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化学

ALOHA 软件在化学应急救援中的应用

发布时间:2020-08-25   |  所属分类:化学:论文发表  |  浏览:  |  加入收藏
  摘要:介绍了ALOHA软件中化学事故危害分级的标准和软件的操作流程,并分别通过预设甲苯、液氯泄漏,分析了软件对事故后果的计算结果,得出了甲苯在设定条件下的蒸气云爆炸可能性、储罐爆炸(boiled liquid evaporate vapor explosion,BLEVE)的危害范围、毒性危害范围;也表明了液氯在设定条件下、距离泄漏源不同距离处对人体的危险性。表明可以根据ALOHA软件模拟的毒物泄漏危害范围,组织群众撤离危害区域;也可以通过ALOHA软件的计算结果,为应急分队制定化学应急救援预案以及事故现场处置辅助决策提供依据。
 
  关键词:ALOHA软件;化学应急救援;危害范围;应急分队
 
  我国化工企业规模和数量大,危险化学品安全形势严峻,化学事故常有发生,比如2018年河北张家口盛华化工公司“11·28”重大爆燃事故,2019年江苏响水天嘉宜公司“3·21”爆炸事故等,均造成几十人死亡,给人民生命财产造成重大损失。为应对化学事故,化学应急救援分队在平时就要做好充分的准备,以充分发挥救援队作用。化学危害评估是化学应急救援的重要研究内容之一,主要利用数学模型和计算机软件对化学事故危害范围和程度等进行模拟分析,以便为科学实施化学应急救援提供参考。比较常用的软件有ALOHA[1]、SLAB View[2]、化学灾害事故处置辅助决策系统等。ALOHA(areal locations of hazardous atmospheres)软件是一款免费的估算危险化学品泄漏危害区域的模型计算程序,操作使用简便,且内置了多种危险化学品危害标准的科学数据库,也可将计算结果在地图上直观显示出来。本文拟结合两个实际案例,利用ALOHA软件对事故的后果进行分析,以期为同行应用本软件制定化学应急救援预案以及事故现场处置辅助决策提供参考。
 
  1ALOHA软件介绍
 
  1.1ALOHA软件基本情况
 
  ALOHA是由美国环境保护署(EPA)和美国国家海洋大气管理局(NOAA)共同开发的程序。ALOHA5.4.7版本中,包括800多种常用危险化学品的基本理化性质、毒性数据库和5种常见化学溶液数据,还包括基于事故位置、时间的光照计算模型,以及储罐容量计算模型。ALOHA主要利用高斯模型、重气扩散模型等来计算毒气云团扩散速率、范围及纵深,还可计算沸腾液体膨胀蒸气爆炸(火球)(boiling liquid expanding vapor explosions,BLEVEs)、喷射火、池火等热辐射范围,以及蒸气云团爆炸冲击波超压范围等。目前ALOHA已广泛应用于风险评估和应急辅助决策等领域,在美国、加拿大、墨西哥等地应用广泛。
 
  1.2ALOHA软件中化学事故危害分级标准
 
  化学事故危害区(也称化学事故危害范围)是指发生化学事故后,危险化学品造成人员及动植物死亡或者伤害,并影响社会正常生产、生活的空间地域。化学事故危害区域的大小受危险化学品种类、理化性质、泄漏量以及事故的类型、地域等气象条件和地形特点等因素的影响。
 
  化学事故危害区分级(也称边界控制标准)是对事故危害区域进行划分的度量标准。ALOHA中内置了四种危害分级:毒性危害等级(toxic level of concern)、可燃性危害等级(flammable level of concern)、热辐射危害等级(thermal radiation level of concern)、超压危害等级(overpressure level of concern),用于计算各种危害的区域范围。ALOHA软件根据危害等级标准划分红区、橙区、黄区(红区代表危害最重的区域,橙区和黄区代表危害依次减弱的区域)。
 
  1.2.1毒性危害等级
 
  毒性危害等级是描述人员在化学毒气云团暴露一定时间内受到伤害的程度。ALOHA中常用急性暴露准则限值(acute exposure guideline levels,AEGLs)、应急响应计划准则限值(emergency response planning guidelines,ERPGs)与临时紧急暴露限值(temporary emergency exposure limits,TEELs)三种一般公众暴露指导限值来计算毒性危害范围[3-6],计算时优选顺序为AEGLs>ERPGs>TEELs。AEGLs是目前可用的最好的公众暴露指导限值,由美国国家科学院根据化学物质人体及动物研究数据修正后制定发布,现已有超过250种危险化学品的AEGLs数据[7]。
 
  根据AEGLs标准,危险化学品毒性危害区域划分如下:
 
  红区:AEGL-3——在此浓度之上,一般公众(包括易感个体)会遭受危及生命的健康威胁或死亡。
 
  橙区:AEGL-2——在此浓度之上,一般公众(包括易感个体)会遭受不可逆的或者其他严重的长期不良健康影响,或丧失逃生能力。
 
  黄区:AEGL-1——在此浓度之上,一般公众(包括易感个体)会感到不舒服、刺激或某些无症状的非感觉效应,但这些影响是暂时性并且可逆的。
 
  ERPGs和TEELs的定义与AEGLs类似,具体可参考ALOHA帮助文件。AEGLs设置了10 min、30 min、1 h、4 h、8 h五种不同暴露时间下,毒物对人员造成伤害的浓度分级标准。ALOHA主要使用1 h的AEGLs浓度值进行计算。比如氨AEGL-3值为1 100 ppm(1 ppm=1/1 000 000,体积分数),表示在空气中氨体积分数高于此值后,一般公众在此环境下1 h会有生命危险。几种常见危险化学品的AEGLs(1 h)值见表1。
  1.2.2可燃性危害等级
 
  可燃区域是蒸气云浓度在燃爆下限(lower explosive limits,LEL)和燃爆上限(upper explosive limits,UEL)之间的区域。由于可燃云团在空气中扩散分布并不是均匀的,也是随时间不断变化的,可能该区域可燃云团平均浓度值低于LEL值,但部分云团聚集区域浓度已经超过LEL值,存在燃爆风险,故不能用达到LEL的值来计算可燃区域。因此,ALOHA使用60%LEL(有实验表明在平均体积分数超过60%LEL的区域可能会有火焰产生)作为可燃等级红区,10%LEL作为可燃等级黄区。
 
  1.2.3热辐射危害等级
 
  热辐射等级是泄漏物着火时热量对人员伤害的程度,根据人体在不同辐射热量下和不同时间内受到伤害的程度来规定。ALOHA在计算BLEVEs、喷射火、池火时会根据热辐射等级计算出人员伤害的范围。ALOHA所用热辐射伤害等级为:
 
  红区:10 kW/m2(60 s内可能致命);橙区:5 kW/m2(60 s内二级灼伤);黄区;2 kW/m2(60 s内感到疼痛)。
 
  使用者也可在ALOHA软件中使用自定义热辐射危害等级数值,可参考表2中数据[8],表中数据是裸露皮肤在不同热辐射程度下的伤害效果,衣物或防护服等也会减少热辐射的伤害。
  1.2.4超压危害等级
 
  超压危害等级是描述爆炸产生的冲击波超压造成危害的程度。当ALOHA计算蒸气云爆炸时就会给出不同超压下危害的范围,但ALOHA并不计算爆炸碎片的危害,虽然有可能碎片比超压的危害距离更远。ALOHA所用超压伤害等级为:
 
  红区:8.0 psi,建筑物被摧毁(1 psi=6.894×103 Pa);
 
  橙区:3.5 psi,人员可能重伤;
 
  黄区:1.0 psi,玻璃破碎。
 
  使用者也可在ALOHA软件中使用自定义超压危害等级数值,不同超压对人员的伤害作用和对建设物的破坏作用可参考表3、表4中数据[9]。比如,按表3超压对人员伤害作用,可自定义0.03 Mpa作为黄区边界,0.1 Mpa作为红区边界;按表4超压对建筑物破坏作用,可自定义0.006 Mpa作为黄区边界,0.05 Mpa作为红区边界。
  1.2.5ALOHA操作流程
 
  ALOHA软件操作使用简便,将化学品名称、气象信息、泄漏源信息录入即可。软件启动运行后,首先显示的是ALOHA软件的一些限制条件,如图1。点击OK确认后进入主界面,如图2。
 
  (1)输入危险化学品名称
 
  依次点击“SetUp”→“Chemical”,弹出化学品名称选框,如图3。假设储罐内为甲苯纯物质,选择“PureChemicals”,并下拉滚动条找到甲苯英文名称“TOLUENE”,单击“Select”,软件将自动调出内置数据库中甲苯相对分子质量、溶点、沸点、爆炸下(上)限以及其AEGLs值等信息,并在Text Summary中显示出来。
  (2)输入气象信息
 
  依次点击“SetUp”→“Atmospheric”→“User Input”,进行气象信息输入,输入风速、风向、云量、气温、湿度等信息后,点击“OK”按钮确认,如图4。
 
  (3)输入泄漏源信息
 
  依次点击“SetUp”→“Source”,出现下级菜单,包括直接源(Direct)、液体池(Puddle)、储罐(Tank)和气体管道(Gas Pipeline)四种模型。选择“Tank”,出现储罐信息输入框,选择立式罐,输入直径、长度、体积三个参数中任意两个,第三个参数会自动计算出来。然后选择物质储存条件,并输入储量信息,如图5。
  点击“OK”按钮确认后,进入泄漏信息输入框,分为三种情况:第一项为泄漏储罐,化学物质形成液体池,未着火;第二项为泄漏储罐,化学物质着火,形成池火;第三项为BLEVE,储罐爆炸,化学物质形成爆炸火球。以选择第一项为例,点击OK进入泄漏点信息输入框。选择泄漏源为圆孔,输入直径大小。然后输入泄漏点位置,案例中设定为底部泄漏,故在泄漏点距底部距离框中输入数值0。然后在液体池参数框中选择地面类型为水泥地面“Concrete”,其他选项按默认值,如图6。
 
  (4)查看结果
 
  ALOHA系统会根据输入的信息,自动进行评估计算。获取现场危害分区情况,依次点击“Display”→“Threat Zone”,出现要分析的危害选择框。有三个选项:第一项为蒸气云毒性危害区域;第二项为蒸气云可燃区域;第三项为蒸气云爆炸危害区域。以选择第一项为例,点击OK进入危害边界选择框,系统默认值是AEGLs标准,如图7。点击“OK”后即出现分区示意图,如图8。

  2案例应用
 
  2.1指导救援区域的划分
 
  现场情况:某工厂一甲苯储罐泄漏,甲苯储量50 t,立式储罐地面直径4 m,高7 m,储罐周围为水泥地面;气温25℃,湿度50%,晴天无云,3 m高处风速2 m/s;泄漏点为储罐底部一处直径10 cm的圆孔。
 
  甲苯泄漏后,可能的危害情况有:形成有毒蒸气云团、着火形成热辐射危害、BLEVE火球、蒸气云爆炸等不同情况。
 
  将现场数据输入ALOHA软件,ALOHA软件根据不同危害计算结果将现场区域划分不同危害区,以指导实际救援行动时防护、侦检、警戒等行动。按照
 
  1.2.5步骤得到甲苯不同危害条件下的结果如图8、表5所示。
  从表5可以看出,甲苯的危害范围由大到小依次为BLEVEs(火球)、中毒、池火,尤其以火球热辐射影响距离最大,扩散中毒次之。由于任何时刻没有蒸气云浓度超过爆炸下限,故不会发生蒸气云爆炸。根据最大危险原则,应以BLEVEs危害范围作为分区依据,并做好相应的防火措施,防止泄漏后火灾导致爆炸。若再考虑可能爆炸的碎片的影响,可以适当扩大分区距离。
 
  2.2指导制定应急预案
 
  应急预案是平时进行预防和应急准备,主要是通过对化学危险源假想事故的预测和评估,提出化学应急准备工作的要素,为制定合理可行的救援方案提供参考依据。应急分队在调查后确定某些区域或者某些单位可能发生事故的危险源、事故的类型,然后根据当地气候、地形等情况将收集后的数据输入ALOHA软件来模拟事故发生后影响范围,结合地图即可确定不同危害影响的不同区域。如液氨泄漏后可能发生毒气扩散、燃烧(热辐射)、爆炸等危害,综合这些危害影响范围,形成分析报告,可作为应急预案的编制依据。然后进行应急能力评估,包括应急资源(应急设施、装备和物资),应急分队的技术、经验和接受的训练等,明确应急救援的需求和不足,为应急预案的编制奠定基础。制定预案时除用到上述区域划分数据外,还用到源持续时间、物质性质等,是一个综合利用数据的过程。
 
  2.3指导群众进行防护与疏散
 
  对于持续时间较长的事故,在整个事故处置过程中,由于气象条件、事故源情况的不断变化,也需要通过改变初始条件,继续进行化学事故危害评估,不断对评估结果进行修正,以指导救援工作的开展。由于建筑物也有一定防护性能,泄漏有毒气体在建筑物室内外浓度也不一样,离泄漏源不同距离处居民受事故影响也不同,所以要根据不同情况组织指导群众进行防护与疏散。
 
  甲苯与液氯的主要危害不同,甲苯主要是燃爆危险,毒性危害不大;液氯毒性危害大,扩散几千米后浓度也足以致死,但无燃爆风险。因此,再以液氯槽车泄漏为例,对毒气云团下风向扩散传播一定距离后室内外浓度做一比较分析,供决策者进行疏散时参考。
 
  现场情况:某槽罐车运输30 t液氯,储罐尺寸为底面直径2.5 m,高6.0 m;气温25℃,湿度50%,晴天无云,3 m高处风速2 m/s,泄漏按槽车底部一处直径10 cm圆孔计,其他条件按ALOHA软件默认值。
 
  民用建筑即使关闭门窗但留有空隙,由于室内外气体浓度、温度差异及风压等作用,也会有一定比率的气体交换,从而导致室内染毒。

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