楊冬冬，陳國(guó)明，朱淵，師吉浩

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東青島266580）

引 言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于海洋平臺(tái)工藝事故的研究主要關(guān)注可燃?xì)怏w泄漏與燃爆事故[1-7]，海洋平臺(tái)硫化氫泄漏方面的研究較少且主要關(guān)注泄漏硫化氫空間積聚的變化[8-11]。陸上工業(yè)裝置有毒氣體泄漏擴(kuò)散研究較多[12-20]，但所用事故后果評(píng)估方法主要是“靜態(tài)評(píng)估方法”[13-16]和“半動(dòng)態(tài)評(píng)估方法”[17-19]?！办o態(tài)評(píng)估方法”假設(shè)受災(zāi)人員在事故過(guò)程中處于靜止?fàn)顟B(tài)，不采取任何應(yīng)急響應(yīng)與疏散行為。實(shí)際事故場(chǎng)景中，平臺(tái)作業(yè)人員接收到硫化氫探測(cè)器報(bào)警后必然會(huì)進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)。因此，“靜態(tài)評(píng)估方法”的準(zhǔn)確性較低且主要適用于確定危險(xiǎn)區(qū)域。“半動(dòng)態(tài)評(píng)估方法”考慮受災(zāi)人員的應(yīng)急疏散行為，但是未考慮泄漏有毒氣體擴(kuò)散行為與積聚特點(diǎn)的時(shí)空變化，只提取某一時(shí)刻（通常為事故后果最嚴(yán)重的時(shí)刻）的泄漏氣云積聚狀態(tài)結(jié)合受災(zāi)人員的應(yīng)急疏散軌跡進(jìn)行后果評(píng)估，不考慮應(yīng)急疏散過(guò)程中泄漏有毒氣體積聚狀態(tài)隨時(shí)間的變化。實(shí)際事故場(chǎng)景中，氣體泄漏速率受到過(guò)程保護(hù)系統(tǒng)（ESD系統(tǒng)、放空系統(tǒng)等）的影響是動(dòng)態(tài)變化的，導(dǎo)致泄漏氣體的積聚狀態(tài)很難達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，“半動(dòng)態(tài)評(píng)估方法”提高了評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確度，但更適用于穩(wěn)態(tài)泄漏場(chǎng)景下的事故后果評(píng)估。

基于此，筆者提出硫化氫泄漏事故后果動(dòng)態(tài)評(píng)估方法，全面考慮泄漏氣體的時(shí)間變化過(guò)程與空間發(fā)展軌跡，兼顧海洋平臺(tái)受災(zāi)人員的應(yīng)急疏散行為，關(guān)注受災(zāi)人員應(yīng)急疏散過(guò)程中硫化氫氣云的發(fā)展變化。并將此方法應(yīng)用于海洋平臺(tái)，結(jié)合海洋平臺(tái)應(yīng)急救援特點(diǎn)對(duì)海洋平臺(tái)硫化氫泄漏中毒事故后果進(jìn)行評(píng)估，以期為海洋平臺(tái)的應(yīng)急救援提供參考。

1 動(dòng)態(tài)評(píng)估方法

圖1為泄漏硫化氫中毒事故后果動(dòng)態(tài)評(píng)估方法的主要流程，主要包括泄漏硫化氫擴(kuò)散過(guò)程模擬與硫化氫毒害后果預(yù)測(cè)?！鞍雱?dòng)態(tài)評(píng)估方法”與“靜態(tài)評(píng)估方法”的主要流程也在圖1中進(jìn)行了展示。

圖1 泄漏硫化氫中毒事故后果動(dòng)態(tài)評(píng)估流程Fig.1 Dynamic assessment procedure of consequences for poisoning accidents caused by H2S release

首先要進(jìn)行場(chǎng)景確認(rèn)，確認(rèn)事故場(chǎng)景的泄漏參數(shù)與風(fēng)場(chǎng)參數(shù)等[21-22]。需要注意的是，場(chǎng)景確認(rèn)時(shí)需要關(guān)注ESD 系統(tǒng)、放空系統(tǒng)等可能導(dǎo)致泄漏氣體積聚特性發(fā)生變化的因素。

場(chǎng)景確認(rèn)后，需要對(duì)泄漏氣體擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)?；贑FD 的數(shù)值模擬具有可重復(fù)性、低成本和相對(duì)較高的計(jì)算精度[23-24]而被推薦使用。被大量驗(yàn)證和廣泛應(yīng)用的CFD 軟件Flame Acceleration Simulator (FLACS)被應(yīng)用于本次研究[25-31]。CFD 模擬結(jié)果輸出之前要進(jìn)行敏感性分析，以確保計(jì)算結(jié)果滿足收斂性標(biāo)準(zhǔn)。

隨后將CFD 模擬結(jié)果輸出。數(shù)值模擬結(jié)果類型包括不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)硫化氫氣體濃度，硫化氫氣云2-D切片與硫化氫氣云3-D分布云圖。

提取CFD 模擬結(jié)果后，結(jié)合受災(zāi)人員疏散軌跡，根據(jù)受災(zāi)人員所處位置實(shí)時(shí)提取硫化氫氣體濃度，進(jìn)而計(jì)算受災(zāi)人員的硫化氫氣體動(dòng)態(tài)吸入劑量。所謂“動(dòng)態(tài)”指的是計(jì)算受災(zāi)人員硫化氫吸入劑量時(shí)充分考慮受災(zāi)人員疏散過(guò)程中位置的變化與硫化氫氣體積聚狀態(tài)的變化。這也是“動(dòng)態(tài)評(píng)估方法”區(qū)別于“靜態(tài)評(píng)估方法”與“半動(dòng)態(tài)評(píng)估方法”的關(guān)鍵所在?！鞍雱?dòng)態(tài)評(píng)估方法”提取某一時(shí)刻氣云分布狀態(tài)結(jié)合受災(zāi)人員疏散軌跡評(píng)估事故后果；“靜態(tài)評(píng)估方法”假設(shè)受災(zāi)人員處于靜止?fàn)顟B(tài)，不考慮受災(zāi)人員的應(yīng)急響應(yīng)行為。

1.1 硫化氫吸入劑量計(jì)算

劑量響應(yīng)模型是當(dāng)前被廣泛認(rèn)可的量化有毒物質(zhì)毒害效應(yīng)的工具[32-34]。毒物學(xué)研究以動(dòng)物為研究對(duì)象開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的歸納推理，得出了不同有毒物質(zhì)吸入劑量與個(gè)體死亡率之間的關(guān)系。根據(jù)修正的哈珀法則[35]，個(gè)體暴露于有毒氣體中有毒氣體吸入劑量D：

式中，D 為有毒氣體吸入劑量；c 為有毒氣體濃度，mg/m3；n 為常數(shù)，當(dāng)有毒氣體為硫化氫時(shí)，n 取值為1.43；t為受災(zāi)人員暴露于有毒氣體的時(shí)間，min。

式（1）假設(shè)有毒氣體的濃度保持恒定。為克服這一缺點(diǎn)，考慮有毒氣體濃度隨時(shí)間的變化對(duì)式（1）進(jìn)行改進(jìn)，見(jiàn)式（2）[36]。但是式（2）假設(shè)受災(zāi)人員在事故過(guò)程中處于靜止?fàn)顟B(tài)，不采取應(yīng)急救援行為。

式中，t1和t2分別為暴露于有毒氣體的開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間，min。

在靜態(tài)吸入劑量計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，考慮受災(zāi)人員的應(yīng)急疏散行為發(fā)展了半動(dòng)態(tài)吸入劑量計(jì)算方法，見(jiàn)式（3）。式（3）考慮了受災(zāi)人員逃生軌跡上不同位置有毒氣體濃度的變化，但是各位置有毒氣體濃度隨時(shí)間的變化并沒(méi)有被充分考慮。

式中，v 為受災(zāi)人員的應(yīng)急疏散速度，m/s；t0為硫化氫泄漏后的某一特定時(shí)刻，min；(xi,yi,zi)為受災(zāi)人員疏散軌跡L上不同位置的坐標(biāo)。

基于以上討論，兼顧受災(zāi)人員的應(yīng)急疏散與有毒氣體積聚狀態(tài)的時(shí)空發(fā)展，提出有毒氣體吸入劑量動(dòng)態(tài)計(jì)算模型。根據(jù)受災(zāi)人員所處實(shí)時(shí)位置提取有毒氣體實(shí)時(shí)濃度，計(jì)算有毒氣體吸入劑量：

式中，ti指的是受災(zāi)人員到達(dá)(xi, yi, zi)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際時(shí)間。

1.2 概率模型

確定受災(zāi)人員的有毒氣體吸入劑量后，通過(guò)概率模型計(jì)算個(gè)體的死亡率。式（5）給出了概率單位Y 與有毒氣體吸入劑量的關(guān)系，概率單位與個(gè)體死亡率P的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（6）所示[34]。

式中，A 和B 為常數(shù)，取值與毒性物質(zhì)種類有關(guān)，對(duì)于硫化氫A和B分別取-31.42和3.008。

2 泄漏氣體擴(kuò)散理論模型

2.1 基本控制方程

FLACS 使用有限體積法在三維笛卡爾坐標(biāo)系下求解RANs 方程。泄漏氣體的擴(kuò)散過(guò)程滿足連續(xù)性方程，質(zhì)量、動(dòng)量、能量、組分守恒方程，這些方程可以用統(tǒng)一的形式表達(dá)：

式中，φ 為通用變量，包括質(zhì)量、動(dòng)量、能量、物料組分等；ρ為密度，kg/m3；uj為j方向的速度分量，m/s；Гφ為通用變量φ的交換系數(shù)，m2/s；Sφ為能量源項(xiàng)。

2.2 湍流模型

引入雷諾應(yīng)力張量描述泄漏氣體擴(kuò)散過(guò)程的湍流，根據(jù)Boussinesq 渦流黏度假設(shè)，選擇湍流動(dòng)能運(yùn)輸方程和湍流動(dòng)能耗散方程求解雷諾應(yīng)力張量和k-ε方程。雷諾應(yīng)力張量、湍流動(dòng)能運(yùn)輸方程和湍流動(dòng)能耗散方程為：

式中，ui代表i 方向上的速度分量，m/s；μeff為有效湍流黏度，Pa·s；k 為湍流動(dòng)能，m2/s2；δij為克羅內(nèi)克符號(hào)函數(shù)；ε為湍流動(dòng)能耗散率，m2/s3；βv為體積孔隙度；βj為j方向上的面積孔隙度；σk和σε分別為k和ε 的Prandtl-Schmidt 數(shù)，分別取1.0 和1.3；Pk為湍流動(dòng)能產(chǎn)物；Pε為耗散產(chǎn)物；C2ε為常數(shù)，1.92。

2.3 CFD模型驗(yàn)證

FLACS 軟件被廣泛應(yīng)用于油氣行業(yè)的通風(fēng)擴(kuò)散、爆炸分析。通過(guò)大量不同尺度的實(shí)驗(yàn)以及工業(yè)事故調(diào)查，F(xiàn)LACS 軟件計(jì)算結(jié)果的可靠性已得到證實(shí)。針對(duì)海洋油氣模塊氣體泄漏場(chǎng)景（共計(jì)66個(gè)泄漏場(chǎng)景，包括不同的泄漏速率、泄漏位置和泄漏方向，不同的風(fēng)速和風(fēng)向，不同的受限程度），Savvides等[25]分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)和基于FLACS的數(shù)值計(jì)算對(duì)泄漏氣體的積聚狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證了FLACS在海洋油氣模塊氣體擴(kuò)散模擬方面的準(zhǔn)確性tffu。Dadashzadeh 等[1]運(yùn)用FLACS 對(duì)“深水地平線事故”進(jìn)行模擬，研究結(jié)果與BP公司的事故調(diào)查結(jié)果具有很好的一致性。Hansen 等[27]運(yùn)用FLACS 開(kāi)展LNG蒸氣云擴(kuò)散模擬，將模擬結(jié)果與LNG 泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，論證了FLACS 的可靠性。并且，挪威石油技術(shù)法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)NORSOK Z-013，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO13072（石油和天然氣工業(yè)要求和指南），國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/DIS 19901-3，美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API/RP 752/753，歐盟EN1473等國(guó)際權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)均推薦在油氣行業(yè)中運(yùn)用FLACS開(kāi)展安全設(shè)計(jì)。

3 硫化氫泄漏擴(kuò)散模擬

3.1 場(chǎng)景確認(rèn)

對(duì)假想的某海洋平臺(tái)硫化氫泄漏中毒事故后果進(jìn)行評(píng)估。參照海洋平臺(tái)實(shí)際尺寸與設(shè)備裝置布局建立幾何模型?？紤]管廊、管線等結(jié)構(gòu)物對(duì)泄漏氣體擴(kuò)散后果的影響，對(duì)工藝區(qū)進(jìn)行精細(xì)化建模，將生活區(qū)設(shè)置合理的孔隙度以匹配其通風(fēng)裝置。構(gòu)建完成的海洋平臺(tái)幾何模型如圖2所示。

圖2 海洋平臺(tái)幾何模型Fig.2 Geometric model of an offshore platform

圖3 給出了平臺(tái)下層甲板的布局，泄漏源位于距離S 點(diǎn)豎直高度6 m 處。泄漏源為直徑4 cm 的鋒利圓孔，泄漏方向豎直向下，泄漏氣體初始?jí)毫?.1 MPa，溫度為300 K，泄漏裝置內(nèi)氣體初始質(zhì)量為1340 kg。為簡(jiǎn)化事故場(chǎng)景，不考慮火災(zāi)、爆炸等連鎖事故及其引發(fā)的多米諾效應(yīng)。參照DNV 相關(guān)指導(dǎo)假設(shè)ESD 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間為90 s（監(jiān)測(cè)到泄漏耗時(shí)30 s，完成隔離耗時(shí)60 s），ESD 系統(tǒng)啟動(dòng)后50 s放空系統(tǒng)（放空閥面積為0.01 m2）啟動(dòng)。因此勻速泄漏時(shí)間為90s，之后因ESD 系統(tǒng)、放空系統(tǒng)的干涉泄漏速率不斷減小?；跉怏w泄漏速率計(jì)算模型，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、泄漏源參數(shù)及過(guò)程保護(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)序，借助數(shù)學(xué)軟件Matlab 求解泄漏速率動(dòng)態(tài)變化時(shí)程曲線（圖4）。此外，泄漏氣體成分及含量見(jiàn)表1。風(fēng)向取船艉來(lái)風(fēng)且風(fēng)速為3 m/s。

圖3 海洋平臺(tái)下層甲板布局Fig.3 Layout of the modules in the lower deck

圖4 泄漏速率動(dòng)態(tài)變化時(shí)程曲線Fig.4 Transient leakage rate profile

表1 泄漏氣體成分及含量Table 1 Composition and content of released gas

3.2 CFD求解

基于海洋平臺(tái)幾何模型的尺寸設(shè)置由核心區(qū)域和拓展區(qū)域組成的計(jì)算域，計(jì)算域尺寸為160 m×150 m×90 m。基于FLACS 用戶手冊(cè)相關(guān)指導(dǎo)及網(wǎng)格敏感性分析，核心區(qū)域網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1 m，對(duì)泄漏點(diǎn)附近非泄漏方向網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)分，使用“smooth”功能保證細(xì)分區(qū)域網(wǎng)格平穩(wěn)過(guò)渡，擴(kuò)展區(qū)域以1.2倍的比例延伸至網(wǎng)格邊界。

風(fēng)場(chǎng)出口面與海平面邊界類型設(shè)置為“Nozzle”，其余邊界類型設(shè)置為“Wind”。采用帕斯奎爾分類法表征大氣穩(wěn)定度且設(shè)置帕斯奎爾穩(wěn)定度等級(jí)為D，為使泄漏氣體擴(kuò)散理論模型方程組封閉，需要對(duì)計(jì)算域內(nèi)的風(fēng)速進(jìn)行考慮，結(jié)合帕斯奎爾穩(wěn)定度等級(jí)基于式(11)、式(12)求解不同高度風(fēng)速值。

式中，uz為距離海平面高度z處的風(fēng)速，m/s；a為von Karman 常數(shù)，取值0.41；zd為冠層高度，m；z0為大氣粗糙度，取值0.0002 m；u0為當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)風(fēng)速，m/s；μ*為摩擦速度，m/s，通過(guò)式(13)進(jìn)行求解。

式中，zref為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速所在高度，本研究中取值為10 m。

3.3 CFD模擬結(jié)果輸出

CFD 求解完成后，以同樣的監(jiān)測(cè)區(qū)間分別提取不同時(shí)刻距離下層甲板1.5 m 平面[37-38]硫化氫分布狀態(tài)（2-D 切片）和硫化氫氣云空間積聚狀態(tài)（3-D云圖），見(jiàn)圖5。

針對(duì)距離下層甲板1.5 m 平面，在穩(wěn)態(tài)泄漏階段（0～90 s），硫化氫分布范圍于65 s 進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；65～90 s 高濃度硫化氫分布區(qū)域變大，但硫化氫分布范圍無(wú)明顯變化；90 s后進(jìn)入衰減泄漏階段，硫化氫分布范圍也不斷變小且高于危險(xiǎn)臨界質(zhì)量濃度[39-40]的硫化氫積聚區(qū)域也隨之減?。?40 s 后在ESD系統(tǒng)與放空系統(tǒng)的共同干預(yù)下泄漏速率衰減加劇，硫化氫分布區(qū)域及高濃度硫化氫濃度分布區(qū)域大幅度減小。

泄漏硫化氫氣云的空間覆蓋范圍呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，穩(wěn)態(tài)泄漏階段硫化氫空間覆蓋范圍不斷增加，90 s 時(shí)中層甲板與下層甲板均存在大量高濃度硫化氫氣體；衰減泄漏階段硫化氫空間覆蓋范圍不斷減小，190 s時(shí)中層甲板與下層甲板硫化氫覆蓋區(qū)域明顯變小。總體來(lái)說(shuō)，受泄漏速率的影響硫化氫的積聚狀態(tài)不斷變化，因此假設(shè)受災(zāi)人員處于靜止?fàn)顟B(tài)或基于特定時(shí)間硫化氫空間分布開(kāi)展后果評(píng)估是不合理的。

4 結(jié)果與討論

4.1 應(yīng)急疏散軌跡

平臺(tái)常駐作業(yè)人員共37人，負(fù)責(zé)管理、后勤、報(bào)務(wù)及醫(yī)護(hù)的作業(yè)人員共12人，主要工作及活動(dòng)區(qū)域?yàn)樯顓^(qū)；需進(jìn)入工藝區(qū)進(jìn)行巡檢及設(shè)備操作、維修、保養(yǎng)的作業(yè)人員（包括操作工、機(jī)修工、電儀工、發(fā)電工等）共25人。

假設(shè)泄漏事故發(fā)生時(shí)距離救生船最遠(yuǎn)的作業(yè)人員位于下層甲板船艉側(cè)。其初始位置為A，在下甲板的移動(dòng)軌跡為A—B（圖3），到達(dá)B 后通過(guò)船艏的扶梯到達(dá)緊急集合區(qū)。作業(yè)人員在下層甲板的移動(dòng)距離約為46.50 m，在扶梯上的移動(dòng)距離約為13.83 m。

4.2 應(yīng)急撤離時(shí)間模型

參考IMO 對(duì)大型船舶疏散時(shí)間的定義[41]，緊急情況下應(yīng)急疏散時(shí)間包括危險(xiǎn)感知時(shí)間T1、人員響應(yīng)時(shí)間T2、人員移動(dòng)時(shí)間T3和保證救援設(shè)備就緒的時(shí)間T4。則該作業(yè)人員完成應(yīng)急撤離所需時(shí)間Tt為：

式中，T1為從泄漏事故發(fā)生到作業(yè)人員通過(guò)報(bào)警器等媒介感知到危險(xiǎn)所需的時(shí)間；T2為作業(yè)人員接觸到危險(xiǎn)信號(hào)到進(jìn)行應(yīng)急逃生所需的時(shí)間；T3為作業(yè)人員從開(kāi)始移動(dòng)到抵達(dá)緊急集合地點(diǎn)所需的時(shí)間；T4為作業(yè)人員抵達(dá)緊急集合地點(diǎn)后穿戴救生設(shè)備、登記點(diǎn)名、決策及準(zhǔn)備救生艇等所需的時(shí)間。

參考《含硫化氫油氣井安全鉆井推薦作法》[39]，硫化氫監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)在硫化氫濃度達(dá)到15 mg/m3時(shí)報(bào)警，且硫化氫監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的最大允許響應(yīng)時(shí)間為30 s。假設(shè)事故發(fā)生后硫化氫氣體探測(cè)器立刻檢測(cè)到硫化氫，則最大感知時(shí)間為30 s。參照海洋平臺(tái)應(yīng)急演練，硫化氫監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警后作業(yè)人員的響應(yīng)時(shí)間設(shè)置為30 s。參考海洋平臺(tái)應(yīng)急逃生演練并結(jié)合國(guó)外研究[41]確定準(zhǔn)備救援設(shè)備時(shí)間，其中在集合點(diǎn)佩戴呼吸器耗費(fèi)80 s（假設(shè)佩戴呼吸器后可有效防止硫化氫的吸入）。移動(dòng)時(shí)間需要基于該作業(yè)人員的移動(dòng)速度及疏散軌跡獲取，假設(shè)作業(yè)人員的移動(dòng)速度不受吸入硫化氫氣體影響，且其移動(dòng)速度見(jiàn)表2[42]。

圖5 泄漏硫化氫擴(kuò)散結(jié)果Fig.5 Dispersion results of released H2S

表2 作業(yè)人員移動(dòng)速度Table 2 Moving speed of the operator

4.3 后果分析

4.3.1 靜態(tài)方法 靜態(tài)方法假設(shè)受災(zāi)人員在事故場(chǎng)景下處于固定的位置，不因報(bào)警器或其他危險(xiǎn)警示的影響而采取應(yīng)急響應(yīng)措施。提取該受災(zāi)人員初始位置硫化氫實(shí)時(shí)濃度，見(jiàn)圖6。

圖6 吸入硫化氫濃度變化(靜態(tài)方法)Fig.6 Variation of inhaled H2S concentration(static approach)

4.3.2 半動(dòng)態(tài)方法 半動(dòng)態(tài)評(píng)估方法考慮受災(zāi)人員的應(yīng)急疏散行為而忽略泄漏硫化氫氣體的時(shí)間變化過(guò)程與空間發(fā)展軌跡?；?0s 時(shí)硫化氫氣體空間分布，結(jié)合受災(zāi)人員的疏散軌跡，獲取基于半動(dòng)態(tài)方法的受災(zāi)人員暴露硫化氫濃度變化，見(jiàn)圖7。

4.3.3 動(dòng)態(tài)方法 動(dòng)態(tài)評(píng)估方法綜合考慮泄漏硫化氫的時(shí)空發(fā)展與受災(zāi)人員的應(yīng)急疏散。實(shí)時(shí)提取受災(zāi)人員應(yīng)急疏散過(guò)程中不同位置的硫化氫濃度，見(jiàn)圖8。

4.3.4 對(duì)比分析 在該泄漏應(yīng)急疏散場(chǎng)景中，基于應(yīng)急撤離時(shí)間模型認(rèn)為受災(zāi)人員在前60 s位置未發(fā)生變化，因而圖6 與圖8 在這一時(shí)間段的硫化氫濃度曲線是相同的。60 s后受災(zāi)人員開(kāi)始移動(dòng)，但60～90 s仍處于穩(wěn)態(tài)泄漏階段且硫化氫空間分布接近動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，因而圖7 與圖8 在這一時(shí)間段的硫化氫濃度曲線是相近的。隨后受災(zāi)人員離開(kāi)工藝區(qū)，所處位置通風(fēng)效果好，不利于硫化氫的積聚，因而圖7 與圖8 在這一時(shí)間段硫化氫濃度相對(duì)較小?？梢?jiàn)，動(dòng)態(tài)方法面向事故發(fā)展全過(guò)程，全面考慮了受災(zāi)人員位置的變化與泄漏硫化氫空間積聚的變化。表3給出了基于靜態(tài)方法、半動(dòng)態(tài)方法、動(dòng)態(tài)方法得到的受災(zāi)人員硫化氫吸入劑量與死亡率。相較于靜態(tài)評(píng)估方法，半動(dòng)態(tài)評(píng)估方法考慮了作業(yè)人員的應(yīng)急疏散，對(duì)應(yīng)的硫化氫吸入劑量由1.062×105降至7.230×104，死亡率減少了92.74%；相較于半動(dòng)態(tài)評(píng)估方法，動(dòng)態(tài)評(píng)估方法進(jìn)一步考慮了泄漏硫化氫氣體的時(shí)間變化過(guò)程與空間發(fā)展軌跡，對(duì)應(yīng)的硫化氫吸入劑量由7.230×104降至6.020×104，死亡率減少了83.95%。對(duì)比表明動(dòng)態(tài)評(píng)估方法綜合考慮作業(yè)人員與泄漏氣體的動(dòng)態(tài)特性，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)硫化氫氣體泄漏中毒事故后果的嚴(yán)重程度。

圖7 吸入硫化氫濃度變化(半動(dòng)態(tài)方法)Fig.7 Variation of inhaled H2S concentration(semi-dynamic approach)

圖8 吸入硫化氫濃度變化(動(dòng)態(tài)方法)Fig.8 Variation of inhaled H2S concentration(dynamic approach)

表3 硫化氫吸入劑量與死亡率Table 3 Inhalation dose of hydrogen sulfide and the corresponding mortality

5 結(jié) 論

（1）提出了一種硫化氫泄漏中毒事故后果動(dòng)態(tài)評(píng)估方法。該方法綜合考慮泄漏硫化氫氣體的時(shí)空發(fā)展過(guò)程，兼顧受災(zāi)人員的應(yīng)急疏散行為，根據(jù)受災(zāi)人員所處的位置提取硫化氫氣體實(shí)時(shí)濃度，進(jìn)而計(jì)算受災(zāi)人員的硫化氫氣體吸入劑量及個(gè)體死亡率。

（2）將所提出的動(dòng)態(tài)評(píng)估方法應(yīng)用于海洋平臺(tái)硫化氫氣體泄漏中毒事故后果評(píng)估。將評(píng)估結(jié)果與基于“靜態(tài)評(píng)估方法”、“半動(dòng)態(tài)評(píng)估方法”得到的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比表明動(dòng)態(tài)評(píng)估方法能夠兼顧作業(yè)人員位置與泄漏硫化氫氣體積聚的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)于真實(shí)過(guò)程工業(yè)事故中常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)泄漏場(chǎng)景后果評(píng)估具有更好的適用性。

（3）基于動(dòng)態(tài)評(píng)估結(jié)果可對(duì)應(yīng)急物資的配置、疏散通道的規(guī)劃提供指導(dǎo)，在海洋平臺(tái)緊張的空間資源背景下具有重要意義。今后可基于所提出的硫化氫氣體泄漏中毒事故后果動(dòng)態(tài)評(píng)估方法，結(jié)合網(wǎng)格理念開(kāi)展面向全平臺(tái)的有毒氣體泄漏中毒事故后果評(píng)估。

符 號(hào) 說(shuō) 明

A,B——常數(shù)，取值與毒性物質(zhì)種類有關(guān)，對(duì)于硫化氫分別取-31.42和3.008

a——von Karman常數(shù)，取值0.41

C2ε——常數(shù)，取值1.92

c——有毒氣體濃度，mg/m3

D——有毒氣體吸入劑量

k——湍流動(dòng)能，m2/s2

L——應(yīng)急疏散軌跡

n——常數(shù)，取值與毒性物質(zhì)種類有關(guān)，對(duì)于硫化氫取1.43

P——個(gè)體死亡率

Pk,Pε——分別為湍流動(dòng)能產(chǎn)物和耗散產(chǎn)物

Sφ——能量源項(xiàng)

Tt——作業(yè)人員完成應(yīng)急撤離所需時(shí)間，s

T1,T2,T3,T4——分別為危險(xiǎn)感知時(shí)間、疏散響應(yīng)時(shí)間、移動(dòng)時(shí)間、保證救援設(shè)備就緒時(shí)間，s

t——受災(zāi)人員暴露硫化氫時(shí)間，min

ti——受災(zāi)人員到達(dá)(xi,yi,zi)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際時(shí)間，min

t0——硫化氫泄漏后的某一特定時(shí)刻，min

t1,t2——分別為受災(zāi)人員暴露于有毒氣體的開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間，min

ui,uj——分別代表流體在i 和j 方向上的速度分量，m/s

uz——距離海平面高度z處的風(fēng)速，m/s

u0——當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)風(fēng)速，m/s

v——受災(zāi)人員的應(yīng)急疏散速度，m/s

(xi,yi,zi)——受災(zāi)人員疏散軌跡上不同位置的坐標(biāo)

Y——概率單位

zd——冠層高度，m

zref——標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速所在高度，m

z0——大氣粗糙度，m

βj——j方向上的面積孔隙度

βv——體積孔隙度

Гφ——通用變量φ的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

δij——克羅內(nèi)克符號(hào)函數(shù)，若i=j，δij=1；若i≠j，δij=0

ε——湍流動(dòng)能耗散率，m2/s3

μ*——摩擦速度，m/s

μeff——有效湍流黏度，Pa·s

ρ——密度，kg/m3

σk,σε——分別為k 和ε 的Prandtl-Schmidt 數(shù)，分別取1.0和1.3

φ——通用變量，包括質(zhì)量、動(dòng)量、能量、湍流動(dòng)能等