典型液氯泄漏危害的ALOHA软件估算

闫洁洁，向晓东，霍艳霞

（1. 武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2. 南京南化建设有限公司，江苏 南京 210044）

典型液氯泄漏危害的ALOHA软件估算

闫洁洁1，向晓东1，霍艳霞2

（1. 武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2. 南京南化建设有限公司，江苏 南京 210044）

以瞬时泄漏和连续泄漏两种典型液氯泄漏事故为例，分别运用ALOHA软件和公式计算两种方法对液氯泄漏危害进行量化评估。估算结果表明：ALOHA软件对泄漏毒物的危害区域和敏感点毒物浓度的预测结果均具有良好的精度；软件模拟与公式计算的结果对于液氯瞬时泄漏的相对误差仅为7%，对于连续泄漏的相对误差为8%，二者均在可接受范围内。ALOHA软件计算过程简单、表达形象直观，在泄漏事故应急中具实用性。

ALOHA软件模拟；液氯泄漏；危害区域分布

氯气是化工生产的重要原料，可广泛用于盐酸、农药、炸药、塑料、橡胶、造纸、染料等生产工艺过程［1］。但氯气是高毒性气体，在使用、储存过程中易发生泄漏，如处理不及时，将导致人员中毒甚至死亡。2000年至2004年国家安监局发布的69起液氯泄漏事件报道中，急性中毒事故55起，占79.7%，中毒人数高达3 073人［2］。为了预防液氯泄漏危害，开展液氯泄漏风险的量化评估是必要的。

泄漏危害的量化分析方法有2种：公式计算和软件模拟。软件模拟具有快捷、方便、浓度场分布表达直观等优点，正得到越来越多的应用［3］。实际上，软件模拟结果是否可信一直是人们普遍关心的问题。

本工作以典型液氯泄漏事故为例，通过对ALOHA软件模拟和公式估算结果的比较分析，检验软件模拟的可行性，以期为液氯泄漏事故的应急处理提供依据。

1 泄漏危害的量化分析方法

1.1 公式计算法

1.1.1 瞬时泄漏估算模型

瞬时液氯泄漏危害区域采用世界银行提供的地面点源瞬时排放模型进行估算［4］，见式（1）。式中：t为污染物的泄漏时间，s；x为下风向距离，m；y为横风向距离，m；z为离地面的距离，m；ρ（x，y，z，t）为给定地点（x，y，z）和时间t的污染物质量浓度，mg/m3；m为瞬时排放的物料质量，mg；u为平均风速，m/s；π为圆周率，3.14；δx，δy，δz分别为x，y，z轴方向的扩散参数。

当钢瓶破裂时，瓶内压力降至大气压，处于过热状态的液氯的温度迅速降至沸点并放出热量，设物料泄漏时放出的热量全部用于液体的蒸发，可得式（2）［4］。

式中：m0为容器中液氯充装量即液氯泄露量，kg；T为泄漏时的环境温度，K；T0为液氯的沸点，238.55 K；q为液氯的汽化热，289 kJ/kg；c为液氯的比热容，0.96 kJ/（kg·K）。

若只考察扩散可能到达的轴方向最远点，即令y=z=0，且忽略在平均风速下氯气的自由扩散，此时污染物的泄漏时间t=x/u，则式（1）可简化为：

1.1.2 连续泄漏估算模型

由于液氯的沸点为238.55 K，且连续泄漏的泄漏量小，在环境温度下可视为液氯泄漏后将瞬间气化，其泄漏量可按照气体的泄漏量计算［5］，计算式为：

式中：Qc为泄漏源强，kg/s；K为绝热系数，1.330；Cd为气体泄漏系数，1.00；A为裂口面积，m2；M为液氯的摩尔质量，70.09 g/mol；R为气体常数，8.314 J/（mol·K）；Tc为气体温度，K；Y为流出系数，1.0；p为容器内介质压强，Pa。

由于液氯泄漏属地面源，其排放高度（H，m）可视为0。取泄漏点为原点，与风向平行方向为轴线，有界高斯扩散模型为［5］：

令H=0，得地面源的扩散模式为：

令y=z=0，得泄漏点下风向轴线浓度扩散式为：

1.2 软件模拟法

目前用于泄漏事件模拟的软件主要有CFX，FLUENT，PHOENICS，SAFETI，SLAB，ALOHA等。其中，CFX，FLUENT，PHOENICS软件均属于CFD模型，侧重于泄漏过程的模拟，计算过程较复杂［6］；SAFETI软件在石油化工、油气储运行业中应用较多［7］；SLAB软件适用于瞬时泄漏模拟，使用简单、计算快速，但未考虑建筑物对浓度变化的影响［8］。与上述软件相比，ALOHA软件更适用于事故应急处理研究，并且具备强大的数据库支撑，操作相对简便。

ALOHA软件［9］是由美国环境保护署化学制品突发事件和预备办公室、美国国家海洋大气管理局共同开发的专门用于模拟危险化学品泄漏后果的软件，现已成为危险化学品领域事故灾害后果预测和事故应急救援的重要工具。它具有包含近千种常见危险化学品的数据库，能够预测化学品泄漏危害区域、敏感点毒物浓度和泄漏源强随时间的变化［10］。1.2.1 泄漏危害区域预测

ALOHA软件根据事故地点信息、危险化学品自身理化性质和泄漏源状况来模拟泄漏事故危害区域分布，模拟前期所需参数包括：地理位置信息（事故发生地的经纬度、海拔高度）、周围建筑类型及其覆盖物、危险化学品理化性质、气象条件（风速、风向、温度、云层覆盖量、湿度等）、泄漏状况、毒物的关注浓度等。

在ALOHA软件中，毒物的关注浓度有急性暴露水平指南浓度（AEGL）、应急反应指南浓度（ERPG）、立即危害生命和健康浓度（IDLH）3种指标［11］。AEGL是由美国国家咨询委员会与国家研究委员会共同制定的急性暴露指标，适用于突发性、短时间泄漏事故的危害影响评估；ERPG是由美国工业卫生协会针对空气中有毒物质制定的应急响应计划中的指导浓度，是评估事故防范措施和应急响应计划的工具；IDLH是由美国国家职业安全卫生研究所针对工作场所工人防护用品的选用而制定的职业暴露浓度限值。此外，该软件的用户还可以根据需要自行设定关注浓度，对危害区域进行预测。

ALOHA软件中的预测模型包括高斯预测模型和重气体模型两部分，根据模拟气体不同，用户可自行选择；用户不确定时，可由软件根据用户设定的物质来选择。液氯扩散属于重气体扩散，软件中以重气体大气扩散的DEGADIS模型为基础，其表达式为［12］：

式中：x，y，z为三维坐标值，m；ρ为污染物质量浓度，mg/m3；ρ0为表面中心线的污染物质量浓度，mg/m3；b为烟羽水平均匀中心区的半宽度，m；Sy为水平浓度比例系数；Sz为垂直浓度比例系数；α为风速廓线常数；z0为风速廓线基准高度，m；u为沿x轴方向的风速，m/s；u0为z=z0时的风速，m/s。

1.2.2 敏感点毒物浓度预测

敏感点是指泄漏源周围的人员密集场所，如村庄、学校、医院等。ALOHA软件在用户前期输入所需参数、选取扩散模型后，以泄漏点为圆心、下风向方向为横坐标建立坐标系，显示指定浓度下危害区域分布情况，危害区域内任一点浓度随时间的变化也会相应给出，用户只需选择该点坐标即可。

2 算例与对比分析

软件模拟法考虑因素全面，计算过程快捷，结果直观形象、信息量大，能够模拟一个连续完整的过程。现以液氯瞬时泄漏事故和连续泄漏事故模型为例，分别用公式计算和ALOHA软件模拟两种方法对危害距离及危害浓度进行估算并作分析比较，以阐明ALOHA软件模拟的有效性。

2.1 瞬时泄漏时危害区域的比较

选取某地液氯泄漏事故作为案例。该地点位于东经115°0′、北纬31°22′，云层覆盖量25%，环境温度25 ℃，大气湿度50%，西风，风速2.50 m/s，大气稳定度级别为D类。以m0=500 kg液氯钢瓶泄漏为例，分别运用瞬时泄漏估算模型和ALOHA软件计算液氯半致死质量浓度850 mg/m3的下风向最大扩散距离。

2.1.1 公式计算法

由式（2）计算可得，m=98 kg；将m=98 kg和ρ=850 mg/m3代入式（3），得到δy2δz=1.46×104m3；查Briggs扩散参数表得到D类大气稳定度下的扩散参数表达式δy=0.08x（1+0.000 1x）0.5，δy=0.06x（1+0.001 5x）0.5；利用试差法求得下风向距离x=437 m。即当泄漏量为500 kg时，由公式计算得到的半致死质量浓度850 mg/m3的下风向最大扩散距离为437 m。

2.1.2 软件模拟法

ALOHA软件不仅可以确定危险距离，而且可以确定危险边界。依上例，用ALOHA软件模拟可得泄漏量500 kg时半致死浓度850 mg/m3的分布区域，得危害区域分布图，见图1。由图1可见，在近似椭圆形的红色区域内，氯气的浓度均大于关注浓度。图1中的外轮廓线为置信度边界［13］，表示在扩散过程中，风向可能发生一定程度的偏移，使影响范围有所扩大。ALOHA软件模拟得到的下风向最大扩散距离为462 m，仅比公式计算结果高约5%。

图1 危害区域分布图ρ大于850 mg/m3的区域

为进一步判定ALOHA软件的准确性，分别用公式计算法和软件模拟法得到不同泄漏量时的下风向最大扩散距离，见图2。

图2 不同泄漏量时的下风向最大扩散距离公式计算值；软件模拟值

由图2可见，ALOHA软件模拟值与公式计算值非常接近，平均相对误差为7%。对于事故应急危害区域划分而言，该偏差在可接受范围内。

2.2 连续泄漏时下风向浓度的比较

算例参数为：东经115°0′、北纬31°22′，云层覆盖量25%，环境温度25 ℃，大气湿度50%，西风，风速2.75 m/s，大气稳定度级别为C类，泄漏直径5 mm，泄漏质量1 000 kg。

根据式（4）计算出连续泄漏源强Qc=1.619 kg/ s，根据Briggs扩散参数表求得泄漏源下风向500 m处的质量浓度为137.4 mg/m3。

在ALOHA软件中设定连续泄漏源强Qc=1.619 kg/s，泄漏时间10 min，其他条件在模拟前期用户自行输入，得到下风向500 m处氯气质量浓度随液氯泄漏时间的变化趋势，见图3。

图3 下风向500 m处氯气质量浓度随液氯泄漏时间的变化

由图3可见，最大质量浓度为153.0 mg/m3，且持续时间与排放时间相接近；该模拟值略大于公式计算值，对液氯事故应急是有利的。

上述事故条件不变，采用公式计算法和软件模拟法得到不同下风向距离的氯气质量浓度，见图4。

图4 不同下风向距离的氯气质量浓度公式计算值；软件模拟值

由图4可见：在下风向2 000 m范围之内，ALOHA软件模拟值略大于公式计算值；此后，随下风向距离的增大逐渐变为软件模拟值略小于公式计算值；ALOHA软件模拟值与公式计算值的平均相对误差为8%。事故应急泄漏源下风向2 000 m之内一般为重点考虑防护区域，模拟值偏大更能确保危害区域内的人员安全。

3 结论

a）ALOHA软件对泄漏毒物的危害区域和敏感点毒物浓度的预测结果均具有良好的精度。计算实例表明：对于液氯瞬时泄漏，软件模拟与公式计算结果的相对误差仅为7%；对于连续泄漏的相对误差为8%。二者均在可接受范围内，即无论是瞬时泄漏还是连续泄漏，ALOHA软件的模拟结果都具有很好的准确性。

b）与公式计算相比，ALOHA软件有数据库支撑，操作简单，更为准确快捷。模拟前期只需输入气象条件及泄漏基本条件，受主观因素影响较小，结果形象直观，在液氯泄漏事故应急中更具实用性。

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（编辑 魏京华）

Hazard Estimation of Typical Liquid Chlorine Leakage by ALOHA Software

Yan Jiejie1，Xiang Xiaodong1，Huo Yanxia2
（1. School of Resource and Environmental Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430081，China；2. Nanjing Chemical Construction Co. Ltd.，Nanjing Jiangsu 210044，China）

Taking instantaneous leakage and continuous leakage，the two typical liquid chlorine leakage accidents，as examples，the hazard of liquid chlorine leakage was quantitatively estimated by ALOHA software simulation and formula calculation respectively. The estimation results show that：ALOHA software simulation on leakage hazard has high accuracy in determining the hazard region and the sensitive point toxicant concentration values；The relative errors of ALOHA software simulation results to formula calculation results are only 7% for instantaneous leakage and 8% for continuous leakage，both of the results are within an acceptable range. In addition，because the calculation process is simple and the result expression is visual，ALOHA software is more applicable in the leakage accident emergency response. Key words: ALOHA software simulation；liquid chlorine leakage；hazard region distribution

X507

A

1006 - 1878（2015）01 - 0069 - 05

2014 - 09 - 15；

2014 - 11 - 18。

闫洁洁（1990—），女，河南省濮阳市人，硕士生，电话 13667289475，电邮 981995890@qq.com。联系人：向晓东，电话 15927613679，电邮 drxxd@163.com。