石油罐區(qū)應(yīng)急操作仿真系統(tǒng)設(shè)計

許 祺 夏 濤

（北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）

由于石油化工安全事故頻發(fā)，因此石化企業(yè)的安全生產(chǎn)越來越重要。 “十二五”規(guī)劃明確提出要求企業(yè)員工提高應(yīng)急處置能力。 早在20世紀(jì)80年代，西方國家就用仿真培訓(xùn)系統(tǒng)來訓(xùn)練工人并取得了卓越的效果。

傳統(tǒng)化工仿真［1］側(cè)重于“工藝流程建模”，具體更偏向于職業(yè)學(xué)校學(xué)生和新員工熟悉工藝流程和DCS操作，缺少關(guān)于應(yīng)急救援的培訓(xùn)。國內(nèi)也有專注于石化生產(chǎn)安全的建模仿真平臺［2］，在建模過程中對設(shè)備生產(chǎn)安全屬性進(jìn)行抽取，對事故擴(kuò)散演變也進(jìn)行了基于概率的建模。 然而缺乏災(zāi)害機(jī)理模型，無災(zāi)害救援描述，多不支持三維展示，培訓(xùn)方面價值有限。 國內(nèi)目前建立的基于3D或VR的應(yīng)急救援演練系統(tǒng)［3］，幾乎都以腳本式操作為主，更大程度上是將應(yīng)急預(yù)案內(nèi)容在三維環(huán)境里進(jìn)行展示，太流于表面化，對災(zāi)害模擬、演練推演等涉及較少，沒有脫離游戲的本質(zhì)。 而多數(shù)基于事故機(jī)理模型的災(zāi)害仿真平臺［4］多用于事故分析，不適合應(yīng)急演練，在訓(xùn)練層面上表現(xiàn)得不夠好。 因此，研究并實現(xiàn)VR與災(zāi)害仿真模型有機(jī)結(jié)合的應(yīng)急演練平臺是國內(nèi)化工安全領(lǐng)域迫切的需求。

筆者設(shè)計的應(yīng)急操作仿真系統(tǒng)， 按照機(jī)理化、全息化、空間化和多樣化的原則，在化工仿真的基礎(chǔ)上加入災(zāi)害建模，引入虛擬現(xiàn)實地理信息系統(tǒng) （Virtual Reality Geographic Information System，VRGIS），支持多客戶端、內(nèi)外操協(xié)同演練，仿真場景多變，應(yīng)急演練更真實有效。

1 事故仿真支持

為了更好地支持事故機(jī)理建模與更多要素，在傳統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，做了一些災(zāi)害仿真與應(yīng)急演練方面的研究，其主要內(nèi)容包括以下3個部分。

1.1 災(zāi)害場概念

災(zāi)害場［5］其實就是能量場，多個相同類型的事故會疊加形成一個能量場，不同類型的事故會形成不同的能量場。 筆者設(shè)計的仿真系統(tǒng)支持3種災(zāi)害場：溫度場、氣體場和爆炸超壓。 溫度場和氣體場對周邊模型的影響是持續(xù)的，而爆炸超壓對周邊模型的影響是一次性的。 火災(zāi)事故會形成一個溫度場，爆炸事故會形成沖擊波，毒氣泄漏事故會形成氣團(tuán)。 所有設(shè)備或多或少都會受到災(zāi)害場的影響。

1.2 三維模型

近年來三維仿真技術(shù)逐漸成熟，國內(nèi)大部分化工廠都有自己的三維模型，但大部分工廠的三維模型并沒有被很好地利用起來。 虛擬現(xiàn)實比動畫更加強(qiáng)調(diào)參演人員的互動性，所以它在應(yīng)急演練中占了很重要的比重。 三維場景給仿真帶來的不止是視覺上的沖擊，在應(yīng)急演練過程中，三維引擎中的碰撞檢測扮演了很重要的角色。

1.3 事故多米諾理論

事故多米諾理論 （Accident Domino Theory）是海因里希于1929年提出的一種解釋和分析事故成因的理論。 初始事故發(fā)生后進(jìn)一步擴(kuò)展影響到相鄰設(shè)備設(shè)施， 從而持續(xù)引發(fā)連鎖事故發(fā)生，造成更為嚴(yán)重的事故后果［6］。為了輔助研究，筆者所設(shè)計的仿真系統(tǒng)也支持事故多米諾模型。

2 隱患模型建模方法

化工設(shè)備是化工廠中實現(xiàn)化工生產(chǎn)所采用的必需工具，長期處于擱置易燃易爆、有毒有害化學(xué)物品的狀態(tài)。 設(shè)備缺陷是指設(shè)備存在威脅設(shè)備和人身安全、影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、降低設(shè)備“健康”水平、影響設(shè)備性能或壽命等的隱患，或已經(jīng)造成化工產(chǎn)品質(zhì)量不合格等的異常現(xiàn)象。

化工設(shè)備仿真建模是構(gòu)建化工仿真系統(tǒng)的基石， 針對化工裝置中出現(xiàn)的每一個實體設(shè)備，都應(yīng)該有一個該設(shè)備的仿真模型與之對應(yīng)。 傳統(tǒng)仿真模型可復(fù)用性和擴(kuò)展性都比較差，筆者設(shè)計的仿真模型因采用面向?qū)ο蟮乃枷耄蓮?fù)用性很高， 并在傳統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上加入了多種要素，例如設(shè)備自身“健康”值、空間坐標(biāo)及天氣風(fēng)向等。模型的多樣性使得應(yīng)急演練仿真更加接近真實場景，增加了仿真的要素，仿真效果更真實。

2.1 隱患模型構(gòu)成

設(shè)備隱患產(chǎn)生的原因是多方面的，有設(shè)計缺陷、管理不當(dāng)、維修不當(dāng)及工藝參數(shù)變化等。 為了響應(yīng)設(shè)備的各種隱患，需要在設(shè)備上綁定一個或多個災(zāi)害模型，組成隱患設(shè)備，即“工藝模型+災(zāi)害模型=隱患模型”。 工藝模型與災(zāi)害模型單獨(dú)建模。 以閥門模型來舉例說明，閥門可能會產(chǎn)生靜電，也可能會發(fā)生泄漏，泄漏后形成的液池可能會經(jīng)由靜電點(diǎn)火燃燒產(chǎn)生池火（圖1）。 工藝模型建模已經(jīng)有比較成熟的機(jī)理模型，能夠為系統(tǒng)的實現(xiàn)提供科學(xué)的理論依據(jù)。

圖1 閥門隱患模型構(gòu)成

2.2 災(zāi)害模型建模

以池火災(zāi)為例，可燃液體泄漏后流到地面形成液池， 遇到火源燃燒或達(dá)到燃點(diǎn)而形成池火。經(jīng)查閱文獻(xiàn)，Heskestad G經(jīng)過廣泛的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理［7］，得到了一系列池火以及傷害的相關(guān)計算公式，包括液體泄漏速率、燃燒速度、火焰高度、熱輻射通量及目標(biāo)入射熱輻射強(qiáng)度等。

液體泄漏速率公式由伯努利方程導(dǎo)出：

式中 A——泄漏裂口面積，m2；

Cd——泄漏系數(shù)；

g——重力加速度，m/s2；

h——裂口處液位高度，m；

p——容器內(nèi)壓力，Pa；

p0——環(huán)境壓力，一般取大氣壓，Pa；

QL——液體泄漏速率，kg/s；

ρ——液體密度，kg/m3。

當(dāng)液池可燃物的沸點(diǎn)高于周圍環(huán)境溫度時，液池表面單位面積燃燒速率為：

式中 Cp——液體的定壓比熱容，J/（kg·K）；

dm/dt——表面單位面積燃燒速率，kg/（m2·s）；

H——液體蒸發(fā)熱，J/kg；

HC——液體燃燒熱，J/kg；

T0——環(huán)境溫度，K；

Tb——液體沸點(diǎn)，K。

火焰高度計算公式為：

式中 Hf——火焰高度，m；

r——液池半徑，m；

ρ0——周圍空氣密度，一般取2.93kg/m3。

液池燃燒時放出的總熱輻射通量為：

式中 Q——總熱輻射通量，W；

η——效率因子，可取0.13～0.35。

假設(shè)全部輻射熱量由液池中心點(diǎn)的小球面輻射出來，則在距離池中心某一距離處的入射熱輻射強(qiáng)度為：

式中 I——熱輻射強(qiáng)度，W/m2；

tc——熱傳導(dǎo)系數(shù)， 在無相對理想的數(shù)據(jù)時，可取1；

X——目標(biāo)點(diǎn)到液池中心的距離，m。

熱輻射是引起二次事故的重要原因，Cozzani V等提出了熱輻射導(dǎo)致設(shè)備損壞的概率模型［8］：

式中 P——設(shè)備損壞概率；

x——概率單位值的微元；

Y——概率單位變量。

2.3 應(yīng)急模型建模

系統(tǒng)中還有一類應(yīng)急模型， 它包含滅火器、消防車、防護(hù)服及人模型等。 應(yīng)急模型的作用是讓仿真演練更為真實，操作性更強(qiáng)。 應(yīng)急模塊也是安全機(jī)理模型，需通過查閱文獻(xiàn)、使用仿真軟件等方式讓模塊建模更加合理準(zhǔn)確。

以泡沫滅火器［9］為例，儲罐火災(zāi)泡沫滅火劑用量公式為：

式中 q——混合液供給強(qiáng)度，L/（min·m2）；

Qf——泡沫液需求量，L；

S——燃燒液面面積，m2；

t——泡沫連續(xù)供給時間，min；

α——泡沫液的混合比。

以人為例建立人受熱輻射影響的模型，根據(jù)式（5） 可計算出人受到的熱輻射強(qiáng)度。 Acciarri M等提出了人在未裝備防火服等防火裝備時暴露于火焰熱輻射下的死亡概率公式［10，11］，該公式較為復(fù)雜，在仿真中，為保證實時性，應(yīng)事先將人員受熱輻射影響的后果計算出來。 根據(jù)該公式，再基于合理假設(shè)，可確定人員在熱輻射場中多久會死亡，假定人員總生命值為100點(diǎn)，表1為人員受熱輻射傷害情況。

表1 人員受熱輻射傷害

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及開發(fā)

系統(tǒng)提供仿DCS頁面、3D頁面和頭戴式VR仿真，多樣且直觀的表現(xiàn)方式能夠滿足多工種員工訓(xùn)練的需求。 系統(tǒng)具有強(qiáng)大的可擴(kuò)展性和復(fù)用性，除了仿真教學(xué)與培訓(xùn)外，還可用于事故演變、事故驗證等的研究。 同時系統(tǒng)還可提供強(qiáng)大的接口， 可以作為數(shù)據(jù)中心與第三方平臺進(jìn)行通信，為其他化工生產(chǎn)的研究提供實時仿真數(shù)據(jù)。

3.1 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)功能模塊如圖2所示，包括工程師站、教師站、學(xué)員站和系統(tǒng)管理。

圖2 系統(tǒng)功能模塊框圖

工程師站是由專業(yè)的化工工程師，通過簡單的系統(tǒng)語言進(jìn)行模型構(gòu)建，并通過系統(tǒng)平臺進(jìn)行裝置的組裝調(diào)試。 工程師站的主要功能圍繞建模展開，目前支持設(shè)備模型導(dǎo)入、圖形組模、工段建模及工廠建模等功能，并增加了數(shù)據(jù)查看、趨勢顯示及指定設(shè)備運(yùn)行等輔助調(diào)試功能，方便工程師快速完成建模工作。

學(xué)員站用來提供給客戶進(jìn)行裝置的培訓(xùn)與考核， 培訓(xùn)方式有DCS操作、 三維與DCS結(jié)合操作。 目前可以同時接入兩種不同的學(xué)員操作站：仿DCS操作站和3D操作站。 這兩種操作站分別對應(yīng)內(nèi)操與外操的訓(xùn)練，數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，在同一個工藝模型里工作， 實現(xiàn)了內(nèi)操與外操的協(xié)同訓(xùn)練。

3.2 仿真實例

3.2.1 案例對象工藝概況

2002年1月7日某縣一加油站發(fā)生爆燃事故，加油站內(nèi)一臺加油機(jī)被燒得面目全非， 加油站屋頂被掀開，一側(cè)的圍墻也被炸倒，造成1人死亡，2人受傷。據(jù)調(diào)查，事故原因為油罐車司機(jī)駕駛油罐車為加油站送油，未按規(guī)程采用密封式輸油法，而直接將輸油管插入儲油罐中。 加油站一員工前去關(guān)閥門時，所穿的衣服產(chǎn)生靜電引起爆燃。

以此事故為例， 對加油站進(jìn)行建模仿真，并說明系統(tǒng)如何對事故演變進(jìn)行仿真，同時給出了進(jìn)行應(yīng)急演練操作的步驟。 表2和圖3為加油站的基本情況，站內(nèi)存有5塊滅火氈，一臺25kg推車式泡沫滅火器。

表2 儲罐結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2.2 異常與事故處理模擬

基于第2節(jié)提出的隱患設(shè)備建模方法對加油站進(jìn)行建模。

仿真流程如下：油罐車進(jìn)入加油站時，未做除靜電處理。 罐車停靠在92#汽油罐V01右側(cè)，在卸油途中，操作工未采用密封式輸油法，致使油管意外脫落并發(fā)生油品泄漏。 此時因靜電引燃液池，形成池火。

圖3 加油站平面布置圖

已知汽油泄漏點(diǎn)位于西側(cè)靠墻區(qū)域，距東側(cè)的加油槍15m；西側(cè)因為有墻體阻擋，汽油只能往其他方向漫延。 風(fēng)速為3m/s，風(fēng)向為西，加油機(jī)整體位于火災(zāi)的下風(fēng)向。泄漏口直徑為8cm；汽油液位最高點(diǎn)距泄漏口垂直高度為2m； 汽油密度為800kg/m3； 汽油的單位面積燃燒速率為0.055kg/（m2·s）。 忽略罐內(nèi)外空氣壓差，根據(jù)液體泄漏速率計算公式計算可得： 液位高度在1.0m時，泄漏速率為10.4kg/s；當(dāng)液位高度在0.1m時，泄漏速率為3.2kg/s。

分兩種情況進(jìn)行仿真：泄漏發(fā)生時，罐車汽油液位距泄漏口高度分別為1.0m和0.1m。

情況一：第270s發(fā)生泄漏，此時罐車汽油液位距泄漏口高度1.0m，剩余汽油超過10t，泄漏量較大，液池面積因持續(xù)泄漏擴(kuò)大，第295s發(fā)生火災(zāi)。因站內(nèi)只有小型推車式滅火器，操作工判斷無法救援，迅速逃離并報警。 火勢蔓延，引燃并燒毀加油機(jī)，若操作工不及時逃離也會受到傷害。 圖4為泄漏量與池火等效半徑趨勢。

圖4 泄漏量與池火等效半徑趨勢

情況二：第110s發(fā)生泄漏，此時罐車汽油液位距泄漏口高度0.1m，剩余汽油質(zhì)量約為1t，第145s時液池被靜電火花點(diǎn)著，發(fā)生火災(zāi)。 在第880s時，操作工找到滅火器后開始對池火進(jìn)行撲救并成功撲滅。 因罐車內(nèi)已無汽油，不存在復(fù)燃可能性，此次應(yīng)急救援結(jié)束。 圖5為對池火進(jìn)行撲救的三維仿真畫面，圖6為此次滅火救援關(guān)鍵參數(shù)趨勢。

圖5 對池火進(jìn)行撲救三維仿真畫面

圖6 滅火救援關(guān)鍵參數(shù)趨勢

3.2.3 結(jié)果

通過對加油站罐區(qū)卸油事故仿真驗證了所設(shè)計的仿真系統(tǒng)。 仿真系統(tǒng)以安全機(jī)理模型為基礎(chǔ)，在仿真系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度下，模型自行判斷引入災(zāi)害模型， 所有模型都會對災(zāi)害場作出反應(yīng)，進(jìn)而出現(xiàn)事故多米諾現(xiàn)象。 用戶可以在仿DCS畫面和三維場景中對流程中出現(xiàn)的事故災(zāi)害進(jìn)行協(xié)同處理救援。

4 結(jié)束語

基于隱患模型建模方法，搭建了罐區(qū)應(yīng)急操作仿真平臺，將數(shù)據(jù)渲染到虛擬現(xiàn)實場景中。 目前實現(xiàn)的仿真場景，涵蓋了常見的幾類化工災(zāi)害事故，實現(xiàn)了災(zāi)害仿真與應(yīng)急演練相結(jié)合，不僅可用于員工培訓(xùn)，還可用于事故分析以及輔助制定應(yīng)急預(yù)案等。 現(xiàn)在災(zāi)害模型計算并不很精確，在以后的工作中，需要收集更多的真實事故數(shù)據(jù)來繼續(xù)矯正災(zāi)害模型，災(zāi)害對于災(zāi)害場的疊加作用也要更精細(xì)。