毒氣泄漏和蒸汽云爆炸事故的人員疏散路線研究
——以寧波某化工園區(qū)為例

黃 輝副教授 郭金波 蔡喜洋工程師 胡思成工程師 莊春吉高級實驗師

(1.寧波工程學院,浙江 寧波 315211;2.天津大學浙江研究院,浙江 寧波 315201;3.中北大學,山西 太原 030051;4.寧波市危險化學品應急救援研究中心,浙江 寧波 315825;5.寧波市應急管理綜合服務保障中心,浙江 寧波 315066)

0 引言

近年來,國家陸續(xù)出臺相關政策文件,加快推動化工企業(yè)集聚化、規(guī)范化發(fā)展,“進區(qū)入園”已成為石油化工行業(yè)發(fā)展的重要趨勢?；て髽I(yè)進入園區(qū)可以享受配套政策、上下游產業(yè)鏈和交通物流等紅利,但發(fā)生嚴重事故時,往往會波及其相鄰區(qū)域,給化工園區(qū)及其周邊人員安全造成嚴重威脅。因此,化工園區(qū)事故情景下人員疏散問題也越來越受到學者關注。

國內外針對化工園區(qū)人員疏散問題,通常從2個方面開展研究。一是確定事故可能造成的影響區(qū)域,再進行合理疏散。如惠文穎等[1]根據高斯煙羽模型結合公眾吸入毒氣劑量得出毒氣泄漏后公眾的疏散路線;楊奇睿等[2]利用流體仿真軟件對天然氣管道進行三維數(shù)值模擬,并確定泄漏時人員疏散的安全距離;李琦[3]利用ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmosphers)軟件對毒氣泄漏事故中的疏散范圍進行計算,按照毒氣濃度高低劃成3個級別的疏散范圍;徐可[4]通過ALOHA對毒氣泄漏事故影響范圍的計算,進行疏散研究;陳國華等[5]采用挪威船級社的量化風險評估軟件模擬事故后果,將模擬結果中個人風險表示為位置風險,建立疏散模型。二是開展人員疏散模型的研究。如葉繼紅等[6]提出引入毒性負荷值的自適應蟻群算法模型,并應用到化工園區(qū)毒氣泄漏事故的疏散模擬中;謝文麗等[7]基于網絡流控制理論,在Dijkstra算法基礎上建立多源點人員疏散模型;Chen等[8]采用人體傷害模型及考慮路徑沖突,提出基于先驗知識的Dijkstra算法模型;張帝等[9]在保障疏散路線安全的情況下,用Floyd算法構建疏散模型;陳一洲等[10]以耦合災害條件下人群疏散路線優(yōu)化為核心,構建毒氣泄漏元胞模型;González-Villa等[11]提出基于GIS的交通、行人和路徑模型的實時疏散管理系統(tǒng)。

針對化工園區(qū)人員疏散的事故情境,現(xiàn)有研究通常只限定于毒氣泄漏事故情境。已有的事故案例表明,化工園區(qū)還會發(fā)生火災、蒸汽云爆炸和沸騰液體擴展蒸汽爆炸等事故。因此,本文以寧波某化工園區(qū)為分析對象,研究化工企業(yè)常見且影響范圍較大的毒氣泄露和蒸汽云爆炸事故情境。在綜合考慮疏散路線、距離和總傷害值的基礎上,通過構建人員疏散模型,最終確定最優(yōu)疏散路線,以期為化工園區(qū)應急預案的修訂及事故救援等過程提供依據。

1 事故疏散范圍的劃分及道路傷害值量化

1.1 事故疏散范圍的劃分

ALOHA軟件可以模擬化學物質釋放后發(fā)生毒氣泄漏、火災、蒸汽云爆炸和沸騰液體擴展蒸汽爆炸(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion,BLEVE)等事故。關注程度(Levels of Concern,LOC)是危險(毒性、易燃性、熱輻射或超壓)的閾值[12],通常指的是對人員或財產造成威脅的大小。ALOHA軟件在分析化學品釋放時,需要選擇一個或多個LOC。對于每個LOC,ALOHA軟件會模擬出在釋放開始后的某個時間內,危險值超過LOC的區(qū)域,即威脅區(qū)域。

1.1.1 毒性關注水平

ALOHA軟件模擬毒氣泄漏時,會優(yōu)先使用公眾暴露指南(如急性暴露指南、暴露指南、臨時緊急暴露指南)作為默認毒性關注水平。而急性暴露指南水平(Acute Exposure Guideline Level,AEGLs)在毒性關注水平中優(yōu)先使用[13-14],其涉及的分級標準,見表1。

表1 AEGLs分級表Tab.1 AEGLs classification table

1.1.2 熱輻射關注水平

熱輻射的影響很大程度上取決于熱輻射強度和暴露時間。人暴露在特定熱輻射強度下的傷害后果[15],見表2。人暴露于特定熱輻射強度后產生生理效應的時間,見表3。熱輻射關注水平可用于衡量著火釋放的熱輻射,通常應用在池火、噴射火或BLEVE場景。而ALOHA軟件中沒有明確的指南或標準來評估熱輻射的危害,因此使用默認熱輻射值,見表4。

表2 不同熱輻射造成的傷害情況Tab.2 Injury caused by different thermal radiation

表3 熱輻射燒傷標準Tab.3 Thermal radiation burn standard

表4 熱輻射分級表Tab.4 Thermal radiation classification table

1.2 道路傷害值量化

傳統(tǒng)疏散路線的研究往往考慮的是疏散時間最短或者疏散路線最短。但在一些特定的事故情境中,最佳疏散路線應是疏散人員所受到的傷害盡可能小。因此,可利用“道路當量長度”概念,用離散化的計算來確認每條路徑的毒氣傷害值。

采取分段累加的方式進行道路傷害值計算。以每段道路的起點到終點為范圍,從起點開始間隔一定距離設置一個節(jié)點,再以此節(jié)點間距設置下一個節(jié)點,依次重復到終點為止。計算出各節(jié)點的傷害值,再將各節(jié)點的傷害值累加得到該段道路的傷害累加值。傷害累加值與路線傷害精確值h的乘積,即為該段道路的傷害值[16]。

ZMo-Me=[Q(xo,yo)+Q(xo+p,yo+p)+…+Q(xe,ye)]×h

(1)

式中:

ZMo-Me—起點Mo到終點Me的道路總傷害值;

Q(xo,yo)—起點Mo的節(jié)點傷害值;

Q(xo+p,yo+p)—起點Mo各節(jié)點傷害值;

p—節(jié)點間的距離,m;

Q(xe,ye)—終點Me的節(jié)點傷害值。

利用道路傷害值可以將不同事故對人的傷害情況轉換成道路當量長度,從而利用Dijkstra算法求出最小傷害值的路徑。

2 疏散路線規(guī)劃模型建立

2.1 模型假設

化工園區(qū)人員疏散模型涉及自然條件、現(xiàn)場環(huán)境特征、外界救援、路徑復雜度、人員狀況、疏散人數(shù)等眾多影響因素。本文從理論上對最優(yōu)疏散路線進行建模求解,作以下簡化和假設:

(1)化工園區(qū)危險源監(jiān)控的重點是液化毒性氣體和液化可燃氣體設備,疏散模型的特定場景為毒氣泄漏和沸騰液體擴展蒸汽爆炸2種情景。

(2)宏觀疏散過程將整個人群視為完整的個體,忽略個人的差異,如性格、年齡、身體狀態(tài)和心理等影響因素。

(3)疏散問題簡化為二維平面疏散,僅考慮道路環(huán)境特征和主要風向,忽略其他非顯著環(huán)境特征及道路擁擠、救援疏散雙向沖突等影響疏散速度的因素。

(4)在忽略人群之間的相互作用力、整個人群被視為完整個體的前提下,人員疏散速度保持不變[16],最短疏散路線即為最短疏散時間。

(5)避難點選擇在非事故影響區(qū)域且靠近城區(qū)的地方,僅基于實際道路交通主體研究整個化工園區(qū)內的疏散路線,忽略事故企業(yè)內部的疏散情況。

2.2 模型算法建立

根據實際道路長度數(shù)據和道路傷害值,可用Dijkstra算法來構建化工園區(qū)的多源點疏散路線模型,從而尋求最優(yōu)的疏散路線。

步驟1:構建一個輔助數(shù)組D,若從起始點v到其他每個頂點vi有弧(即從v到vi存在連接邊),它的每個元素D[i]表示為弧上的權值(即為從v到vi的邊的權值);若2個頂點之間不存在連接邊,則置D[i]為∞且置D[i,i]也為∞,即不存在繞路。

步驟2:令D[j]=min{D|vi∈V}(V為頂點集合),表示從v出發(fā)到頂點vj的長度最短的一條路徑,此路徑為(v,vj)。

步驟3:假設S為已求得的從源點v出發(fā)的最短路徑長度的頂點集合,可得最短路徑(設其終點為d)為弧(v,d),或是從源點v出發(fā)只經過S中的頂點而最后到達終點d的路徑。D[j]=min{D[i]|vi∈V-S},其中,D[i]為弧(v,vi)上的權值或D[k](vk∈S)和弧(vk,vi)(k為節(jié)點)上的權值之和。

3 案例分析

分別以寧波某化工園區(qū)中最大氯氣儲罐發(fā)生毒氣泄漏、最大乙烯球罐發(fā)生沸騰有毒液體擴展蒸汽爆炸事故情景為案例進行分析,通過事故影響范圍確定人員疏散網絡節(jié)點,進而構建化工園區(qū)多源點人員疏散路線模型。

3.1 毒氣泄漏疏散案例分析

3.1.1 疏散案例描述

發(fā)生持續(xù)性泄漏事故的氯氣儲罐及化工園區(qū)氣象參數(shù),見表5。通過ALOHA軟件計算得到氯氣泄漏事故的AEGLs各傷害等級影響區(qū)域,再結合GIS軟件確定疏散區(qū)域(如圖1)、疏散路網(如圖2),圖1、2中序號表示人員疏散的節(jié)點。

圖1 不同盛行風向下的疏散區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of evacuation areas under different prevailing wind directions

圖2 寧波某化工園區(qū)交通路網信息圖Fig.2 Traffic road network map of a chemical industry park in Ningbo

表5 液氯泄漏事故參數(shù)表Tab.5 Parameter table for liquid chlorine leakage accidents

在毒氣泄漏事故情境中,事故影響區(qū)域受主導風向影響較大。該化工園區(qū)的夏季盛行東南風,冬季盛行西北風?？紤]到夏季盛行風向對應的可見疏散區(qū)域(分別由紅色區(qū)域、橙色區(qū)域、黃色區(qū)域組成的區(qū)域)內大部分為空地(如圖1(a)),本文主要研究冬季盛行風向下的疏散行為,其對應的可見疏散區(qū)域覆蓋了化工園區(qū)的大部分區(qū)域,如圖1(b)。但隨著園區(qū)空地未來的建設利用,將來應根據實際情況考慮風向帶來的影響。

3.1.2 毒氣泄漏最優(yōu)疏散路線

在毒氣泄漏事故情境下,疏散點選擇為毒氣泄漏起始點附近及隨著毒氣擴散可能遭受傷害的道路節(jié)點。根據各節(jié)點間的距離和毒氣傷害值,結合MATLAB軟件可計算得到毒氣泄漏事故情景下的最短疏散路線和傷害值最小疏散路線,見表6、7。同時,在圖1(b)中進行標識,黑色路線為最短疏散路線,白色路線為傷害值最小的疏散路線。

表6 最短疏散路線Tab.6 Shortest evacuation route

表7 傷害值最小疏散路線Tab.7 Minimal injury evacuation route

3.1.3 結果討論

通過比較表6、7中最短疏散路線與傷害值最小的疏散路線可以看出,最短的總疏散距離并不總是最優(yōu)的疏散路線,大多疏散點的最短疏散路線總毒性負荷都遠遠大于其傷害值最小的疏散路線總毒性負荷,但是兩者的總疏散距離相差不多。在傷害值最小的疏散路線中,除去事故企業(yè)(疏散點1)疏散的總毒性負荷與其最短疏散路線一致,其余的疏散路線總毒性負荷都為0,這說明多數(shù)疏散路線可以保障人員在疏散過程中的安全。

3.2 沸騰有毒液體擴展蒸汽爆炸疏散案例分析

3.2.1 疏散案例描述

發(fā)生沸騰有毒液體擴展蒸汽爆炸事故的乙烯球罐及化工園區(qū)氣象參數(shù),見表8。通過ALOHA軟件可以計算得到沸騰有毒液體擴展蒸汽爆炸事故的熱輻射等級影響區(qū)域,再結合GIS軟件可確定疏散區(qū)域(如圖3)和疏散路網(如圖4)。圖4中的序號表示人員疏散節(jié)點。

圖3 疏散區(qū)域示意圖Fig.3 Evacuation area schematic diagram

圖4 寧波某化工園區(qū)交通路網信息圖Fig.4 Traffic road network map of a chemical industry park in Ningbo

表8 事故參數(shù)表Tab.8 Accident parameter table

沸騰有毒液體擴展蒸汽爆炸事故情境下,主導風向對事故區(qū)域基本沒有影響。

從圖3可知,沸騰有毒液體擴展蒸汽爆炸事故情境下,紅色區(qū)域表示人在60s內可能致命,橙色區(qū)域表示人在60s內可造成二級燒傷,黃色區(qū)域表示人在60s內感到疼痛。

3.2.2 疏散路線選擇

在沸騰有毒液體擴展蒸汽爆炸事故情境下,疏散點選擇為事故起始點附近及可能遭受傷害的節(jié)點。根據各節(jié)點間的距離和熱輻射傷害值,通過MATLAB軟件計算可獲得沸騰有毒液體擴展蒸汽爆炸事故情景的最短疏散路線和傷害值最小疏散路線,見表9、10。同時,在圖3中標識,黑色路線為最短疏散路線,白色路線為傷害值最小的疏散路線。

表9 最短疏散路線Tab.9 Shortest evacuation route

表10 傷害值最小疏散路線Tab.10 Minimal injury evacuation route

3.2.3 結果討論

比較表9、10中的最短疏散路線與傷害值最小的疏散路線可以發(fā)現(xiàn),疏散點為3、5、6的最短疏散距離的疏散路線與傷害值最小的疏散路線基本一致。多數(shù)疏散點的傷害值最小疏散路線中的疏散距離雖比最短路線的疏散距離長,但其對應的熱輻射傷害值卻大幅度降低,如疏散點1的傷害值最小的疏散路線為12080m,是總疏散距離最短的疏散路線6780m的1.78倍,但其對應的熱輻射傷害值卻從13880kw/m2降到2454kw/m2。疏散點2的傷害值最小疏散路線更是有效避免了最短疏散路線往事故地點方向進行的不合理疏散,從而大幅降低熱輻射值。

4 結論

面對化工園區(qū)可能發(fā)生的毒氣泄漏、火災、爆炸等事故,本文以寧波某化工園區(qū)為例,對毒氣泄露和蒸汽云爆炸2種事故情景下的人員疏散路線進行研究,得到的結論如下:

(1)針對園區(qū)可能發(fā)生的氯氣毒氣泄漏和乙烯蒸汽云爆炸事故,利用ALOHA軟件模擬可確定相應事故的影響范圍和疏散區(qū)域,基于GIS可確定人員疏散可用道路信息。

(2)借助Dijkstra算法分別對2種事故受影響區(qū)域的各道路節(jié)點進行人員疏散路線規(guī)劃,再通過疏散最短、傷害值最小2種疏散路線規(guī)劃的對比,獲得相應事故發(fā)生時建議選擇的具體疏散路線。

(3)通過毒氣泄漏、蒸汽云爆炸事故情況下的人員疏散路線研究,可有效避免事故發(fā)生后因盲目疏散而導致的二次傷害,有助于進一步完善化工園區(qū)的應急預案,也可為事故狀態(tài)下的應急救援提供指導。