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        高層住宅樓社區(qū)燃氣泄漏事故應急疏散模擬

        2022-02-01 02:43:16劉永濱張季娜石建成胡瑾秋
        煤氣與熱力 2022年12期
        關鍵詞:住宅樓燃氣管燃氣

        杜 華,徐 哲,劉永濱,張季娜,石建成,胡瑾秋

        (1.中石油昆侖燃氣有限公司燃氣技術研究院,黑龍江 哈爾濱 150000;2.中國石油大學(北京) 安全與海洋工程學院 應急管理部油氣生產安全與應急技術重點實驗室, 北京 102249)

        1 概述

        隨著我國城市管道燃氣事業(yè)迅速發(fā)展,燃氣管道大量進入社區(qū)及居民家中。由于燃氣供氣范圍不斷擴大、用戶數(shù)量不斷增長,與燃氣有關的各類風險因素也不斷增加。社區(qū)燃氣管道屬于中低壓燃氣管道,其布局密集、錯綜復雜,布局深入人群居住密集區(qū),燃氣應急事件易發(fā)、多發(fā)。2020年,全國共計發(fā)生燃氣事故278起,其中社區(qū)燃氣管道泄漏事故有147起,占比達52.88%; 2021年全國共計發(fā)生燃氣事故455起,其中社區(qū)燃氣管道泄漏事故有336起,占比達73.85%。社區(qū)燃氣管道泄漏事故已成為燃氣事故中高頻率事故類型,其中主要是第三方施工破壞導致燃氣管道破裂、發(fā)生泄漏。燃氣屬于甲類易燃易爆氣體,當發(fā)生燃氣泄漏時,波及范圍會隨著燃氣泄漏時間增長而擴大,危險性也隨之增加。當社區(qū)發(fā)生燃氣管道泄漏事故時,應急處置人員需要對現(xiàn)場情況進行研判,如泄漏情況嚴重則需要疏散周邊住宅樓居民,以防止燃氣聚積達到爆炸極限,遇點火源發(fā)生火災或者爆炸,威脅社區(qū)居民的生命和財產安全。

        國外學者關于社區(qū)疏散方面,在森林火災、颶風威脅、agent決策支持工具等方向做相關研究[1-3]。文獻[4]根據(jù)可能影響疏散的潛在因素計算人群疏散率及疏散時間,評估臺風災害過程中社區(qū)疏散能力。文獻[5]研究緊急情況下行人特征,為描述行人恐慌心理對疏散過程的影響,提出恐慌系數(shù)概念,并定義相應規(guī)則。目前,國內學者研究疏散主要針對的場景多數(shù)為地鐵站、機場航站樓和商業(yè)綜合體等大型公共場所[6-7]。對社區(qū)疏散的研究,文獻[8]采用GIS空間分析技術,從需求分布和空間可達性等方面出發(fā)構建居民避震區(qū)劃方法,優(yōu)化城市避難設施布局。文獻[9]在分析商務型社區(qū)基本特征的基礎上,從總體防災空間、應急救援疏散網(wǎng)絡等方面探討商務型社區(qū)應急防災空間設計優(yōu)化策略。

        綜上可知,國外學者考慮了火災、颶風和恐慌等因素對社區(qū)疏散和決策的影響[10-11],取得了一定的研究成果,然而我國社區(qū)與人口特點與國外居民社區(qū)布局具有顯著差異,國外理論方法成果無法直接應用,我國社區(qū)燃氣管道泄漏事故應急疏散需結合我國國情特點。國內學者在人員應急疏散方面,針對多種公共場所進行了許多相關研究[12-13],在宏觀層面上對社區(qū)疏散進行優(yōu)化布局分析,但城市社區(qū)燃氣管道泄漏事故的住宅樓內人員應急疏散研究比較匱乏。因此有必要對城市社區(qū)住宅樓,綜合考慮社區(qū)燃氣泄漏事故場景,基于PyroSim軟件和Pathfinder軟件對社區(qū)燃氣管道泄漏事故和住宅樓內人員進行疏散模擬,充分利用疏散資源,保障居民生命安全。

        2 模型的建立

        ① 步驟1:明確社區(qū)周邊燃氣泄漏事故和建筑類型

        建立某住宅樓外燃氣泄漏事故情景,該住宅樓南側由于市政工程施工發(fā)生第三方施工破壞,導致燃氣管道發(fā)生泄漏。

        住宅樓共19層,層高3 m。該住宅樓第1層是2戶,第2~19層是4戶,共74戶,樓梯為剪刀型樓梯,配備2部電梯。平時2個后門均關閉,1個正門常開。當社區(qū)燃氣管道泄漏事故發(fā)生時,經應急處置人員研判,需對該住宅樓的居民進行撤離疏散,且判斷燃氣不會在電梯井聚積,允許使用電梯輔助人員疏散。

        ② 步驟2:收集住宅樓建模所需數(shù)據(jù)

        住宅樓建模所需數(shù)據(jù)見表1。

        ③ 步驟3:構建PyroSim模型與參數(shù)設定

        a.構建PyroSim模型

        PyroSim軟件側重模擬燃氣泄漏到住宅樓的時間及燃氣體積分數(shù)變化。根據(jù)步驟2采集住宅樓數(shù)據(jù)構建PyroSim模型,住宅樓PyroSim模型見圖1。原點位于一層地面計算面右下角,計算域右下角最低點坐標為(-5 m,-5 m,-1 m),左上角最高點坐標為(25 m,30 m,58 m)。事故描述:第三方施工地下作業(yè)坑的長×寬×深為2.0 m×1.4 m×1.0 m,作業(yè)坑內有1根公稱直徑為100 mm的燃氣管道,埋深為1 m。施工導致管道發(fā)生全管徑斷裂。建模時,泄漏孔的中心坐標為(7.05 m,24.05 m,-1.00 m),泄漏孔用0.1 m的正方形表示。住宅樓建筑方向正門面向南方。除第1層的2個后門外,其他各層的門窗均開啟。不考慮門窗縫隙。

        表1 住宅樓建模所需數(shù)據(jù)

        b.參數(shù)設定

        初始環(huán)境溫度為20 ℃,壓力為101.325 kPa,風速為2 m/s,風向為南風。模擬時間設為850 s。泄漏天然氣設置為純甲烷,溫度與環(huán)境溫度相同,壓力為0.15 MPa,泄漏質量流量為0.8 kg/s,該流量考慮調壓器通過能力和管道阻力后是合理的。

        采用氣體探測器監(jiān)測甲烷體積分數(shù),住宅樓PyroSim模型第5層氣體探測器分布見圖2。每層6處,每層設置位置均相同,共114處。測點高度為2 m。由于事故場景為住宅樓外燃氣泄漏,不考慮火災等因素,將模型表面設置為惰性表面。為了更加真實準確模擬燃氣泄漏場景,邊界條件為開放邊界。

        圖1 住宅樓PyroSim模型(軟件截圖)

        ④ 步驟4:確定人員可用疏散時間

        天然氣的爆炸極限為5%~15%,設定從泄漏孔開始泄漏到住宅樓內任意1個氣體探測器監(jiān)測到天然氣體積分數(shù)達到5%且不會大幅下降的時間為人員可用疏散時間tASET。

        ⑤ 步驟5:構建Pathfinder模型與人員參數(shù)確定

        a.構建Pathfinder模型

        Pathfinder軟件側重模擬住宅樓內人員疏散等。該模型的人員行為是尋找最優(yōu)路徑,人員前面暢通無阻時按照規(guī)定的疏散速度疏散,前面發(fā)生擁堵時,根據(jù)碰撞機制,人員會停止,直到前方暢通時人員會再次以設定的疏散速度進行疏散。根據(jù)步驟2采集的數(shù)據(jù)構建Pathfinder模型,戶內家具擺放位置和戶型都相同。住宅樓Pathfinder模型見圖3,住宅樓平面布局見圖4。圖4中的矩形代表床、沙發(fā)、桌子、衣柜等影響人員疏散的障礙物,黃色短線代表房間門口,綠色短線代表安全出口。

        圖2 住宅樓PyroSim模型第5層氣體探測器分布(軟件截圖)

        圖3 住宅樓Pathfinder模型(軟件截圖)

        圖4 住宅樓平面布局(軟件截圖)

        b.人員參數(shù)確定

        將每戶設置4 人。將人員分為4類:成年男性、成年女性、兒童、老人,各類人員所占比例均為25%,該住宅樓內共296 人。住宅樓人員基本屬性參數(shù)[14]見表2,其他屬性參數(shù)見表3。表3中,人員加速時間指人員從靜止到達到疏散速度所需時間。人員碰撞響應時間指人員發(fā)生碰撞到下一個行為的時間。人員設計為圓柱形狀。

        表2 住宅樓人員基本屬性參數(shù)

        表3 住宅樓人員其他屬性參數(shù)

        ⑥ 步驟6:確定人員所需安全疏散時間tRSET

        設定從燃氣泄漏到居民接收到疏散指令的時間為t1,人員疏散準備的時間為t2,人員通過安全出口視為疏散成功,從開始疏散到最后一個人員通過安全出口的時間(記為疏散時間)為t3,則人員所需安全疏散時間tRSET為t1、t2、t3之和。

        3 模擬結果與疏散時間分析

        本部分討論自行疏散方案,疏散方式是樓梯與電梯,安全出口1個正門開啟、2個后門關閉,人員乘坐電梯的樓層隨機。

        ① PyroSim軟件模擬結果

        通過氣體探測器數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),5層房間位置GAS5-03氣體探測器(位置見圖2)處天然氣體積分數(shù)最先達到爆炸下限,時間tASET為498 s。

        ② Pathfinder模擬結果

        住宅樓人員從開始疏散到最后一個人員通過安全出口的時間t3為847.8 s,疏散296人,人員疏散方式是樓梯與電梯,安全出口1個正門開、2個后門關。設定從燃氣泄漏到居民接收到疏散指令的時間t1為15 s;人員疏散準備的時間t2為15 s,人員所需安全疏散時間tRSET為877.8 s。

        ③ 結果分析

        分析比較tASET與tRSET。當tASET>tRSET時,表示住宅樓內人員在自行疏散情況下(疏散方式是樓梯與電梯,安全出口1個正門開啟、2個后門關閉)能夠安全疏散;當tASET

        根據(jù)上文分析,tASET

        ④ 人流量分析

        根據(jù)Pathfinder模擬正門人流量結果,當人流量小于等于1 人/s時,正門可以進行人員正常疏散;當大于1 人/s時,易造成樓梯間與正門擁堵。住宅樓正門人流量變化見圖5,疏散過程中,正門的人流量曲線呈波浪形。正門人流量峰值在121 s時,人流量為1.1 人/s,超過1 人/s,可以判斷為在人流量峰值時,正門疏散能力不足。由圖5還可以看出,正門在332、482 s等時刻人流量都為0,表明正門沒有得到有效利用。

        圖5 住宅樓正門人流量變化

        Pathfinder軟件模擬住宅樓在400 s時疏散情況見圖6(圖中紅框為電梯門)??梢钥闯?,部分人員在1層正門聚集,另外大部分人員在中部停留。出現(xiàn)這種情況,原因是Pathfinder軟件的疏散行為是使人員按最快路線從首發(fā)位置移動到各自樓層出口,每個人員都有一條最快的疏散路線,當路線擁堵無法前行時人員會原地等待,直到不再擁堵,人員可再次進行疏散,符合實際疏散情況。

        住宅樓高層為9~16層,中層為8~15層,低層為1~7層。一般情況中、高層人員選擇乘坐電梯,低層人員選擇走樓梯,該模型人員行為符合實際。但電梯優(yōu)先級從高層到中低層,中層人員不能立刻乘坐上電梯進行疏散,需要等電梯將全部高層人員運送到1層后,中層人員才能乘坐電梯,這段時間未有效疏散。當?shù)却俗娞萑藛T與高層走樓梯人員在樓梯間相遇,會造成擁堵,導致人員疏散速度降低或停滯不前,從而影響整體的疏散效率。

        圖6 Pathfinder軟件模擬住宅樓在400 s時疏散情況(軟件截圖)

        綜上所述,在高層住宅樓中,由于住戶多、樓層高,疏散時會導致有些人員還未至電梯間內就已經排起長隊,疏散資源不能得到充分利用。為降低t3,提高疏散效率,對模型進行改進。

        4 疏散方案改進

        國內外對緊急情況下電梯疏散合理性及有效性已進行研究論證[15-16],結果表明,電梯疏散在一定程度上可行、可用,但需結合具體研究對象制定出可靠、可控、可操作的方案。比較以下3種改進方案,得出最優(yōu)方案。

        ① 方案設計

        a.方案1:疏散方式是樓梯,安全出口(1個正門、2個后門)全部開啟。

        b.方案2:疏散方式是樓梯與電梯,安全出口(1個正門、2個后門)全部開啟,人員乘坐電梯的樓層隨機。

        c.方案3:疏散方式是樓梯與電梯,安全出口(1個正門、2個后門)全部開啟。此方案僅8~15層電梯開啟,16~19層老人兒童先走樓梯再乘坐電梯,8~15層老人兒童直接乘坐電梯,1~19層成人走樓梯。

        ② 方案模擬結果

        通過Pathfinder軟件模擬,得出3種方案模擬結果,見表4。

        表4 3種方案模擬結果

        方案1全部人員僅使用樓梯進行疏散,是一個理想化的過程,未考慮老人兒童在行走過程中的疲憊因素,也未考慮樓梯間人員密度過大會帶來擁堵踩踏。結果顯示,從開始疏散到最后一個人員通過安全出口的時間t3為359 s。

        方案2的模擬結果可以看出,600 s之前疏散了80%的人員,而剩余20%的人員疏散時間占總疏散時間的35.5%。方案2疏散時間600 s時疏散情況見圖7,可以看出,由于所有人員可以采用電梯方式疏散,這樣會造成低層人員花大量時間等待電梯,造成疏散資源浪費,因此有必要對低層人員使用電梯進行限制。結果顯示,從開始疏散到最后一個人員通過安全出口的時間t3為930.5 s。

        圖7 方案2疏散時間600 s時疏散情況(軟件截圖)

        方案3考慮了方案1、2存在的問題,充分利用樓梯、電梯,通過比較使用電梯或樓梯疏散的完成時間,分析出最優(yōu)策略。同時,考慮了老人、兒童、成年人在不同樓層不同的疏散方式,充分利用了疏散通道。結果顯示,從開始疏散到最后一個人員通過安全出口的時間t3為436 s。

        方案1、2、3人員所需安全疏散時間分別為389.0、960.5、466.0 s。考慮了方案1過于理想化,經比較,方案3最優(yōu)。與自行疏散方案相比,方案3人員所需安全疏散時間縮短46.9%。

        5 結論

        ① 住宅樓內人員按自行疏散方案不能夠安全疏散。

        ② 住宅樓5層GAS5-03氣體探測器處天然氣體積分數(shù)最先達到爆炸下限。

        ③ 方案3最優(yōu),與自行疏散方案相比,方案3人員所需安全疏散時間縮短46.9%。

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