn)定度下，大氣處于中度穩(wěn)定狀態(tài)，有相對(duì)較大的危險(xiǎn)性)，同時(shí)根據(jù)項(xiàng)目所在地風(fēng)玫瑰圖考慮16個(gè)風(fēng)向以及每個(gè)風(fēng)向的風(fēng)頻。

2.2 事故后果定量計(jì)算結(jié)果

氯氣泄漏后，擴(kuò)散階段主要分為在容器壓力作用下的被動(dòng)擴(kuò)散和當(dāng)云團(tuán)壓力達(dá)到大氣壓時(shí)的主動(dòng)擴(kuò)散。氯氣密度比空氣大，屬于重氣擴(kuò)散，需采用UDM擴(kuò)散模型進(jìn)行模擬。采用PHAST軟件將液氯鋼瓶、液氯儲(chǔ)罐作為壓力容器進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算時(shí)間設(shè)置為3 600 s，關(guān)注高度為0 m。模擬了液氯鋼瓶、液氯儲(chǔ)罐在小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏、完全破裂4種事故情景下的氯氣體擴(kuò)散的影響范圍。擴(kuò)散時(shí)選擇的關(guān)注體積分?jǐn)?shù)分別為1×10-6、3×10-6、2×10-5、5×10-4。其中1×10-6、3×10-6、2×10-5為《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》(GB/T 37243—2019)表G.1中氯氣推薦的ERPGS影響閾值關(guān)注濃度，5×10-4為氯氣致死體積分?jǐn)?shù)。其基本含義為

①ERPG-1(氯氣體積分?jǐn)?shù)為1×10-6)：當(dāng)人員暴露在該體積分?jǐn)?shù)的環(huán)境中1 h時(shí)，除受到短暫的微弱不良健康影響，或惡劣氣味之外，不會(huì)有更嚴(yán)重的不良影響。

②ERPG-2(氯氣體積分?jǐn)?shù)為3×10-6)：人員暴露在該體積分?jǐn)?shù)的環(huán)境中1 h時(shí)，不會(huì)受到不可逆或嚴(yán)重健康影響，或者不會(huì)降低人員自身采取防護(hù)措施的能力。

礦區(qū)內(nèi)一組NNW向的褶皺和張扭性斷裂及伴生的近EW向張扭性斷裂，是廣西山字型構(gòu)造前弧西翼的一部分，是區(qū)內(nèi)最發(fā)育的一組構(gòu)造形跡。其組合特征：由南至北，走向由NW逐漸轉(zhuǎn)向NNW，再轉(zhuǎn)向NW，總體呈似反“S”形，呈兩個(gè)弧形分別稍向西和東突出。中部具有向NNW撒開，向南東逐漸收斂的趨勢(shì)。表明五圩地區(qū)曾受到區(qū)域性順時(shí)針扭力的作用[5]。五圩背斜核部中段箭豬坡一帶發(fā)育了一組扭性斷裂，這些斷裂控制了五圩地區(qū)內(nèi)生熱液礦產(chǎn)的分布。

③ERPG-3(氯氣體積分?jǐn)?shù)為2×10-5)：當(dāng)人員暴露在該體積分?jǐn)?shù)的環(huán)境中1 h時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生危及生命健康的影響。

④致死濃度(氯氣體積分?jǐn)?shù)5×10-4)：當(dāng)人員暴露在該體積分?jǐn)?shù)的環(huán)境中5 min就會(huì)中毒死亡。

2.2.1 液氯鋼瓶泄漏事故后果模擬分析

(1)不同泄漏場(chǎng)景事故狀態(tài)下的影響距離。云團(tuán)最大足跡反映了發(fā)生泄漏時(shí)，關(guān)注的4種濃度下的氯氣能擴(kuò)散影響的最大距離(順風(fēng)方向)，表3匯總了4種事故狀態(tài)下，不同濃度的云團(tuán)能波及的水平最遠(yuǎn)距離。由表看出，中孔泄漏波及距離最遠(yuǎn)，其體積分?jǐn)?shù)1×10-6、3×10-6、2×10-5的云團(tuán)擴(kuò)散的距離均最大；大孔泄漏造成的死亡距離最大，為294 m。

表3 氯氣鋼瓶泄漏4種濃度下最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離 m

(2)不同泄漏場(chǎng)景事故狀態(tài)下的影響高度。氯氣云團(tuán)擴(kuò)散時(shí)會(huì)在高度上擴(kuò)散，由云團(tuán)擴(kuò)散側(cè)視圖動(dòng)態(tài)圖像，可以看出4種事故情景下，云團(tuán)可以擴(kuò)散的最大高度，詳細(xì)情況見表4。

表4 氯氣鋼瓶泄漏4種濃度下云團(tuán)擴(kuò)散最大高度 m

綜合4種泄漏場(chǎng)景，發(fā)生泄漏事故時(shí)，體積分?jǐn)?shù)1×10-6云團(tuán)擴(kuò)散能影響的最大高度為100 m，體積分?jǐn)?shù)3×10-6云團(tuán)擴(kuò)散能影響的最大高度為62 m，場(chǎng)景均為中孔泄漏；體積分?jǐn)?shù)2×10-5云團(tuán)擴(kuò)散能影響的最大高度為23 m，場(chǎng)景為大孔泄漏；體積分?jǐn)?shù)5×10-4云團(tuán)擴(kuò)散能影響的最大高度為9.5 m，場(chǎng)景為災(zāi)難性破裂。

(3)不同泄漏場(chǎng)景事故狀態(tài)下的影響范圍。云團(tuán)發(fā)生擴(kuò)散時(shí)，不僅會(huì)順著風(fēng)向向前擴(kuò)散，還會(huì)向左右兩側(cè)擴(kuò)散，氯氣泄漏在某一水平面上的影響范圍，由兩個(gè)方向云團(tuán)擴(kuò)散的距離綜合決定[9]。

2.2.2 液氯儲(chǔ)罐泄漏事故模擬分析

(1)影響距離。表5匯總了液氯儲(chǔ)罐4中泄漏事故模型，氯氣擴(kuò)散產(chǎn)生的不同濃度可波及的水平最遠(yuǎn)距離。液氯儲(chǔ)罐大孔泄漏波及距離最遠(yuǎn)，體積分?jǐn)?shù)1×10-6、3×10-6、2×10-5、5×10-4的云團(tuán)影響的距離均最大；體積分?jǐn)?shù)1×10-6的云團(tuán)影響水平距離可達(dá)3 826 m，體積分?jǐn)?shù)3×10-6的云團(tuán)影響水平距離可達(dá)1 299 m，體積分?jǐn)?shù)2×10-5的云團(tuán)影響水平距離可達(dá)1 086 m，體積分?jǐn)?shù)5×10-4的云團(tuán)影響水平距離可達(dá)412 m。

表5 液氯儲(chǔ)罐4種泄漏模型的氯氣擴(kuò)散距離 m

(2)影響范圍。當(dāng)液氯儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏，云團(tuán)擴(kuò)散時(shí)，不僅會(huì)順著風(fēng)向向前擴(kuò)散，還會(huì)向左右兩側(cè)擴(kuò)散，氯氣泄漏在同一水平面上的影響范圍，由兩個(gè)方向云團(tuán)擴(kuò)散距離決定。

(3)分析結(jié)論。由投射到地圖上的致死體積分?jǐn)?shù)5×10-4的云團(tuán)影響范圍可以看出，致死濃度主要影響區(qū)域?yàn)閺S區(qū)，完全破裂時(shí)可能導(dǎo)致廠區(qū)外面的人員死亡，但在此影響范圍內(nèi)，沒有居民區(qū)等防護(hù)目標(biāo)。當(dāng)大孔泄漏、完全破裂時(shí)，由體積分?jǐn)?shù)2×10-5的云團(tuán)投射到地圖上影響范圍可以看出，羊叉菁組、青杠園組、養(yǎng)豬場(chǎng)屬于影響范圍內(nèi)，但羊叉菁組、青杠園組位于比廠區(qū)高出90 m的地方，結(jié)合云團(tuán)最大影響高度，可知體積分?jǐn)?shù)2×10-5云團(tuán)擴(kuò)散基本擴(kuò)散不到該高度位置。因此體積分?jǐn)?shù)2×10-5的云團(tuán)主要影響該區(qū)域內(nèi)的與廠區(qū)處于一個(gè)水平面上的人員。而大孔泄漏、完全破裂形成的體積分?jǐn)?shù)1×10-6的云團(tuán)會(huì)影響該地區(qū)的居民。

3 整體社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

本文針對(duì)某化工企業(yè)兩處重大危險(xiǎn)源(液氯鋼瓶和液氯儲(chǔ)罐區(qū))采取了3種不同狀態(tài)下的計(jì)算模型進(jìn)行了社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)模擬計(jì)算。由于搬遷周邊居民的經(jīng)濟(jì)合理性差，當(dāng)?shù)刈匀粭l件(包括風(fēng)向)不可控制，因此降低危險(xiǎn)化學(xué)品最大儲(chǔ)量，是降低企業(yè)整體社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的較好途徑。為此本文選取了3種模型來模擬分析計(jì)算。

(1)第一方案：300個(gè)液氯鋼瓶、3個(gè)液氯儲(chǔ)罐(55.5 m3)全部使用的情況。重大危險(xiǎn)源社會(huì)整體風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算首次計(jì)算綜合考慮了企業(yè)存在的最大風(fēng)險(xiǎn)，即300個(gè)液氯鋼瓶、3個(gè)液氯儲(chǔ)罐(55.5 m3)的整體社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。第一方案的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線如圖2所示。

圖2 使用300個(gè)液氯鋼瓶和3個(gè)液氯儲(chǔ)罐(55.5 m3)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線

第一方案的重大危險(xiǎn)源社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線位于盡可能降低區(qū)內(nèi)，沒有進(jìn)入不可容許區(qū)，但需要盡可能采取安全措施，降低風(fēng)險(xiǎn)。一次性事故死10人累計(jì)頻率大致為7×10-6，死100人累計(jì)頻率大致為2×10-6，死400人的頻率大致為5×10-7。死亡人員主要為廠區(qū)內(nèi)工作人員，因此建議廠區(qū)內(nèi)離鋼瓶?jī)?chǔ)存區(qū)與儲(chǔ)罐區(qū)該兩處重大危險(xiǎn)源較近的工作場(chǎng)所工作人員應(yīng)相應(yīng)減少，且附近區(qū)域作業(yè)的工作人員必須采取個(gè)人防護(hù)措施；建議廠區(qū)外部安全防護(hù)距離內(nèi)不再新建人員密集的企業(yè)和居民住宅；建議調(diào)整區(qū)域規(guī)劃，逐步減少周邊人口密度。

(2)第二方案：只使用20個(gè)液氯鋼瓶、3個(gè)液氯儲(chǔ)罐(55.5 m3)的情況。按照應(yīng)急管理部門的要求，需要針對(duì)采取措施后的重大危險(xiǎn)源整體社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算。為此本文按照20個(gè)液氯鋼瓶、3個(gè)液氯儲(chǔ)罐(55.5 m3)作為第二方案來計(jì)算重大危險(xiǎn)源社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。第二方案重大危險(xiǎn)源的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線如圖3所示。

圖3 只使用20個(gè)液氯鋼瓶和3個(gè)液氯儲(chǔ)罐(55.5 m3)的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線

由圖3可知，在只使用20個(gè)液氯鋼瓶和3個(gè)液氯儲(chǔ)罐(55.5 m3)下，一次性死亡1人的事故概率為5×10-4，該概率曲線位于F-N曲線圖的盡可能降低區(qū)。一次性死亡2人及以上的事故概率為6×10-5，完全位于F-N曲線圖的可容許區(qū)，因此企業(yè)在液氯儲(chǔ)罐區(qū)和液氯鋼瓶區(qū)采取了有毒氣體檢測(cè)報(bào)警控制和SIS獨(dú)立儀表控制系統(tǒng)后，目前第二方案重大危險(xiǎn)源社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)較小，屬于可控范圍內(nèi)。

(3)第三方案：只使用20個(gè)液氯鋼瓶、1個(gè)液氯儲(chǔ)罐(55.5 m3)的情況。只使用20個(gè)液氯鋼瓶和1個(gè)液氯儲(chǔ)罐(55.5 m3)的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線見圖4。

圖4 只使用20個(gè)液氯鋼瓶和1個(gè)液氯儲(chǔ)罐(55.5 m3)的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線

由圖4可知，在只使用20個(gè)液氯鋼瓶和1個(gè)液氯儲(chǔ)罐(55.5 m3)下，該企業(yè)重大危險(xiǎn)源社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)概率全部位于F-N曲線圖的可容許區(qū)，死亡1人的概率小于1×10-5。但是由于企業(yè)生產(chǎn)工藝要求使用3個(gè)液氯儲(chǔ)罐，因此只使用單個(gè)液氯儲(chǔ)罐不能滿足企業(yè)生產(chǎn)需求。

(4)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算小結(jié)。由于第一種方案，重大危險(xiǎn)源社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)100人以內(nèi)死亡概率均落入F-N曲線圖的盡可能降低區(qū)，未進(jìn)入不可接受區(qū)，但是社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)很大。

而第三種方案，重大危險(xiǎn)源社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)很小，風(fēng)險(xiǎn)概率曲線全部位于F-N曲線圖的可容許區(qū)，但是只使用單個(gè)液氯儲(chǔ)罐不能滿足生產(chǎn)工藝需求。

因此建議企業(yè)采取第二種方案，使用20個(gè)液氯鋼瓶和3個(gè)液氯儲(chǔ)罐(55.5 m3)，既滿足生產(chǎn)需求，而且重大危險(xiǎn)源社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)較小，死亡2人以上風(fēng)險(xiǎn)屬于可控范圍內(nèi)，企業(yè)可以承受該風(fēng)險(xiǎn)。社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線位于盡可能降低區(qū)是要求企業(yè)在經(jīng)濟(jì)技術(shù)許可時(shí)，盡量降低風(fēng)險(xiǎn)。目前，企業(yè)在液氯儲(chǔ)罐區(qū)和液氯鋼瓶區(qū)采取了有毒氣體檢測(cè)報(bào)警控制和SIS獨(dú)立儀表控制系統(tǒng)，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)處于可接受狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)某使用液氯的化工企業(yè)事故后果模擬分析研究，設(shè)置了3個(gè)模型的計(jì)算，通過比較分析，并對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)需求和整體風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)籌考慮，在不改變廠區(qū)周邊居民分布的情況下，針對(duì)企業(yè)的安全生產(chǎn)提出了最優(yōu)控制方案。

(2)通過風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)化學(xué)品的儲(chǔ)存量、周邊居民分布情況、當(dāng)?shù)刈匀粭l件(主要為風(fēng)向)這3個(gè)因素均為影響化工企業(yè)社會(huì)整體風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)，通過關(guān)鍵指標(biāo)的控制，可以降低化工企業(yè)整體社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。

(3)由于搬遷周邊居民的經(jīng)濟(jì)合理性差，當(dāng)?shù)刈匀粭l件(包括風(fēng)向)不可控制，因此降低危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)量和提高危險(xiǎn)化學(xué)品貯存系統(tǒng)的自動(dòng)控制技術(shù)，是化工企業(yè)降低其風(fēng)險(xiǎn)的最佳途徑。