氯碱厂液氯泄漏事故人员疏散路径优化的数值模拟

赵婧璇，赵云胜，郭　颖

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

液氯系统装置发生事故，需要将处于灾害范围内的人群疏散到安全区域。紧急状况下，灾害范围内的人群处于恐慌和无序状态，需要尽快地确定灾害范围内的最优疏散路径来引导人群疏散，以减少事故造成的人员伤亡和财产损失。为了降低事故的发生，许多学者对有毒化学品泄漏事故人员应急疏散问题进行了研究，如王志荣等[1]对泄漏事故发生的机理、泄漏源的情况和泄漏的过程进行了归纳总结，分析得出7种主要影响因素，并建立了16种泄漏模型；席学军等[2]对城市中危害气体的泄漏进行了数值模拟，通过对局部网格进行加密，改进了模型的原始计算条件，建立了新的大涡度模型，并从动力学的角度研究了城市一旦发生有害气体的泄漏对城市造成的影响，并提出了相应的防控措施；颜峻等[3]利用CFD方法对重气扩散进行了深入研究，并取得了一定的研究成果;李向欣[4]采用高斯烟团模型模拟了有毒化学品泄漏后的扩散区域,确定了应急疏散范围，建立了应急疏散优化模型,利用Lingo优化软件求解该模型，并以液氯泄漏事故为例,研究危险区域的人员疏散,确定了最佳应急疏散方案；赵江平等[5]以西安某化工厂氯气储罐泄漏事故为例，采用高斯扩散模型计算氯气泄漏的浓度分布,利用Building EXODUS软件模拟了企业内部及其毗邻的居民区和厂前马路3个区域人员疏散过程,并结合概率函数法探讨了人员中毒概率及避难点的优选等。

基于上述研究，本文以某氯碱厂厂区内和厂区外的液氯泄漏为研究对象，采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)Fluent软件进行了数值模拟，通过构建泄漏场景，并根据人员疏散路径在不同的泄漏场景下会有所不同，考虑全部泄漏场景的发生概率[6]，通过不同泄漏场景中各位置的氯气扩散实时浓度来评估不同的人员疏散方案，优选出在所有泄漏场景下人员累计中毒风险较小的最优疏散路径。

1　理论依据

1. 1　液氯泄漏事故后果的定量计算

液氯泄漏事故后果可由人员中毒死亡百分比来表征。概率函数法和剂量反应模型是评估人员在一定时间接触一定浓度毒物所造成影响的常用方法[7]。将CFD模拟监测到的各点毒气浓度值及人员暴露时间作为计算暴露剂量的依据，从而根据剂量反应模型可确定人员中毒死亡百分比[8]。其中，对难以得出浓度-时间函数的毒气泄漏，可用累计求和近似求解[计算模型见公式(2)]。剂量反应模型中的浓度和时间分别由CFD模拟中的时间间隔内毒气浓度及时间间隔得到，此方法可对毒气泄漏不同时刻、处于不同地点的人员进行个人风险的定量评估。

液氯泄漏事故后果可由概率函数法和剂量反应模型确定的人员中毒死亡概率来表征，以此得到各泄漏场景在特定位置(x,y)处的人员中毒死亡概率Pi(x,y)，其满足下列关系式：

(1)

式中：s为积分变量；k1、k2为取决于毒物性质的常数；Vi(x,y)为场景i在位置(x,y)处的毒气剂量(ppm，1 ppm=10-6)。

其中，Vi(x,y)的表达式为

(2)

式中:Δti为时间间隔(min)；Ci为Δti时间间隔内的毒气体积分数(10-6)；k为总的时间间隔数；m为取决于毒气性质的浓度指数。

暴露剂量可利用CFD软件对泄漏场景进行真实的泄漏模拟获得，通过建立有毒气体泄漏CFD模型，在特定位置(x,y)处设置监测点，记录不同泄漏场景中各位置气体泄漏扩散实时浓度场，将监测得到的特定位置处有毒气体浓度随时间的变化情况作为计算暴露剂量的依据。

中毒事故的概率函数一般表达式为

Pr=k1+k2ln(V)

(3)

式中：Pr为概率单位；k1、k2为取决于毒物性质的常数，其取值详见表1；V为毒气剂量(ppm)。

表1　有毒气体毒性常数取值表Table 1　Toxicity data of the toxic gases

由表1可见，液氯泄漏中毒事故有毒气体氯气的毒性常数分别为k1=-5.3和k2=0.5。氯气的浓度指数m为2.75。

概率单位Pr与人员中毒死亡百分比P之间的换算可由下式得出：

(4)

1. 2　人员疏散路径的影响因素分析

(1) 道路状况。道路状况主要指致灾范围内道路通行状况。在灾害范围内进行人群疏散首先要考虑该范围内道路通行状况，道路通畅可以保证人群疏散活动快速、高效地进行。因此，在进行救援决策部署时，要以实时的交通状况来合理安排疏散路线，即需要考虑灾害区内路径信息状况，通过路径规划，帮助被疏散人群在疏散时合理规划疏散路径，快速达到安全避险点[9]。在本研究中，假设所有的疏散道路都是畅通的。

(2) 疏散时间。疏散时间是指灾害范围内人群疏散到安全区域且身体机能正常的这段时间，也称之为安全疏散时间。若灾害范围内所有人员能在身体失去正常机能之前全部疏散到安全区域，则可以认为该疏散路径的选取对于人员疏散是安全合理的。由于灾害范围内人员在现场分布点不均，个体对泄漏事故的心理反应不同，事故对个体的行为影响不同，加上个体应急能力不同，都将影响整个疏散时间[10]。因此，疏散时间对个体而言是随机变量，但在本研究中，将疏散时间看成是整体疏散时间，是相对固定的变量。

2　某氯碱厂液氯泄漏人员疏散路径优化的实例分析

根据液氯制取系统装置中的液氯泄漏扩散事故，共构建88个泄漏场景，单个泄漏场景下疏散路径优化方案只能代表当前泄漏场景，不能代表全部泄漏场景，而针对全部泄漏场景下的人员疏散方案，可根据人员疏散过程中疏散路径各位置的氯气实时浓度作为评价指标，对人员疏散路径进行优化分析，从而有效提高人员疏散的安全性。由于篇幅有限，本文仅分析了部分泄漏场景。

某氯碱厂平面图如图1所示。人员疏散是将厂区内的人员疏散至厂区外的安全点，不同位置有不同的疏散路线，由于厂区内道路情况比较简单，从当前位置到安全点的疏散路径基本只有一条，所以需要考虑疏散路线优化的区域主要集中在图中的区域一、区域二、区域三内。因此，在疏散路线上每20 m设置一个监测点，用于监测人员疏散过程中吸入的氯气浓度。本文以区域一为例，具体介绍厂区疏散路径优化的方法。

在区域一内，当液氯泄漏事故发生时，处于监测点37位置的人员有两条疏散逃生路线：路线一是A—D，由监测点37、20、14、13、12记录该条路线上的液氯扩散实时浓度数据；路线二是B—C，由监测点37、36、35、27、12记录该条路线上的液氯扩散实时浓度数据。按照相关国家标准，氯气报警探测器在氯气浓度达到1 ppm时报警，在泄漏场景13、15、29、30、31、32、46、48、52、54、64、74、79、82、85和87下，监测点37的氯气浓度可达到1 ppm，所以在上

图1　氯碱厂平面图Fig.1　Plan of the chlor-alkali plant

述泄漏场景下人员在听到报警后需要进行撤离。部分监测点在上述泄漏场景下氯气扩散实测浓度的监测数据，详见表2。

表2　部分监测点在不同泄漏场景下氯气扩散实时浓度的监测数据(ppm)Table 2　Real-time concentration of chlorine gas at part of the monitoring points under different leakage senarios (unit:ppm)

以泄漏场景74为例，根据报警探测器种类不同，其最大的报警滞后时间为30 s，监测点37处氯气浓度达到1 ppm所需时间为70 s，故最大报警所需时间为100 s。在100 s时人员开始撤离，常见的几种交通疏散方式下的人员通行速度见表3。

考虑表3中的人员通行速度及现场实际情况，

表3　不同交通疏散方式下的人员通行速度Table 3　　　　Traffic speed under different modes of traffic evacuation

将人员通行速度设定为2.5 m/s，根据CFD模拟结果，记录人员到达每个监测点时的液氯浓度值，并建立人员疏散路线优化的数学模型如下：

目标函数

(5)

其中,Ri,t(x,y)的表达式为

(6)

概率单位Pr与人员中毒死亡百分比P满足以下关系：

(7)

其中，Pr的表达式为

Pr=k1+k2ln(V)

(8)

式中：minf(y)表示在全部泄漏场景下某疏散路线上人员的累计中毒风险最小；Ri,t(x,y)为在泄漏场景i下，位置R(x,y)处在t时刻的个人风险；ki为泄漏场景i发生的概率；i为气体泄漏场景；m为气体泄漏场景的数量；j为监测点；s为监测点的数量；t为人员处于该监测点的时间(min)；Pi(x,y)为人员中毒死亡概率；Pr为概率单位；k1、k2为取决于毒物性质的常数；V为毒气的剂量(ppm)。

根据计算结果可知，在区域一内，当液氯泄漏事故发生时，选取路线一进行疏散的人员中毒风险为2.56×10-7，选取路线二进行疏散的人员中毒风险为1.89×10-7，所以当路线一不处于下风向时，位于监测点37处的人员应选择路线二进行疏散。

根据同样的疏散路径优化方法，在区域二内，当液氯泄漏事故发生时，处于监测点176位置的人员有两种疏散逃生路线：路线一是G—I，由监测点158、145、131、117、106、93记录该条路线上的液氯扩散实时浓度数据；路线二是H—J，由监测点177、178、179、180、181、182记录该条路线上的液氯扩散实时浓度数据。在5、6、7、88等30个泄漏场景下，监测点176的氯气浓度可达到1 ppm，所以在上述泄漏场景下人员在听到报警后需要进行撤离。经计算可得，选取路线一进行疏散的人员中毒风险为6.75×10-8，选取路线二进行疏散的人员中毒风险为7.82×10-8，所以当路线二不处于下风向时，位于监测点176处的人员应选择路线一进行疏散。

在区域三内，当液氯泄漏事故发生时，位于E、F夹角点的人员有两条疏散线路，即路线一是E，路线二是F，由于可设置的监测点数量有限，所以在E、F处未设置监测点，但在模拟得到的该液氯系统装置泄漏个人中毒死亡概率风险云图(见图2)上可根据其位置确定人员中毒死亡概率低的疏散路线。

图2　　　　液氯系统装置泄漏个人累计中毒死亡概率风险云图Fig.2　　　　Mortality risk cloud map of personal poisoning by the leakage of liquid chlorine system device

由图2可见，在区域三内，路线一的疏散方案个人累计中毒死亡概率仍较大，而路线二的疏散方案是向个人累计中毒死亡概率低的区域疏散，故当液氯泄漏事故发生时，处于区域三内两条疏散路线交叉口的人员应选取路线二进行疏散。

3　结　论

通过以上模拟结果分析得出：当某氯碱厂发生液氯泄漏事故时，区域一中的第二条路线、区域二中的第一条路线和区域三中的第二条路线为人员最优疏散路线，可以选择这三条路线作为氯碱厂液氯泄漏事故人员的疏散路径。

参考文献：

[1] 王志荣,蒋军成，王三明，等.典型化工过程灾害性事故的模拟分析系统[J].天然气工业,2004,24(5),123-126.

[2] 席学军,邓云峰.城市地区毒气扩散事故数值模拟[J].中国安全生产科学技术,2006,2(6)：35-38.

[3] 颜峻，左哲.CFD 方法对突发性化学性事故中危险物质泄露范围的确定[J].中国安全科学学报,2007,17(1):102-106.

[4] 李向欣.有毒化学品泄漏事故应急疏散决策优化模型研究[J].安全与环境学报,2009,9(1):123-126.

[5] 赵江平,田海啸，宋倩文，等.氯气泄漏事故区域应急疏散研究——以西安某化工厂氯气储罐为例[J].中国安全科学学报,2014,24(1):163-169.

[6] 李剑峰.有毒重气扩散数值模拟与应急疏散关键技术研究[D].天津：南开大学，2008.

[7] 章博,陈国明.基于CFD的毒气泄漏中毒定量评估[J].安全与环境学报,2009,9(2):158-160.

[8] 章博.高含硫天然气集输管道腐蚀与泄漏定量风险研究[D].青岛：中国石油大学(华东),2010.

[9] 王静虹.非常规突发情况下大规模人群疏散的不确定性研究[D].合肥：中国科学技术大学,2013.

[10]代伟.群集应急疏散影响因素及时间模型研究[D].长沙：中南大学,2012.