ALOHA软件在危险化学品事故应急救援中的应用

ALOHA软件在危险化学品事故应急救援中的应用杨玉胜中国人民武装警察部队学院消防指挥系，河北廊坊，065000摘要：危险化学品泄漏时将会产生火灾、爆炸和中毒等事故。这些事故的影响区域取决于泄漏源的情况和大气气象条件。ALOHA软件能够根据危险化学品的泄漏和气象条件对事故进行模拟，并用图像、文字的方式描述不同程度危害范围的大小和区域。本文介绍了ALOHA软件的功能、使用方法和应用范围，并用ALOHA软件模拟了液氯事故的危害范围和敏感点的室内外的毒物浓度的变化情况。ALOHA软件可以帮助应急指挥人员快速、准确地预测影响区域，有效地组织、指挥不同区域人员疏散。ALOHA软件还可以用来对应急救援进行模拟演练。关键词：危险化学品事故；泄漏；大气扩散；应急救援；ALOHA1引言随着我国石油化学工业的迅猛发展，化工企业的数量和规模逐渐增大，生产、经营、储存、运输、使用以及销毁的危险化学品的数量快速增多，其中相当一部分是易燃、易爆、有毒、有害的化学品[1]。这些危险化学品一旦泄漏，将会产生火灾、爆炸或中毒事故。这些事故不仅造成严重的人员伤亡和财产损失，而且往往还会引发社会恐慌，甚至会对人类的生存环境也造成了严重的危害。例如，2003年12月23日，重庆市开县高桥镇的特大井喷事故[2]，造成243人死亡，65632人紧急疏散，经济损失9262.7万元。2004年4月16日，重庆天原化工厂的氯气泄漏爆炸事故[3]，造成9人死亡，3人受伤，15万人紧急疏散。2005年3月29日，京沪高速公路淮安段的液氯泄漏事故[4]，造成28人中毒死亡，350多人住院治疗，10000余人被疏散，经济损失2901万元。2005年11月13日中石油吉林石化公司双苯厂爆炸事故[5]，造成5人死亡、1人失踪、60多人受伤，更为严重的是引起水源污染。因此在发生危险化学品火灾、爆炸或中毒事故时，为了避免引起较大的人员伤亡和财产损失，应对受影响区域的人员进行疏散。根据危险化学品影响区域的危害程度不同，分别采用不同的疏散方法，把受影响区域的人员有组织、有计划地迅速撤离到安全地区。若疏散范围太小，则位于危害地区的没有疏散的人员将会受到伤害；若疏散范围太大，则付出的代价又太高。因而如何根据危险化学品的泄漏情况和事故情景，确定合理可信的影响区域，是危险化学品事故疏散决策中需要解决的一个重要问题。GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware危险化学品事故的理论基础危险化学品事故的影响范围是由其泄漏机理、扩散特征及其事故类型确定的，因而要准确地预测危险化学品事故的危害范围，必须了解危险化学品的事故类型、泄漏机理和大气扩散机理，还要掌握影响大气扩散的因素。2.1危险化学品事故类型危险化学品泄漏后产生的事故可以分为火灾、爆炸和中毒三大类[6,7]。火灾事故是易燃的液态或气态危险化学品泄漏后被点火源点燃而引起的。根据燃烧方式的不同，可以将火灾分为池火、喷射火、火球和闪火等类型。当易燃或可燃的危险化学品泄漏到空气中，在扩散过程中与空气混合形成蒸气云。如果遇到火源，浓度处于爆炸范围以内的蒸气云就会燃烧；如果燃烧非常迅速且剧烈，就可能导致爆炸。危险化学品泄漏后产生的爆炸事故，一般可分为蒸气云爆炸、沸腾液体扩散蒸气云爆炸和其他爆炸等。若泄漏的危险化学品是有毒物质，且此有毒物质进入人体而导致人体某些生理功能或组织、器官受到损坏，这种事故就是中毒事故。各类事故的事故情景如图1所示。危险化学品泄漏可燃毒性液态/两相流气态液态/两相流气态闪火火球爆炸喷射火BLEVE池火喷射火中毒扩散图1危险化学品事故类型2.2危险化学品泄漏模型预测危险化学品事故影响范围，首先需要预测泄漏速率或泄漏量。根据危险化学品泄漏时的物理状态的不同，泄漏可分为液体泄漏、气体泄漏和两相流泄漏。不同的泄漏方式需要用不同的模型来模拟[6,7]。液体泄漏用液体泄漏模型来模拟，气体泄漏用气体泄漏模型来模拟，而两相流泄漏则需要用两相流模型来模拟。通过泄漏模型，可以估算危险化学品的泄漏速率、泄漏时间或泄漏量。泄漏模型如图2所示。GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware危险化学品大气扩散模型若泄漏的是气态物质，则泄漏后的危险化学品直接在空间扩散；若泄漏的是液态物质，则液态物质将首先蒸发成气态物质，然后在下风向扩散。液体蒸发可分为闪蒸、热量蒸发、质量蒸发三种[6]。泄漏后的气体或者泄漏液体蒸发形成的气体在空间扩散。气体的扩散情况与气体的性质有关。根据气体的密度和空气密度之间的大小关系，气体扩散可分为重气扩散和非重气扩散[7]。重气扩散用重气模型来模拟，非重气扩散用高斯模型来模拟。高斯模型又可以分为云羽模型和云团模型两种，其中高斯云团模型原来模拟瞬时泄漏扩散，高斯云羽模型用来模拟连续泄漏扩散。危险化学品扩散模型如图2所示。2.4危险化学品扩散影响因素在确定气体的扩散范围时，不但要考虑影响危险化学品泄漏、蒸发的因素，还要考虑影响气体扩散的因素。一般说来，需要考虑以下几个因素：（1）危险化学品的理化性质参数和毒性参数：如密度、分子质量、比热、沸点、蒸发热、分子扩散系数、毒性等；（2）泄漏源的情况：如容器尺寸、充装量、介质状态以及泄漏口形状、面积、位置等；（3）大气环境因素：如大气压力、大气稳定度、温度、风速、风向和地表粗糙度。除了要考虑这些因素外，还要考虑危险化学品泄漏的时间、地点以及泄漏场所周围的环境特征等。这些数据都是确定危险化学品影响区域和应急救援时需要考虑的信息。3ALOHA软件3.1ALOHA软件简介近年来，运用不同的数学模型，用计算机编制了许多的气体扩散软件。这些软件可以用来模拟危险化学品在空间的扩散过程，进而计算气体的浓度和确定事故影响范围。常见的软件有SLAB、DEGADIS、ARCHIE和ALOHA等[8]。这些软件使用不同的模型，各具特色，其中ALOHA（ArealLocationsofHazardousAtmospheres，有害大气空中定位软件）是由美国环保署（EPA）化学制品突发事件和预备办公室（CEPPO）和美国国家海洋和大气管理（NOAA）响应和恢复办公室共同开发的应用程序[9]。ALOHA经过多年发的展，功能逐渐强大，可以用来计算危险化学品泄漏后的毒气扩散、火灾、爆炸等产生的毒性、热辐射和冲击波等。目前ALOHA已经成为危险化学品事故应急救援、规划、培训及学术研究的重要工具。GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware的应用步骤为：（1）输入危险化学品泄漏的地点（即纬度、经度和海拔）和时间以及建筑物类型。这些参数主要是用来确定日照角度和强度，和大气气象参数一起来确定大气稳定度。（2）输入危险化学品参数。要求输入危险化学品的物理、化学、毒性参数。为了应用方便，ALOAH软件带有常见的危险化学品参数数据库，在应用时可以直接从数据库中选择危险化学品类别；若数据库中没有，则需要输入相应的参量。（3）输入气象条件参数。要求输入风速、风向、地表状态、气温、湿度等参数。这些参数将用来计算气体的扩散速率、方向、距离和浓度等。（4）描述危险化学品的泄漏情形：要求输入容器的尺寸、充装程度、介质状态以及泄漏口形状、面积和位置等参数。（5）显示危险区域：当毒物的浓度、火灾的热辐射或爆炸产生的冲击波等超过某一临界值、就可能对人或财产产生危险。ALOHA用红、橘、黄三种颜色分别表示三种不同的危害区域。（6）若要计算敏感点的危险化学品浓度变化情况，则还需要输入敏感点参数。敏感点参数包括两部分，一部分是建筑类型参数。此参数是为计算室内毒气的速度而引入的。ALOHA软件把建筑物类型分为一般密闭的办公楼、单层建筑、双层建筑三种，当然也可以直接输入每小时室内空气与外界交换的次数；另一部分就是敏感点的坐标参数，要求输入的是该敏感点相对于泄漏源的坐标。（7）计算选项和显示选项。计算选项有三个备选项：第一个选项是让ALOHA自行决定；第二个选项是使用高斯扩散；第三个选项是使用重气扩散。显示选项确定在结果显示中使用英制单位还是公制单位。（8）用图或文字显示危害区域的范围以及敏感点的室内外浓度变化曲线。以上的（1）～（6）是参数的输入，描述事故情景的；（7）是计算和显示的方式、方法；（8）是模拟结果的显示方式。有两种方式，一种是文字描述，一种是可视化的方法。3.3ALOHA软件的主要功能ALOHA软件的主要功能有：（1）可以模拟危险化学品火灾、爆炸和中毒等事故后果。ALOHA中采用的是成熟的数学模型，主要有高斯模型、DEGADIS重气扩散模型、蒸气云爆炸、闪火等成熟的大气扩散、火灾、爆炸等模型。（2）能够预测事故影响范围。对于特定的事故情景，即在给定的危险化学品、泄漏源的特征、事故发生的天气和环境特征等条件下，能够确定火灾、爆炸或中毒事故的影响区域和严重程度。（3）能够预测敏感点处事故的进展。对于特定的敏感点，例如医院、养老院、学校等一些脆弱性的目标，能够根据建筑物类型，预测室内、外毒气浓度的变化。（4）应急培训和训练。ALOHA给出两种工作模式。一种是应急模式，一种是培训模式。在培训模式下，用户可以根据不同的事故情景，改变输入参数，就可以观察事故影响范围的变化和敏感点处的浓度变化情况，从而得到培训和训练的目的。4ALOHA软件的应用由于ALOHA软件具有优点较多，因此该软件在世界各地都得到了很好的应用[10-12]。本文用ALOHA软件来模拟液氯泄漏的影响范围。GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware事故情景本文模拟的事故情景是：2008年6月3日下午13时，某化工厂一氯气钢瓶因阀门损坏导致氯气泄漏。钢瓶容积为800L，泄漏前还有约250kg液氯未使用。当时风速为5m/s，风向为北风，测量高度为3m，天空约25%有云，气温为35℃，相对湿度50%。在泄漏源的下风向50m、侧风向15m处有一传达室。下面使用ALOHA软件模拟氯气的影响范围和传达室内外的氯气浓度的变化情况。4.2参数的输入事故情景是由一些参数组成的。ALOHA要模拟事故危害区域，首先要把事故情景参数输入到计算机。本例的输入过程如下：（1）地理位置。点击SiteData→Location，点击Add，输入“SP”，选择“NotinUS”，输入海拔高度200，点击单位m；输入纬度30度30分，点击N；经度115度36分，点击E，点OK；单击SP，点Select。（2）建筑类型。传达室为单层平房，且周围无遮盖物。选择“SingleStoriedbuilding”和“Unshelteredsurroundings”。（3）日期时间。点击“Setaconstanttime”，输入“2008年6月3日13时”。（4）介质选择。点击“Setup”→“Chemical”，点击“PureChemicals”，选择“CHLORINE”。（5）大气条件。点击“Atmospheric”→“UserInput”，输入风速5，单位选择“meters/sec”，风向输入“N”，测量高度为3，单位为“meters”，地表状态为“Opencountry”，云层覆盖率为25%，输入“3”。输入气温35，单位选择“℃”。逆温层设置为“Noinversion”，湿度为50%。（5）泄漏项设置。点击“Source”→“Tank”，选择横卧，输入钢瓶直径0.8m，长度1.65m，选择“Tankcontainsliquid”，选择“Chemicals