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ALOHA软件在危险化学品事故应急救援中的应用


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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

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;ALOHA

1 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 15 2005 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, 万人紧急疏散。 [4] 年 3 月 29 日,京沪高速公路淮安段的液氯泄漏事故 ,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。

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2 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

气态

液态/两相流

气态

液态/两相流

火 球

闪 火

喷 射 火

爆 炸

B L E V E

池 火

喷 射 火

扩散

中毒

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。

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图 2 危险化学品泄漏和扩散模型

2.3 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。

3 ALOHA 软件
3.1 ALOHA 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 (Areal Locations of Hazardous Atmospheres,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。

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3.2 ALOHA 软件的应用步骤 ALOHA 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。 3.3 ALOHA 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。

4 ALOHA 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。

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4.1 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“Not in US” ,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“Single Storied building”和“Unsheltered surroundings” 。 (3)日期时间。点击“Set a constant time” ,输入“2008 年 6 月 3 日 13 时” 。 (4)介质选择。点击“Setup”→“Chemical” ,点击“Pure Chemicals” ,选择“CHLORINE” 。 (5)大气条件。点击“Atmospheric”→“User Input” ,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“Open country” ,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“No inversion” ,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 “Tank contains liquid” ,选择“Chemical stored at ambient temperature” 。输入钢瓶中液氯质量 250 kilograms。选择 泄漏口为“Circular opening” ,直径约 1.5centimeters,选择泄漏通过 Short pipe/valve,液氯钢瓶阀门位置选 项为“50 % of the way to the top of the tank” 。 (6)计算选项。因为氯气在扩散过程中,其密度比空气大,因此选择重气体扩散模式。 (7)显示选项。点击“Metric units” ,选择公制单位,即国际单位制。 4.3 结果计算和图形显示 (1)受威胁区域 危险化学品事故危害对人身的伤害程度可以分三个级别:即致命伤害、严重伤害、轻度伤害。每种危 害的极限值是不一样的。ALOHA 可以直接引用美国 AEGLS(敏感性暴露指导水平)提供的数据。另外软 件在考虑到日照、风向、风速等条件影响下,导致危害区域发生漂移,因此 ALOHA 也用虚线显示了该范 围。在具体应用中,需要在“Show confidence lines”中选择“Only for longest threat zone” 。 把这些参数输入到 ALOHA 中,计算机根据这些信息就可以模拟出该事故情景下的影响区域和敏感点 处化学品浓度的变化情况。图 3 所示为 ALOHA 模拟的氯气泄漏的影响范围和形状。

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图 3 影响区域图

根据影响区域的危害程度,从内向外可以把影响区域依次划分为紧急避难区、协助疏散区、引导疏散 区、和自主疏散区。划分疏散区域以后就可以确定疏散方案,指挥人员撤离事故现场。 (2)敏感点浓度变化。 点击“Display”→“Threat At point” ,输入相对坐标系,输入 X 为 50m,Y 为 15m,就可以看到该点 的浓度曲线图。

图 4 敏感点浓度变化图

图 4 显示的是敏感点处的室内和室外的危险化学品浓度变化曲线图。从图中可以看出,该位置的室内 化学品浓度没有超过死亡数值。但是在泄漏的前几分钟,室外浓度将超过严重伤害数值;而室内浓度不会 超过轻度伤害数值。 4.4 模拟训练 若改变其中的一个或几个输入参数,就可以得到不同的事故情景。在这些事故情景下,可以分别模拟 出各自的影响范围以及敏感点浓度的变化情况。在不同的事故情景下模拟事故的影响范围和危害程度,其 实就是一种模拟训练。通过这种模拟训练,用户可以熟悉在不同事故情景下影响范围的大小,进而为实际 事故应急救援决策提供背景知识和理论支持。

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5 结束语
ALOHA 软件对于特定的事故情景,可以模拟出事故的影响范围和敏感点的化学品浓度变化情况。当 事故情景发生变化时,ALOHA 能够得到不同的结果,因而该软件可以方便地应用到危险化学品事故的应 急救援决策中。 另外,ALOHA 的模拟结果还可以在电子地图上显示。这样就可以对根据影响区域的实际情况进行疏 散决策,因而具有很强的实用性。 当然,ALOHA 软件也有自身的缺点,那就是只能模拟非常稳定天气条件的危险化学品事故后果,而 且还满意考虑风向的变化和复杂的地形问题,另外也不能用来计算爆炸所产生的碎片的危害后果。

参考文献: [1] 崔克清. 危险化学品安全总论[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005. [2] 中国安全生产科学研究院. 危险化学品事故案例[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005. [3] 王 朝 阳 , 孙 岭 . [ 纪 实 ] 重 庆 : 城 市 里 的 “ 战 争 ” [EB/OL]. 2004. http://news3.xinhuanet.com/video/2004-04/20/ content_1429850.htm. [4] 江 苏 省 淮 安 市 消 防 支 队 . 江 苏 省 京 沪 高 速 淮 安 段 ”3 · 29” 液 氯 泄 漏 特 大 事 故 抢 险 救 援 战 例 [EB/OL]. 2005. http://www.gzajj.gov.cn/Upload/20071019/128372533808125000.doc. [5] 国家安全生产监督管理总局. 中石油吉林石化分公司双苯厂“11.13”爆炸事故及松花江水污染事件调查报告[R]. 2006. [6] 吴宗之, 高进东, 魏利军. 危险评价方法及其应用[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2002. [7] 宇德明. 易燃、易爆、有毒危险品储运过程定量风险评价[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2000. [8] 张建文, 安宇, 魏利军. 化学危险品事故应急响应大气扩散模型评述[J]. 中国安全科学学报. 2007, 17(6): 12-17. [9] U. S. Environmental Protection Agency, National Oceanic and atmospheric Administration. ALOHA: Area locations of

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Application of ALOHA in Emergency Rescue for Hazardous Chemicals Accidents
YANG Yu-sheng (Department of Fire Commanding, The Armed Police Academy, Langfang, Hebei 065000) Abstract: The release of hazardous chemical would cause fire, explosion or toxicity accidents. The affected areas of the accident were determined by the source of release and the atmosperic condition. The ALOHA software could carry on the simulation about the accident according to the release source of hazardous chemicals and the meteorological condition and could show the affected areas in the text and image model. The function, method and scope for ALOHA were introduced. A liquid chlorine accident was simulated using ALOHA. The affected areas and indoor and outdoor toxicant concentration for the sensitivity location were calculated. ALOHA may be used to predict the accurately affects region by the emergency command staffs so as to evacuate the affected person effectively. ALOHA software may also be used for the simulatin and training about emergency rescue. Key Words: Hazardous Chemical accidents; Release; Atmospheric Dispersion; Emergence Rescue; ALOHA


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