基于QRA的易燃液体储罐区火灾事故后果数值模拟

张乐波(上海茸一检测技术有限公司，上海 201600)

0 引言

化工企业火灾、爆炸危险性较大，几乎均配备了储存危险化学品易燃液体的仓库或储罐，其中储罐储存以配套防火堤的储罐区存在。2018年和2019年，由国家应急管理部提出并归口，国家市场监督局先后颁布了《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》[1]和《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定》[2]，确定了新的社会风险基准和个人风险值基准，且安全防护距离根据个人风险等值线和社会风险F-N曲线确定的原则。在此背景下，易燃液体储罐区火灾事故后果运用定量风险分析模型(QRA)进行数值模拟需要进行修正，得出的结论更为可靠。

1 储罐区火灾定量风险分析模型事故后果模拟的影响因素

易燃液体储罐区突发事故发生的持续时间、应急救援到达时间等都不能提前确定，但可以根据储罐区事故有其特有的规律性和场景模拟，分析事故发生的情况。根据分析，决定易燃液体储罐事故后果的主要影响因素包括下面内容。

1.1 气象条件

不同的化工生产装置或储存设施，以及装置、设施内介质，影响定量风险分析模型(QRA)气象条件和影响权重不同。排除特殊天气，影响易燃液体储罐事故后果的气象条件主要考虑4个因素的影响：一是地面类型，即建筑物密集程度、高度和占地比等可以改变局部大气状况的因子；二是发生事故期间日照强度及发生事故时的温度；三是事故发生时的环境大气状况，包括大气环境压力、环境大气密度和环境平均风速；四是风向玫瑰图。除以上影响因素外，大气稳定度、空气湿度、建筑物平面布置和竖向布置等参数，也是影响事故后的气象条件因素或影响气象条件的因素。

1.2 区域人口密度

在易燃液体储罐的火灾事故后果定量风险分析模型中，防护目标的重要性指标是由其总建筑面积、使用性质和高峰人数组成。因此，事故发生后，周边区域人口密度是影响事故后果的主要参数。若对厂区或园区进行事故后果模拟，区域人口密度取厂区或园区的人口密度；若数值模拟的目的是为了评估特定防护目标是否超过风险基准，可以罐区和该特定防护目标间连线为半径，经过调查分析，得出区域人口密度。

1.3 多米诺效应

事故后果评估在分析成组储罐的事故风险时，一般针对单个储罐采用池火灾(pool f ire)模型进行计算，假定易燃液体瞬间以防火堤几何中心为圆点，根据防火堤面积折算出圆半径，分别对储罐区的单个储罐发生池火灾(pool f ire)事故后果进行数值模拟。池火灾(pool f ire)模型往往只针对单个储罐，而成组储存的易燃液体储罐，在单个储罐发生火灾后，由连锁效应引发的储罐区火灾，事故后果和影响范围超过单个储罐，此时如未考虑各储罐间的多米诺效应得出的计算结果，无法准确反映事故后果产生的社会风险和个人风险。

1.4 泄漏方式及泄漏源强

易燃液体储罐一般使用固定的常压容器和储罐，采用立式或卧式圆柱形常压储罐[3]。其泄漏方式分为4种，单层储罐和双层储罐泄漏方式不同。其中，单层储罐有泄漏到大气中—小孔泄漏、泄漏到大气中—中孔泄漏、泄漏到大气中—大孔泄漏、泄漏到大气中—完全破裂4种；双层储罐分为泄漏到外罐中—小孔泄漏、泄漏到外罐中—中孔泄漏、泄漏到外罐中—大孔泄漏、泄漏到大气中—完全破裂4种。泄漏源强是指一开始泄漏瞬间的压强，根据泄漏方式计算出泄漏面积，根据泄漏位置、储罐液位的高度计算出泄漏压力，最终得出泄漏源瞬间压强。

1.5 事故类型

易燃液体储罐区域定量风险分析模型数值模拟采用池火灾(Pool Fire)事故类型和蒸气云(UVCE)爆炸类型，分别根据事故类型可能发生的概率确定。两者概率相同，则分别进行计算；两者同时发生的概率较大，则模拟池火灾(pool f ire)和蒸气云(UVCE)爆炸模型同时发生的情况下进行数值计算。

1.6 其他参数

除以上所述影响因子外，储罐区各储罐储存的介质—易燃液体本身的理化特性也是影响事故后果数值模拟的重要参数。易燃液体是指闪点小于60 ℃液体[4]，生产火灾性和储存火灾危险性均定义为甲类和乙类。对定量风险分析模型火灾事故后果有决定性的易燃液体理化特性主要有闪点、燃烧热、密度等，此外，粘稠度也是决定事故后果的理化特性因子。

2 事故后果影响定量风险分析模型(QRA)

事故后果影响定量风险分析模型(QRA)也称概率风险模型，即使用概率风险值来量化事故后果，如社会风险概率值、个人风险概率值等。根据模型可以描述出社会风险和个人风险的概率等值线(范围)，来确定新建、在役装置或储存设施发生事故后对周边防护目标产生的威胁是否可以承受。其中社会风险值是表征区域范围内的风险概率，个人风险值是表征事故作用于防护目标点的风险概率。定量风险分析模型分析软件是利用本身的数据库资料进行统计分析，建立模型，对事故后果进行预测。

目前，国内火灾事故后果影响定量风险分析模型分析软件主要有CASST-QRA、RC-QRA、SAFETI-QTA等软件。经试用，截至到2021年3月，上述软件均根据GB 36894—2018《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》进行了数据更新。

文章对模型采用的标准值和输出内容进行说明，为了能更精确的进行描述和便于阅读者理解，对个人风险基准和社会风险基准使用了不同的描述。

2.1 个人风险和社会风险

先通过固定常压储罐的泄漏火灾事故场景进行数值模拟，然后考虑多米诺效应描绘出社会风险曲线，确定该曲线未落在不可容许区；再通过对易燃液体储罐区火灾事故后果进行数值模拟，描绘出该储罐区发生火灾后个人风险等值线，然后对比两个一类防护目标是否进入个人风险基准覆盖范围。

2.1.1 个人可接受风险基准

个人可接受风险基准是各年龄段死亡率最低值乘以风险控制系数得出。中国香港、中国大陆、英国、荷兰、澳大利亚、马来西亚、新加坡等不同国家和地区均根据国情和地方情况制定了个人风险基准。其中，对新建装置或储存设施的基准值均比在役装置严格，中国仅制定了危险化学品重大危险源的个人风险基准。不同国家或地区以医院、居住区、商业区为例个人可接受风险值的情况如图1所示。数据主要收集于国家应急管理部2014年6月27日网站，链接为https://www.mem.gov.cn/gk/zcjd/201406/t20140627_233065.shtml，以及《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》等文件。

图1 不同国家和地区个人可接受风险值对比图

国家应急管理部先后于2014年和2018年提出课题，将个人风险基准和社会风险基准应用到所有危险化学品生产装置和储存设施。在调研横向对比国外资料及纵向总结国内沿用的数据后，2018年国家市场监督局颁布了GB 36894—2018《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》，正式成为国家标准。该标准将个人风险基准值执行范围从新建生产装置或储存设施扩展到新建、改建、扩建3类建设项目；将防护目标分为高敏感、重要、一般3种；对一般防护目标中医院、居住区、商业区等11个场景，根据总建筑面积、高峰时人的数量划分为3类。中国现行个人风险基准值对比如图2所示。数据主要采集于全国标准信息公共服务平台，链接为http://std.samr.gov.cn/gb/search/gbDetailed?id=7AC3075CD343B4B1E05397BE0A0AC4DE。

图2 中国现行个人风险基准值对比图

2.1.2 社会可接受风险基准

社会可接受风险基准用累积频率和死亡人数之间的关系曲线(F-N曲线)表示，我国从2011年制定社会风险基准以来，采用的是中国(香港)的社会可接受风险基准，并根据国情于2018年，扩展了不可接受区范围，对可能造成1000人死亡的社会风险实行零容忍，新的风险基准尚待实际工作中进行验证。我国与其他国家社会风险基准相比，处于中等水平，具体对比如图3所示。

图3 中国与其他国家社会可接受风险基准值对比图

数据主要收集于国家应急管理部2014年6月27日网站，链接为：https://www.mem.gov.cn/gk/zcjd/201406/t20140627_233065.shtml以及GB 36894—2018等国家标准。

2.2 安全防护距离

安全防护距离是指防护目标(具体分类见本文2.1.1节图2)在定量风险分析模型进行数值模拟能够波及到的范围内，且个人风险和社会风险均可接受的距离。经数值模拟，防护目标位于安全防护距离内，其社会风险落入尽可能降低区，还应采取安全措施，降低对防护目标的事故后果影响。

2.3 模型定量评估方法的选用

定量安全评估模型根据定量结果类别不同，分为概率风险分析法、伤害(或破坏)范围分析法和危险指数分析法[5]。实际应用过程中，易燃气体选用蒸气云(UVCE)爆炸事故模型，有毒气体选用有毒有害物质泄漏扩散事故模型，压力容器选用易燃液体选用池火灾(pool f ire)或蒸气云(UVCE)爆炸模型最为适用。易燃液体常选用池火灾(pool f ire)或蒸气云(UVCE)爆炸冲击波模型属于伤害(或破坏)范围分析法。事故后果影响定量风险分析模型(QRA)采用的是概率风险分析法和伤害(或破坏)范围分析法相结合。

2.4 多米诺效应

单个生产装置或储存设施，只考虑个体即可。整个易燃液体储罐区域发生火灾事故，还要考虑多米诺效应，即考虑个体与个体之间的链式传播引起的连锁反应，以及对事故影响范围起到增幅作用。

3 实证分析

为验证模型的实际应用，选取笔者实际工作中接触到的案例进行数值模拟计算，根据信息保密原则，对储罐介质和相关数据进行了处理，本文的结论不适用于该案例涉及的企业，也不能作为第三方评价机构评估依据和行政监察执法依据。

3.1 分析软件和案例

选用RC-QRA定量分析软件，选取上海市某化工园区内的危险化学品生产企业的在役储罐区进行火灾事故后果场景模拟，针对周边300 m内两个防护目标进行数值模拟计算，得出结论：该罐区发生火灾事故，结果是否超过区域内的风险容量，明确该危险化学品储存罐区是否可以保留。

3.2 模拟数据分析

3.2.1 易燃液体储罐区

储罐区储罐初始数据表如表1所示。

表1 储罐区储罐初始数据表

3.2.2 区域人口及防护目标调查结果

初步调查300 m内的防护目标，区域范围内涉及2家化工企业、1个园区管委会办公楼和一个创业办公园区，共计500人。储罐区北侧为创新创业园，目前有19家企业，工作日高峰期园区人员可达200人，因此列为一般防护目标一类；东侧为工业区管委会办公建筑，工作日高峰期园区人员50人，因此列为一般防护目标二类。

3.3 火灾事故后果数值模拟输出

使用RC-QRA分析软件进行数值模拟，得出个人风险值和社会风险值，并在考虑多米诺效应的情况下进行对比。

3.3.1 个人风险输出结果

将风险等级分为六级，一级风险基准为3×10-5、二级风险基准为1×10-5、三级风险基准为3×10-6、四级风险基准为1×10-6、五级风险基准为4×10-7、六级风险基准为1×10-7。数值模拟中参照为A点和B点，若两者落入个人风险基准等值线内，则该易燃液体储罐区个人风险不可接受。

根据个人风险输出结果：若不考虑多米诺效应进行数值模拟计算，一级风险(＜3×10-5)等值线影响范围基本在本厂区内建构筑物；考虑多米诺效应进行数值模拟计算，一级风险等值线影响范围包括了邻厂的建构筑物。考虑多米诺效应和不考虑多米诺效应两种情况下进行数值模拟，三级风险(＜3×10-6)等值线都未影响一般防护目标一类(A)；考虑多米诺效应与否，二级风险(＜1×10-5)等值线都未影响一般防护目标二类(B)。两种不同情况下的个人风险等值线输出结果如图4所示。

图4 个人风险等值线输出结果图

3.3.2 社会风险输出结果及分析

社会风险可接受基准采用ALARP(As Low As Reasonable Practice)原则，划分为3个区域，即不可接受区、尽可能降低区、可接受区。若社会风险曲线落入不可接受区，该易燃液体储罐区整体社会风险不可接受。

根据社会风险输出结果：在不考虑多米诺效应的情况下进行数值模拟分析，整体社会风险落入尽可能降低区和可接受区；在考虑多米诺响应的情况下，整体社会风险在不可接受区域、尽可能降低区和可接受区均有分布。社会风险分布区域输出结果图如图5所示。

图5 社会风险分布区域输出结果图

3.4 数值模拟结果分析

储罐区使用定量分析模型(QRA)进行个人风险模拟。经计算，防护目标一类(A点)、防护目标二类(B点)均为三级风险(＜3×10-6)和四级风险(＜3×10-7)等值线外，该罐区属于在役或新改扩项目时个人风险均可接受；经社会风险模拟数值计算，在考虑多米诺效应的状态下，社会风险部分落入不可接受区。该储罐区出现的火灾事故，发生多米诺效应的概率存在，罐区社会风险不可接受。该易燃储罐区的分析模型(QRA)事故后果模拟计算结果为社会风险不可接受。

模拟计算中增加多米诺效应的影响因素，个人风险等值线覆盖范围扩大，防护目标计算的个人风险值增大。整体模拟结论由符合改变为不符合，综合项目情况，采纳多米诺效应影响下的数值模拟结果。

4 结语

易燃液体储罐区的定量风险分析模型(QRA)采用概率风险分析法和伤害(或破坏)范围分析法两种方法相结合的方式，在考虑储罐间多米诺效应的情况时，用事故后果数值模拟预测事故的风险程度。本文采用的模型涵盖了事故发生后影响事故后果的大多数影响因素，并根据新的个人风险和社会风险基准进行了修正，本方法可以作为应急管理部门评估新建、改建、扩建项目及在役项目超过区域安全风险容量；并为新标准的研究和应用起到了推动作用。

在分析过程中发现，我国将“千人死亡率可接受社会风险基准定义为0”不符合概率统计学原则，尚待实际应用过程中验证或修正。

模型可以在危险化学品生产装置和储存设施新建、改建、扩建前，对项目是否满足区域安全风险容量提前进行计算；也可以对在役项目进行数值模拟，对个人风险和社会风险不可接受的项目，可以提前发出安全预警，为应急管理部门及化工园区的安全监督管理提供依据。

由于各类软件定量模型的数据库和技术能力限制，对建构筑物平面布置和竖向布置的影响未予以考虑，或影响因子比重不适当，因此数值模拟结果有一定程度上的失真。今后还要深入研究，建立和充实国家级别的数据库，进而完善事故后果定量风险分析模型。