氯堿廠液氯泄漏事故人員疏散路徑優(yōu)化的數(shù)值模擬

趙婧璇，趙云勝，郭　穎

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

液氯系統(tǒng)裝置發(fā)生事故，需要將處于災(zāi)害范圍內(nèi)的人群疏散到安全區(qū)域。緊急狀況下，災(zāi)害范圍內(nèi)的人群處于恐慌和無序狀態(tài)，需要盡快地確定災(zāi)害范圍內(nèi)的最優(yōu)疏散路徑來引導(dǎo)人群疏散，以減少事故造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為了降低事故的發(fā)生，許多學(xué)者對(duì)有毒化學(xué)品泄漏事故人員應(yīng)急疏散問題進(jìn)行了研究，如王志榮等[1]對(duì)泄漏事故發(fā)生的機(jī)理、泄漏源的情況和泄漏的過程進(jìn)行了歸納總結(jié)，分析得出7種主要影響因素，并建立了16種泄漏模型；席學(xué)軍等[2]對(duì)城市中危害氣體的泄漏進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，改進(jìn)了模型的原始計(jì)算條件，建立了新的大渦度模型，并從動(dòng)力學(xué)的角度研究了城市一旦發(fā)生有害氣體的泄漏對(duì)城市造成的影響，并提出了相應(yīng)的防控措施；顏峻等[3]利用CFD方法對(duì)重氣擴(kuò)散進(jìn)行了深入研究，并取得了一定的研究成果;李向欣[4]采用高斯煙團(tuán)模型模擬了有毒化學(xué)品泄漏后的擴(kuò)散區(qū)域,確定了應(yīng)急疏散范圍，建立了應(yīng)急疏散優(yōu)化模型,利用Lingo優(yōu)化軟件求解該模型，并以液氯泄漏事故為例,研究危險(xiǎn)區(qū)域的人員疏散,確定了最佳應(yīng)急疏散方案；趙江平等[5]以西安某化工廠氯氣儲(chǔ)罐泄漏事故為例，采用高斯擴(kuò)散模型計(jì)算氯氣泄漏的濃度分布,利用Building EXODUS軟件模擬了企業(yè)內(nèi)部及其毗鄰的居民區(qū)和廠前馬路3個(gè)區(qū)域人員疏散過程,并結(jié)合概率函數(shù)法探討了人員中毒概率及避難點(diǎn)的優(yōu)選等。

基于上述研究，本文以某氯堿廠廠區(qū)內(nèi)和廠區(qū)外的液氯泄漏為研究對(duì)象，采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)Fluent軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過構(gòu)建泄漏場景，并根據(jù)人員疏散路徑在不同的泄漏場景下會(huì)有所不同，考慮全部泄漏場景的發(fā)生概率[6]，通過不同泄漏場景中各位置的氯氣擴(kuò)散實(shí)時(shí)濃度來評(píng)估不同的人員疏散方案，優(yōu)選出在所有泄漏場景下人員累計(jì)中毒風(fēng)險(xiǎn)較小的最優(yōu)疏散路徑。

1　理論依據(jù)

1. 1　液氯泄漏事故后果的定量計(jì)算

液氯泄漏事故后果可由人員中毒死亡百分比來表征。概率函數(shù)法和劑量反應(yīng)模型是評(píng)估人員在一定時(shí)間接觸一定濃度毒物所造成影響的常用方法[7]。將CFD模擬監(jiān)測到的各點(diǎn)毒氣濃度值及人員暴露時(shí)間作為計(jì)算暴露劑量的依據(jù)，從而根據(jù)劑量反應(yīng)模型可確定人員中毒死亡百分比[8]。其中，對(duì)難以得出濃度-時(shí)間函數(shù)的毒氣泄漏，可用累計(jì)求和近似求解[計(jì)算模型見公式(2)]。劑量反應(yīng)模型中的濃度和時(shí)間分別由CFD模擬中的時(shí)間間隔內(nèi)毒氣濃度及時(shí)間間隔得到，此方法可對(duì)毒氣泄漏不同時(shí)刻、處于不同地點(diǎn)的人員進(jìn)行個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)估。

液氯泄漏事故后果可由概率函數(shù)法和劑量反應(yīng)模型確定的人員中毒死亡概率來表征，以此得到各泄漏場景在特定位置(x,y)處的人員中毒死亡概率Pi(x,y)，其滿足下列關(guān)系式：

(1)

式中：s為積分變量；k1、k2為取決于毒物性質(zhì)的常數(shù)；Vi(x,y)為場景i在位置(x,y)處的毒氣劑量(ppm，1 ppm=10-6)。

其中，Vi(x,y)的表達(dá)式為

(2)

式中:Δti為時(shí)間間隔(min)；Ci為Δti時(shí)間間隔內(nèi)的毒氣體積分?jǐn)?shù)(10-6)；k為總的時(shí)間間隔數(shù)；m為取決于毒氣性質(zhì)的濃度指數(shù)。

暴露劑量可利用CFD軟件對(duì)泄漏場景進(jìn)行真實(shí)的泄漏模擬獲得，通過建立有毒氣體泄漏CFD模型，在特定位置(x,y)處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，記錄不同泄漏場景中各位置氣體泄漏擴(kuò)散實(shí)時(shí)濃度場，將監(jiān)測得到的特定位置處有毒氣體濃度隨時(shí)間的變化情況作為計(jì)算暴露劑量的依據(jù)。

中毒事故的概率函數(shù)一般表達(dá)式為

Pr=k1+k2ln(V)

(3)

式中：Pr為概率單位；k1、k2為取決于毒物性質(zhì)的常數(shù)，其取值詳見表1；V為毒氣劑量(ppm)。

表1　有毒氣體毒性常數(shù)取值表Table 1　Toxicity data of the toxic gases

由表1可見，液氯泄漏中毒事故有毒氣體氯氣的毒性常數(shù)分別為k1=-5.3和k2=0.5。氯氣的濃度指數(shù)m為2.75。

概率單位Pr與人員中毒死亡百分比P之間的換算可由下式得出：

(4)

1. 2　人員疏散路徑的影響因素分析

(1) 道路狀況。道路狀況主要指致災(zāi)范圍內(nèi)道路通行狀況。在災(zāi)害范圍內(nèi)進(jìn)行人群疏散首先要考慮該范圍內(nèi)道路通行狀況，道路通暢可以保證人群疏散活動(dòng)快速、高效地進(jìn)行。因此，在進(jìn)行救援決策部署時(shí)，要以實(shí)時(shí)的交通狀況來合理安排疏散路線，即需要考慮災(zāi)害區(qū)內(nèi)路徑信息狀況，通過路徑規(guī)劃，幫助被疏散人群在疏散時(shí)合理規(guī)劃疏散路徑，快速達(dá)到安全避險(xiǎn)點(diǎn)[9]。在本研究中，假設(shè)所有的疏散道路都是暢通的。

(2) 疏散時(shí)間。疏散時(shí)間是指災(zāi)害范圍內(nèi)人群疏散到安全區(qū)域且身體機(jī)能正常的這段時(shí)間，也稱之為安全疏散時(shí)間。若災(zāi)害范圍內(nèi)所有人員能在身體失去正常機(jī)能之前全部疏散到安全區(qū)域，則可以認(rèn)為該疏散路徑的選取對(duì)于人員疏散是安全合理的。由于災(zāi)害范圍內(nèi)人員在現(xiàn)場分布點(diǎn)不均，個(gè)體對(duì)泄漏事故的心理反應(yīng)不同，事故對(duì)個(gè)體的行為影響不同，加上個(gè)體應(yīng)急能力不同，都將影響整個(gè)疏散時(shí)間[10]。因此，疏散時(shí)間對(duì)個(gè)體而言是隨機(jī)變量，但在本研究中，將疏散時(shí)間看成是整體疏散時(shí)間，是相對(duì)固定的變量。

2　某氯堿廠液氯泄漏人員疏散路徑優(yōu)化的實(shí)例分析

根據(jù)液氯制取系統(tǒng)裝置中的液氯泄漏擴(kuò)散事故，共構(gòu)建88個(gè)泄漏場景，單個(gè)泄漏場景下疏散路徑優(yōu)化方案只能代表當(dāng)前泄漏場景，不能代表全部泄漏場景，而針對(duì)全部泄漏場景下的人員疏散方案，可根據(jù)人員疏散過程中疏散路徑各位置的氯氣實(shí)時(shí)濃度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)人員疏散路徑進(jìn)行優(yōu)化分析，從而有效提高人員疏散的安全性。由于篇幅有限，本文僅分析了部分泄漏場景。

某氯堿廠平面圖如圖1所示。人員疏散是將廠區(qū)內(nèi)的人員疏散至廠區(qū)外的安全點(diǎn)，不同位置有不同的疏散路線，由于廠區(qū)內(nèi)道路情況比較簡單，從當(dāng)前位置到安全點(diǎn)的疏散路徑基本只有一條，所以需要考慮疏散路線優(yōu)化的區(qū)域主要集中在圖中的區(qū)域一、區(qū)域二、區(qū)域三內(nèi)。因此，在疏散路線上每20 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，用于監(jiān)測人員疏散過程中吸入的氯氣濃度。本文以區(qū)域一為例，具體介紹廠區(qū)疏散路徑優(yōu)化的方法。

在區(qū)域一內(nèi)，當(dāng)液氯泄漏事故發(fā)生時(shí)，處于監(jiān)測點(diǎn)37位置的人員有兩條疏散逃生路線：路線一是A—D，由監(jiān)測點(diǎn)37、20、14、13、12記錄該條路線上的液氯擴(kuò)散實(shí)時(shí)濃度數(shù)據(jù)；路線二是B—C，由監(jiān)測點(diǎn)37、36、35、27、12記錄該條路線上的液氯擴(kuò)散實(shí)時(shí)濃度數(shù)據(jù)。按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，氯氣報(bào)警探測器在氯氣濃度達(dá)到1 ppm時(shí)報(bào)警，在泄漏場景13、15、29、30、31、32、46、48、52、54、64、74、79、82、85和87下，監(jiān)測點(diǎn)37的氯氣濃度可達(dá)到1 ppm，所以在上

圖1　氯堿廠平面圖Fig.1　Plan of the chlor-alkali plant

述泄漏場景下人員在聽到報(bào)警后需要進(jìn)行撤離。部分監(jiān)測點(diǎn)在上述泄漏場景下氯氣擴(kuò)散實(shí)測濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，詳見表2。

表2　部分監(jiān)測點(diǎn)在不同泄漏場景下氯氣擴(kuò)散實(shí)時(shí)濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)(ppm)Table 2　Real-time concentration of chlorine gas at part of the monitoring points under different leakage senarios (unit:ppm)

以泄漏場景74為例，根據(jù)報(bào)警探測器種類不同，其最大的報(bào)警滯后時(shí)間為30 s，監(jiān)測點(diǎn)37處氯氣濃度達(dá)到1 ppm所需時(shí)間為70 s，故最大報(bào)警所需時(shí)間為100 s。在100 s時(shí)人員開始撤離，常見的幾種交通疏散方式下的人員通行速度見表3。

考慮表3中的人員通行速度及現(xiàn)場實(shí)際情況，

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

將人員通行速度設(shè)定為2.5 m/s，根據(jù)CFD模擬結(jié)果，記錄人員到達(dá)每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)時(shí)的液氯濃度值，并建立人員疏散路線優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型如下：

目標(biāo)函數(shù)

(5)

其中,Ri,t(x,y)的表達(dá)式為

(6)

概率單位Pr與人員中毒死亡百分比P滿足以下關(guān)系：

(7)

其中，Pr的表達(dá)式為

Pr=k1+k2ln(V)

(8)

式中：minf(y)表示在全部泄漏場景下某疏散路線上人員的累計(jì)中毒風(fēng)險(xiǎn)最??；Ri,t(x,y)為在泄漏場景i下，位置R(x,y)處在t時(shí)刻的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)；ki為泄漏場景i發(fā)生的概率；i為氣體泄漏場景；m為氣體泄漏場景的數(shù)量；j為監(jiān)測點(diǎn)；s為監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量；t為人員處于該監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)間(min)；Pi(x,y)為人員中毒死亡概率；Pr為概率單位；k1、k2為取決于毒物性質(zhì)的常數(shù)；V為毒氣的劑量(ppm)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在區(qū)域一內(nèi)，當(dāng)液氯泄漏事故發(fā)生時(shí)，選取路線一進(jìn)行疏散的人員中毒風(fēng)險(xiǎn)為2.56×10-7，選取路線二進(jìn)行疏散的人員中毒風(fēng)險(xiǎn)為1.89×10-7，所以當(dāng)路線一不處于下風(fēng)向時(shí)，位于監(jiān)測點(diǎn)37處的人員應(yīng)選擇路線二進(jìn)行疏散。

根據(jù)同樣的疏散路徑優(yōu)化方法，在區(qū)域二內(nèi)，當(dāng)液氯泄漏事故發(fā)生時(shí)，處于監(jiān)測點(diǎn)176位置的人員有兩種疏散逃生路線：路線一是G—I，由監(jiān)測點(diǎn)158、145、131、117、106、93記錄該條路線上的液氯擴(kuò)散實(shí)時(shí)濃度數(shù)據(jù)；路線二是H—J，由監(jiān)測點(diǎn)177、178、179、180、181、182記錄該條路線上的液氯擴(kuò)散實(shí)時(shí)濃度數(shù)據(jù)。在5、6、7、88等30個(gè)泄漏場景下，監(jiān)測點(diǎn)176的氯氣濃度可達(dá)到1 ppm，所以在上述泄漏場景下人員在聽到報(bào)警后需要進(jìn)行撤離。經(jīng)計(jì)算可得，選取路線一進(jìn)行疏散的人員中毒風(fēng)險(xiǎn)為6.75×10-8，選取路線二進(jìn)行疏散的人員中毒風(fēng)險(xiǎn)為7.82×10-8，所以當(dāng)路線二不處于下風(fēng)向時(shí)，位于監(jiān)測點(diǎn)176處的人員應(yīng)選擇路線一進(jìn)行疏散。

在區(qū)域三內(nèi)，當(dāng)液氯泄漏事故發(fā)生時(shí)，位于E、F夾角點(diǎn)的人員有兩條疏散線路，即路線一是E，路線二是F，由于可設(shè)置的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量有限，所以在E、F處未設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，但在模擬得到的該液氯系統(tǒng)裝置泄漏個(gè)人中毒死亡概率風(fēng)險(xiǎn)云圖(見圖2)上可根據(jù)其位置確定人員中毒死亡概率低的疏散路線。

圖2　　　　液氯系統(tǒng)裝置泄漏個(gè)人累計(jì)中毒死亡概率風(fēng)險(xiǎn)云圖Fig.2　　　　Mortality risk cloud map of personal poisoning by the leakage of liquid chlorine system device

由圖2可見，在區(qū)域三內(nèi)，路線一的疏散方案個(gè)人累計(jì)中毒死亡概率仍較大，而路線二的疏散方案是向個(gè)人累計(jì)中毒死亡概率低的區(qū)域疏散，故當(dāng)液氯泄漏事故發(fā)生時(shí)，處于區(qū)域三內(nèi)兩條疏散路線交叉口的人員應(yīng)選取路線二進(jìn)行疏散。

3　結(jié)　論

通過以上模擬結(jié)果分析得出：當(dāng)某氯堿廠發(fā)生液氯泄漏事故時(shí)，區(qū)域一中的第二條路線、區(qū)域二中的第一條路線和區(qū)域三中的第二條路線為人員最優(yōu)疏散路線，可以選擇這三條路線作為氯堿廠液氯泄漏事故人員的疏散路徑。

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