高層住宅樓社區(qū)燃氣泄漏事故應(yīng)急疏散模擬

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(shù)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(yīng)急管理部油氣生產(chǎn)安全與應(yīng)急技術(shù)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(guān)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(fù)雜，布局深入人群居住密集區(qū)，燃氣應(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(zāi)或者爆炸，威脅社區(qū)居民的生命和財產(chǎn)安全。

國外學者關(guān)于社區(qū)疏散方面，在森林火災(zāi)、颶風威脅、agent決策支持工具等方向做相關(guān)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(zāi)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(yīng)規(guī)則。目前，國內(nèi)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(shù)，從需求分布和空間可達性等方面出發(fā)構(gòu)建居民避震區(qū)劃方法，優(yōu)化城市避難設(shè)施布局。文獻[9]在分析商務(wù)型社區(qū)基本特征的基礎(chǔ)上，從總體防災(zāi)空間、應(yīng)急救援疏散網(wǎng)絡(luò)等方面探討商務(wù)型社區(qū)應(yīng)急防災(zāi)空間設(shè)計優(yōu)化策略。

綜上可知，國外學者考慮了火災(zāi)、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(yīng)用，我國社區(qū)燃氣管道泄漏事故應(yīng)急疏散需結(jié)合我國國情特點。國內(nèi)學者在人員應(yīng)急疏散方面，針對多種公共場所進行了許多相關(guān)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(nèi)人員應(yīng)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(nèi)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(cè)由于市政工程施工發(fā)生第三方施工破壞，導(dǎo)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(guān)閉，1個正門常開。當社區(qū)燃氣管道泄漏事故發(fā)生時，經(jīng)應(yīng)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(gòu)建PyroSim模型與參數(shù)設(shè)定

a.構(gòu)建PyroSim模型

PyroSim軟件側(cè)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(gòu)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(nèi)有1根公稱直徑為100 mm的燃氣管道，埋深為1 m。施工導(dǎo)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(shè)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(shè)為850 s。泄漏天然氣設(shè)置為純甲烷，溫度與環(huán)境溫度相同，壓力為0.15 MPa，泄漏質(zhì)量流量為0.8 kg/s，該流量考慮調(diào)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(shè)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(zāi)等因素，將模型表面設(shè)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(shè)定從泄漏孔開始泄漏到住宅樓內(nèi)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(gòu)建Pathfinder模型與人員參數(shù)確定

a.構(gòu)建Pathfinder模型

Pathfinder軟件側(cè)重模擬住宅樓內(nèi)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(shè)定的疏散速度進行疏散。根據(jù)步驟2采集的數(shù)據(jù)構(gòu)建Pathfinder模型，戶內(nèi)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(shè)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(nèi)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(yīng)時間指人員發(fā)生碰撞到下一個行為的時間。人員設(shè)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(shè)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(jié)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(guān)閉，人員乘坐電梯的樓層隨機。

① PyroSim軟件模擬結(jié)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(jié)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(guān)。設(shè)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(jié)果分析

分析比較tASET與tRSET。當tASET>tRSET時，表示住宅樓內(nèi)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(guān)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(jié)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)。可以看出，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(dǎo)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(dǎo)致有些人員還未至電梯間內(nèi)就已經(jīng)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(nèi)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(jié)果表明，電梯疏散在一定程度上可行、可用，但需結(jié)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(shè)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(jié)果

通過Pathfinder軟件模擬，得出3種方案模擬結(jié)果，見表4。

表4 3種方案模擬結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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?？紤]了方案1過于理想化，經(jīng)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(jié)論

① 住宅樓內(nèi)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%。