实验楼层内危险气体泄漏人员撤离预案研究

王厚成，焦继宗，曹辉辉，程世红，程慧波

（1.兰州大学 资源环境学院，甘肃 兰州 730000；2.兰州大学 实验室与设备管理处，甘肃 兰州 730000；3.甘肃省环境监测中心站，甘肃 兰州 730000）

随着我国高校及科研院所科研事业的快速发展，实验室作为高校、科研院所和相关企业的重要创新基地，发挥着举足轻重的作用[1-2]。实验室安全是科研实验工作的基础，近年来，我国实验室安全问题日渐突出，实验室安全事故时有发生[3]，实验室安全越来越得到国家相关部门的重视，也同时促使相关单位更加重视实验室的安全问题[4-6]。关于实验室安全管理和教育、实验室化学品存放和使用、实验室用电和用气等管理机制逐渐成熟[7-10]。但实验室内工作环境则依然较差，室内常有各种废气、废液及固体废弃物[11-12]，这些废气及废物含有不同程度的有毒有害成分。虽然废液和固体废弃物已经按规定须进行收集并进行专门处理[13-14]，但实验室内废气泄漏现象在实验室运行过程中时有发生，废气产生过程复杂、产生种类繁多，并且产生时间较随机，以上因素决定了废气的收集和处理比较困难。实验室内去除污染气体的装置主要为实验室通风系统，但由于实验室通风系统的设计、安装、调试等专业程度需求高，而设计及施工单位对通风系统的重视程度较低，导致实验室内通风系统尤其是高层建筑内的实验室通风系统并没有发挥出有效的作用。虽然实验室内开启了通风系统，但室内仍然弥漫着不同浓度的污染气体[15]。此外，实验室内气体扩散出来对实验室周围的空间产生污染，或引起燃烧、爆炸。然而，包括实验室人员在内，人们对实验室污染气体的危害程度并没有量化概念，因此也就没有具体的防控措施。

针对以上问题，本研究对实验室危险气体泄漏、扩散进行数值模拟，期待得到量化的气体扩散过程，制定楼层内人员撤离方案。以实验室内泄漏危险气体中危害较大的氨气作为研究对象，获得氨气泄漏、扩散过程中及最终稳定状态下的含量分布，得出实验室内氨气扩散规律，为实验室内氨气泄漏后人员疏散、安全注意事项等工作提供理论参考，同时为实验室通风系统设计及建立环境安全保障体系提供基础数据，有利于采取有效措施避免实验室安全事故发生。

1 研究方法

以我校某实验办公一体楼的某楼层为研究对象，通过数值模拟方法研究实验室内危险气体泄漏、扩散对实验室外部公共空间的危害情况。研究对象选择氨气，因为氨是实验室常用的化学物质，同时在实验室中经常因化学反应产生氨气。

使用模拟软件为ANSYS-FLUENT 17.0，应用数学模型为标准k-ε 模型。研究所用楼层俯视图见图1，模拟所用物理模型见图2。

本模拟所用物理模型各部分相关参数见表1。

图1 研究所用楼层俯视图

图2 模拟物理模型图

表1 物理模型相关参数

实验室内污染气体扩散过程研究所得到的参数见表2，不同扩散量下污染气体扩散研究所得参数见表3，不同进风温度下污染气体扩散研究所得参数见表4。

表2 污染气体扩散过程参数

表3 不同扩散量下污染气体扩散参数

表4 不同进风温度下污染气体扩散参数

2 结果与讨论

2.1 楼层内危险气体扩散过程中人员撤离时限及路线分析

实验室氨气以0.1 g/s 的质量速率泄漏，模拟从0～1 000 s 时间段内氨气在本楼层中的扩散过程。从图3—7 分析得出，氨气散发后，先充满实验室空间和2 号位置处走廊空间。扩散10 s 后，氨气主要分布在靠近实验室一侧大厅空间，即靠近散发源处含量较高[16]。40 s 后氨气进入到全部走廊空间，但大厅有部分空间仍无氨气扩散，130 s 后氨气进入到全部空间，随着氨气的继续扩散，空间氨气含量持续升高，160 s时走廊 4 号位置处氨气含量达到爆炸极限（16%～25%）[17]以上。160 s 后氨气继续向1 号位置处走廊扩散，最终全部走廊空间内的氨气含量达到爆炸极限以上。在1 000 s 后，空间中氨气分布达到稳定，大厅空间中央位置氨气含量均在10%以下，低于爆炸极限，走廊中的氨气含量均超过爆炸极限，如遇明火或高温物体，将产生爆炸和燃烧事故。与图8 中显示流线对应分析，从实验室扩散出来，氨气沿着2 号位置处走廊进入到3 号位置走廊再进入大厅，在大厅中形成涡旋，最终从大厅顶部排出，可以得出氨气流动是沿着墙壁进行的，然后再向中央空间扩散，此现象与侯晨雪[18]研究结论相似。在整个过程中，实验室和2 号位置处走廊氨气含量均保持较高水平，高于爆炸极限，其主要原因是氨气从此区域扩散到其他空间的。而在大厅靠近实验室一侧的空间，在扩散初期氨气含量较高，后期逐渐浓度降低，最终稳定后大厅中央空间低于爆炸极限。在这个过程中，走廊中氨气含量随时间变化逐渐升高，直到160 s 后，离实验室最远的4 号位置处走廊氨气含量达到爆炸极限。而1 号位置处走廊氨气含量增长的较慢。

图3 扩散10 s 后氨气含量分布图

图4 扩散40 s 后氨气含量分布图

图5 扩散130 s 后氨气含量分布图

图6 扩散160 s 后氨气含量分布图

图7 扩散1 000 s 后氨气含量分布图

图8 氨气扩散流线图

从以上分析得出，在实验室内氨气泄漏160 s 内，人员必须全部撤离。由于氨气的泄漏、扩散过程是沿着与泄漏实验室门洞相通的走廊通道进行的，因此人员的撤离路径应该远离泄漏实验室门洞相通的走廊通道。如果撤离人员较多，最佳方案为先进入到大厅空间，然后由大厅空间进入远离泄漏实验室一端的楼梯出口，最终撤离出本楼层。

2.2 不同季节温度下人员撤离方案分析

图9—11 中，随着室外季节温度不同，进风温度设定为273 K、300 K 和313 K，稳定扩散后的氨气浓度分布规律基本相同。但对比分析得出，在1 号位置处走廊，进风温度273 K 和313 K 时的氨气含量明显低于进风温度为300 K 时。由于1 号位置是氨气最后扩散区域，可以推断在进风温度为273 K 和313 K 时，氨气向1 号位置扩散的量相对较少。而在实验室内，随着进风温度的升高，氨气含量逐渐降低，说明进风温度加速了实验室内氨气向外的扩散速率。对比进风温度300 K 和313 K，当进风温度为273 K 时，氨气主要聚集在泄漏实验室附近空间。由于进风温度相对环境温度较低时，混合气体密度相对较大，形成重气扩散形式[19]，向空间的下方运动，导致扩散速率降低，因此，氨气主要聚集在实验室及距离实验室较近的空间中。在进风温度相对环境温度更高时，混合气体密度相对较小，氨气有从下向上与空气混合的趋势[20]，氨气的流动速率加快，部分氨气没有来得及扩散就从大厅顶部排出。在进风温度为300 K 时，与环境温度相等，氨气和进风的混合气体能够快速扩散到最远距离处，最后从大厅顶部排出。

综上分析，在进气温度较低时，氨气主要聚集在距离泄漏房间门洞相通的走廊通道内，而进风温度较高时，氨气更容易扩散到其他空间，反而使得在距离泄漏房间较近的空间中氨气浓度降低，楼层空间内氨气分布范围更广。因此，在冬季，人员撤离时避免进入泄漏房间门洞相通的走廊空间。在夏季和春秋季，氨气泄漏后，全部走廊空间布满氨气，人员撤离需要沿着中央大厅空间或者沿着中央大厅靠近泄漏房间一侧的走廊。

图9 273 K 进气温度时氨气含量分布图

图10 300 K 进气温度时氨气含量分布图

图11 313 K 进气温度时氨气含量分布图

2.3 危险气体扩散后消除危险的应急方案研究

对比分析图12—15，在0.01 g/s 的氨气散发速率下，最终氨气聚集在实验室门洞相通走廊通道和部分大厅空间，氨气含量处于爆炸极限以上，爆炸危险较高，其他空间含量较低。这主要是因为氨气散发的质量含量有限，没有能力扩散到更远的距离。在氨气散发速率达到0.05 g/s 时，氨气扩散到本层楼所有空间，实验室内含量最高，走廊2 号位置处和3 号位置处的走廊氨气含量次之，均大于爆炸极限。4 号位置和1号位置处走廊中氨气含量较低，但也处在爆炸极限范围内。大厅中央处的含量最低，低于爆炸极限。随着氨气的持续扩散，本层楼各个位置处的氨气含量均有所升高，在浓度大于0.1 g/s 时，走廊1、4 号位置处氨气浓度也均远超爆炸极限。最终本层楼空间中氨气含量关系为实验室>走廊（2、3 号位置）>走廊（1、4号位置）>大厅。

综上分析可得，在氨气泄漏1 000 s 后，虽然本楼层空间均有向外扩散的出口，但随着实验室内氨气泄漏速率的变化，最终，均有部分空间或地点达到氨气爆炸极限。因此，对应以上结果分析，在氨气泄漏速率为0.01 g/s 时，除在实验室内设置机械通风以外，应在泄漏实验室门洞相通的走廊通道设置机械通风装置，用于降低公共空间空气中氨气浓度。当氨气泄漏速率达到0.05 g/s 时，除在实验室内设置机械通风设置外，还应开启走廊2 号位置处和3 号位置处的机械通风设置。在氨气泄漏浓度大于0.1 g/s 时，需要设置全面通风设置，全面降低整个楼层的氨气浓度。

图12 0.01 g/s 散发量的氨气含量分布图

图13 0.05 g/s 散发量的氨气含量分布图

图14 0.1 g/s 散发量的氨气含量分布图

图15 1 g/s 散发量的氨气含量分布图

3 结语

（1）发生氨气泄漏后，氨气泄漏速率为0.1 g/s时，在没有启动机械通风系统的情况下，本楼层内人员必须在160 s 内全部撤离，撤离过程中人员应从远离泄漏实验室一侧的楼梯口撤离，处于扩散区域的人员可以从中央大厅空间或在中央大厅与泄漏实验室同一侧的走廊撤离。

（2）在室内环境温度保持300 K 及室外进风温度较低时，氨气扩散后主要聚集在距离泄漏房间较近的走廊，而进风温度更高时，氨气更容易扩散到其他空间。因此，在冬季，撤离人员尽量避免进入到距离泄漏房间较近的走廊空间。在夏、春、秋季，氨气泄漏后，全部走廊空间将布满氨气，人员撤离可以进入中央大厅或者沿着中央大厅泄漏实验室一侧的走廊。

（3）楼层氨气泄漏、扩散稳定后，泄漏速率0.01 g/s 以上时，空间中氨气均能达到爆炸极限。为避免发生安全事故，须在本楼层加设机械通风系统。因此，在氨气泄漏速率较低时，除在实验室内设置机械通风以外，还需在泄漏实验室附近的设置机械通风装置。当氨气泄漏浓度达到0.05 g/s 时，除在实验室内设置机械通风设置外，还需开启走廊2 号位置处和3 号位置处的机械通风设置。在氨气泄漏浓度大于0.1 g/s 时，需要设置全面通风设置，全面降低整个楼层的氨气浓度。