高層住宅樓社區燃氣泄漏事故應急疏散模擬

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迅速發展，燃氣管道大量進入社區及居民家中。由于燃氣供氣范圍不斷擴大、用戶數量不斷增長，與燃氣有關的各類風險因素也不斷增加。社區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，燃氣應急事件易發、多發。2020年，全國共計發生燃氣事故278起，其中社區燃氣管道泄漏事故有147起，占比達52.88%； 2021年全國共計發生燃氣事故455起，其中社區燃氣管道泄漏事故有336起，占比達73.85%。社區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、發生泄漏。燃氣屬于甲類易燃易爆氣體，當發生燃氣泄漏時，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。當社區發生燃氣管道泄漏事故時，應急處置人員需要對現場情況進行研判，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，遇點火源發生火災或者爆炸，威脅社區居民的生命和財產安全。

國外學者關于社區疏散方面，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，提出恐慌系數概念，并定義相應規則。目前，國內學者研究疏散主要針對的場景多數為地鐵站、機場航站樓和商業綜合體等大型公共場所[6-7]。對社區疏散的研究，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構建居民避震區劃方法，優化城市避難設施布局。文獻[9]在分析商務型社區基本特征的基礎上，從總體防災空間、應急救援疏散網絡等方面探討商務型社區應急防災空間設計優化策略。

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，然而我國社區與人口特點與國外居民社區布局具有顯著差異，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疏散進行優化布局分析，但城市社區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住宅樓，綜合考慮社區燃氣泄漏事故場景，基于PyroSim軟件和Pathfinder軟件對社區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生第三方施工破壞，導致燃氣管道發生泄漏。

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。當社區燃氣管道泄漏事故發生時，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據

住宅樓建模所需數據見表1。

③ 步驟3：構建PyroSim模型與參數設定

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變化。根據步驟2采集住宅樓數據構建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坑的長×寬×深為2.0 m×1.4 m×1.0 m，作業坑內有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 住宅樓建模所需數據

b.參數設定

初始環境溫度為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。

采用氣體探測器監測甲烷體積分數，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個氣體探測器監測到天然氣體積分數達到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路徑，人員前面暢通無阻時按照規定的疏散速度疏散，前面發生擁堵時，根據碰撞機制，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。根據步驟2采集的數據構建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、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[14]見表2，其他屬性參數見表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

表3 住宅樓人員其他屬性參數

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

通過氣體探測器數據發現，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

根據上文分析，tASET

④ 人流量分析

根據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。當等待乘坐電梯人員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?？紤]了方案1過于理想化，經比較，方案3最優。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最先達到爆炸下限。

③ 方案3最優，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%。