毒气泄漏和蒸汽云爆炸事故的人员疏散路线研究——以宁波某化工园区为例

黄 辉副教授 郭金波 蔡喜洋工程师 胡思成工程师 庄春吉高级实验师

(1.宁波工程学院,浙江 宁波 315211;2.天津大学浙江研究院,浙江 宁波 315201;3.中北大学,山西 太原 030051;4.宁波市危险化学品应急救援研究中心,浙江 宁波 315825;5.宁波市应急管理综合服务保障中心,浙江 宁波 315066)

0 引言

近年来,国家陆续出台相关政策文件,加快推动化工企业集聚化、规范化发展,“进区入园”已成为石油化工行业发展的重要趋势。化工企业进入园区可以享受配套政策、上下游产业链和交通物流等红利,但发生严重事故时,往往会波及其相邻区域,给化工园区及其周边人员安全造成严重威胁。因此,化工园区事故情景下人员疏散问题也越来越受到学者关注。

国内外针对化工园区人员疏散问题,通常从2个方面开展研究。一是确定事故可能造成的影响区域,再进行合理疏散。如惠文颖等[1]根据高斯烟羽模型结合公众吸入毒气剂量得出毒气泄漏后公众的疏散路线;杨奇睿等[2]利用流体仿真软件对天然气管道进行三维数值模拟,并确定泄漏时人员疏散的安全距离;李琦[3]利用ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmosphers)软件对毒气泄漏事故中的疏散范围进行计算,按照毒气浓度高低划成3个级别的疏散范围;徐可[4]通过ALOHA对毒气泄漏事故影响范围的计算,进行疏散研究;陈国华等[5]采用挪威船级社的量化风险评估软件模拟事故后果,将模拟结果中个人风险表示为位置风险,建立疏散模型。二是开展人员疏散模型的研究。如叶继红等[6]提出引入毒性负荷值的自适应蚁群算法模型,并应用到化工园区毒气泄漏事故的疏散模拟中;谢文丽等[7]基于网络流控制理论,在Dijkstra算法基础上建立多源点人员疏散模型;Chen等[8]采用人体伤害模型及考虑路径冲突,提出基于先验知识的Dijkstra算法模型;张帝等[9]在保障疏散路线安全的情况下,用Floyd算法构建疏散模型;陈一洲等[10]以耦合灾害条件下人群疏散路线优化为核心,构建毒气泄漏元胞模型;González-Villa等[11]提出基于GIS的交通、行人和路径模型的实时疏散管理系统。

针对化工园区人员疏散的事故情境,现有研究通常只限定于毒气泄漏事故情境。已有的事故案例表明,化工园区还会发生火灾、蒸汽云爆炸和沸腾液体扩展蒸汽爆炸等事故。因此,本文以宁波某化工园区为分析对象,研究化工企业常见且影响范围较大的毒气泄露和蒸汽云爆炸事故情境。在综合考虑疏散路线、距离和总伤害值的基础上,通过构建人员疏散模型,最终确定最优疏散路线,以期为化工园区应急预案的修订及事故救援等过程提供依据。

1 事故疏散范围的划分及道路伤害值量化

1.1 事故疏散范围的划分

ALOHA软件可以模拟化学物质释放后发生毒气泄漏、火灾、蒸汽云爆炸和沸腾液体扩展蒸汽爆炸(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion,BLEVE)等事故。关注程度(Levels of Concern,LOC)是危险(毒性、易燃性、热辐射或超压)的阈值[12],通常指的是对人员或财产造成威胁的大小。ALOHA软件在分析化学品释放时,需要选择一个或多个LOC。对于每个LOC,ALOHA软件会模拟出在释放开始后的某个时间内,危险值超过LOC的区域,即威胁区域。

1.1.1 毒性关注水平

ALOHA软件模拟毒气泄漏时,会优先使用公众暴露指南(如急性暴露指南、暴露指南、临时紧急暴露指南)作为默认毒性关注水平。而急性暴露指南水平(Acute Exposure Guideline Level,AEGLs)在毒性关注水平中优先使用[13-14],其涉及的分级标准,见表1。

表1 AEGLs分级表Tab.1 AEGLs classification table

1.1.2 热辐射关注水平

热辐射的影响很大程度上取决于热辐射强度和暴露时间。人暴露在特定热辐射强度下的伤害后果[15],见表2。人暴露于特定热辐射强度后产生生理效应的时间,见表3。热辐射关注水平可用于衡量着火释放的热辐射,通常应用在池火、喷射火或BLEVE场景。而ALOHA软件中没有明确的指南或标准来评估热辐射的危害,因此使用默认热辐射值,见表4。

表2 不同热辐射造成的伤害情况Tab.2 Injury caused by different thermal radiation

表3 热辐射烧伤标准Tab.3 Thermal radiation burn standard

表4 热辐射分级表Tab.4 Thermal radiation classification table

1.2 道路伤害值量化

传统疏散路线的研究往往考虑的是疏散时间最短或者疏散路线最短。但在一些特定的事故情境中,最佳疏散路线应是疏散人员所受到的伤害尽可能小。因此,可利用“道路当量长度”概念,用离散化的计算来确认每条路径的毒气伤害值。

采取分段累加的方式进行道路伤害值计算。以每段道路的起点到终点为范围,从起点开始间隔一定距离设置一个节点,再以此节点间距设置下一个节点,依次重复到终点为止。计算出各节点的伤害值,再将各节点的伤害值累加得到该段道路的伤害累加值。伤害累加值与路线伤害精确值h的乘积,即为该段道路的伤害值[16]。

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

(1)

式中:

ZMo-Me—起点Mo到终点Me的道路总伤害值;

Q(xo,yo)—起点Mo的节点伤害值;

Q(xo+p,yo+p)—起点Mo各节点伤害值;

p—节点间的距离,m;

Q(xe,ye)—终点Me的节点伤害值。

利用道路伤害值可以将不同事故对人的伤害情况转换成道路当量长度,从而利用Dijkstra算法求出最小伤害值的路径。

2 疏散路线规划模型建立

2.1 模型假设

化工园区人员疏散模型涉及自然条件、现场环境特征、外界救援、路径复杂度、人员状况、疏散人数等众多影响因素。本文从理论上对最优疏散路线进行建模求解,作以下简化和假设:

(1)化工园区危险源监控的重点是液化毒性气体和液化可燃气体设备,疏散模型的特定场景为毒气泄漏和沸腾液体扩展蒸汽爆炸2种情景。

(2)宏观疏散过程将整个人群视为完整的个体,忽略个人的差异,如性格、年龄、身体状态和心理等影响因素。

(3)疏散问题简化为二维平面疏散,仅考虑道路环境特征和主要风向,忽略其他非显著环境特征及道路拥挤、救援疏散双向冲突等影响疏散速度的因素。

(4)在忽略人群之间的相互作用力、整个人群被视为完整个体的前提下,人员疏散速度保持不变[16],最短疏散路线即为最短疏散时间。

(5)避难点选择在非事故影响区域且靠近城区的地方,仅基于实际道路交通主体研究整个化工园区内的疏散路线,忽略事故企业内部的疏散情况。

2.2 模型算法建立

根据实际道路长度数据和道路伤害值,可用Dijkstra算法来构建化工园区的多源点疏散路线模型,从而寻求最优的疏散路线。

步骤1:构建一个辅助数组D,若从起始点v到其他每个顶点vi有弧(即从v到vi存在连接边),它的每个元素D[i]表示为弧上的权值(即为从v到vi的边的权值);若2个顶点之间不存在连接边,则置D[i]为∞且置D[i,i]也为∞,即不存在绕路。

步骤2:令D[j]=min{D|vi∈V}(V为顶点集合),表示从v出发到顶点vj的长度最短的一条路径,此路径为(v,vj)。

步骤3:假设S为已求得的从源点v出发的最短路径长度的顶点集合,可得最短路径(设其终点为d)为弧(v,d),或是从源点v出发只经过S中的顶点而最后到达终点d的路径。D[j]=min{D[i]|vi∈V-S},其中,D[i]为弧(v,vi)上的权值或D[k](vk∈S)和弧(vk,vi)(k为节点)上的权值之和。

3 案例分析

分别以宁波某化工园区中最大氯气储罐发生毒气泄漏、最大乙烯球罐发生沸腾有毒液体扩展蒸汽爆炸事故情景为案例进行分析,通过事故影响范围确定人员疏散网络节点,进而构建化工园区多源点人员疏散路线模型。

3.1 毒气泄漏疏散案例分析

3.1.1 疏散案例描述

发生持续性泄漏事故的氯气储罐及化工园区气象参数,见表5。通过ALOHA软件计算得到氯气泄漏事故的AEGLs各伤害等级影响区域,再结合GIS软件确定疏散区域(如图1)、疏散路网(如图2),图1、2中序号表示人员疏散的节点。

图1 不同盛行风向下的疏散区域示意图Fig.1 Schematic diagram of evacuation areas under different prevailing wind directions

图2 宁波某化工园区交通路网信息图Fig.2 Traffic road network map of a chemical industry park in Ningbo

表5 液氯泄漏事故参数表Tab.5 Parameter table for liquid chlorine leakage accidents

在毒气泄漏事故情境中,事故影响区域受主导风向影响较大。该化工园区的夏季盛行东南风,冬季盛行西北风。考虑到夏季盛行风向对应的可见疏散区域(分别由红色区域、橙色区域、黄色区域组成的区域)内大部分为空地(如图1(a)),本文主要研究冬季盛行风向下的疏散行为,其对应的可见疏散区域覆盖了化工园区的大部分区域,如图1(b)。但随着园区空地未来的建设利用,将来应根据实际情况考虑风向带来的影响。

3.1.2 毒气泄漏最优疏散路线

在毒气泄漏事故情境下,疏散点选择为毒气泄漏起始点附近及随着毒气扩散可能遭受伤害的道路节点。根据各节点间的距离和毒气伤害值,结合MATLAB软件可计算得到毒气泄漏事故情景下的最短疏散路线和伤害值最小疏散路线,见表6、7。同时,在图1(b)中进行标识,黑色路线为最短疏散路线,白色路线为伤害值最小的疏散路线。

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

表7 伤害值最小疏散路线Tab.7 Minimal injury evacuation route

3.1.3 结果讨论

通过比较表6、7中最短疏散路线与伤害值最小的疏散路线可以看出,最短的总疏散距离并不总是最优的疏散路线,大多疏散点的最短疏散路线总毒性负荷都远远大于其伤害值最小的疏散路线总毒性负荷,但是两者的总疏散距离相差不多。在伤害值最小的疏散路线中,除去事故企业(疏散点1)疏散的总毒性负荷与其最短疏散路线一致,其余的疏散路线总毒性负荷都为0,这说明多数疏散路线可以保障人员在疏散过程中的安全。

3.2 沸腾有毒液体扩展蒸汽爆炸疏散案例分析

3.2.1 疏散案例描述

发生沸腾有毒液体扩展蒸汽爆炸事故的乙烯球罐及化工园区气象参数,见表8。通过ALOHA软件可以计算得到沸腾有毒液体扩展蒸汽爆炸事故的热辐射等级影响区域,再结合GIS软件可确定疏散区域(如图3)和疏散路网(如图4)。图4中的序号表示人员疏散节点。

图3 疏散区域示意图Fig.3 Evacuation area schematic diagram

图4 宁波某化工园区交通路网信息图Fig.4 Traffic road network map of a chemical industry park in Ningbo

表8 事故参数表Tab.8 Accident parameter table

沸腾有毒液体扩展蒸汽爆炸事故情境下,主导风向对事故区域基本没有影响。

从图3可知,沸腾有毒液体扩展蒸汽爆炸事故情境下,红色区域表示人在60s内可能致命,橙色区域表示人在60s内可造成二级烧伤,黄色区域表示人在60s内感到疼痛。

3.2.2 疏散路线选择

在沸腾有毒液体扩展蒸汽爆炸事故情境下,疏散点选择为事故起始点附近及可能遭受伤害的节点。根据各节点间的距离和热辐射伤害值,通过MATLAB软件计算可获得沸腾有毒液体扩展蒸汽爆炸事故情景的最短疏散路线和伤害值最小疏散路线,见表9、10。同时,在图3中标识,黑色路线为最短疏散路线,白色路线为伤害值最小的疏散路线。

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

表10 伤害值最小疏散路线Tab.10 Minimal injury evacuation route

3.2.3 结果讨论

比较表9、10中的最短疏散路线与伤害值最小的疏散路线可以发现,疏散点为3、5、6的最短疏散距离的疏散路线与伤害值最小的疏散路线基本一致。多数疏散点的伤害值最小疏散路线中的疏散距离虽比最短路线的疏散距离长,但其对应的热辐射伤害值却大幅度降低,如疏散点1的伤害值最小的疏散路线为12080m,是总疏散距离最短的疏散路线6780m的1.78倍,但其对应的热辐射伤害值却从13880kw/m2降到2454kw/m2。疏散点2的伤害值最小疏散路线更是有效避免了最短疏散路线往事故地点方向进行的不合理疏散,从而大幅降低热辐射值。

4 结论

面对化工园区可能发生的毒气泄漏、火灾、爆炸等事故,本文以宁波某化工园区为例,对毒气泄露和蒸汽云爆炸2种事故情景下的人员疏散路线进行研究,得到的结论如下:

(1)针对园区可能发生的氯气毒气泄漏和乙烯蒸汽云爆炸事故,利用ALOHA软件模拟可确定相应事故的影响范围和疏散区域,基于GIS可确定人员疏散可用道路信息。

(2)借助Dijkstra算法分别对2种事故受影响区域的各道路节点进行人员疏散路线规划,再通过疏散最短、伤害值最小2种疏散路线规划的对比,获得相应事故发生时建议选择的具体疏散路线。

(3)通过毒气泄漏、蒸汽云爆炸事故情况下的人员疏散路线研究,可有效避免事故发生后因盲目疏散而导致的二次伤害,有助于进一步完善化工园区的应急预案,也可为事故状态下的应急救援提供指导。