石油罐区应急操作仿真系统设计

许 祺 夏 涛

（北京化工大学信息科学与技术学院）

由于石油化工安全事故频发，因此石化企业的安全生产越来越重要。 “十二五”规划明确提出要求企业员工提高应急处置能力。 早在20世纪80年代，西方国家就用仿真培训系统来训练工人并取得了卓越的效果。

传统化工仿真［1］侧重于“工艺流程建模”，具体更偏向于职业学校学生和新员工熟悉工艺流程和DCS操作，缺少关于应急救援的培训。国内也有专注于石化生产安全的建模仿真平台［2］，在建模过程中对设备生产安全属性进行抽取，对事故扩散演变也进行了基于概率的建模。 然而缺乏灾害机理模型，无灾害救援描述，多不支持三维展示，培训方面价值有限。 国内目前建立的基于3D或VR的应急救援演练系统［3］，几乎都以脚本式操作为主，更大程度上是将应急预案内容在三维环境里进行展示，太流于表面化，对灾害模拟、演练推演等涉及较少，没有脱离游戏的本质。 而多数基于事故机理模型的灾害仿真平台［4］多用于事故分析，不适合应急演练，在训练层面上表现得不够好。 因此，研究并实现VR与灾害仿真模型有机结合的应急演练平台是国内化工安全领域迫切的需求。

笔者设计的应急操作仿真系统， 按照机理化、全息化、空间化和多样化的原则，在化工仿真的基础上加入灾害建模，引入虚拟现实地理信息系统 （Virtual Reality Geographic Information System，VRGIS），支持多客户端、内外操协同演练，仿真场景多变，应急演练更真实有效。

1 事故仿真支持

为了更好地支持事故机理建模与更多要素，在传统建模的基础上，做了一些灾害仿真与应急演练方面的研究，其主要内容包括以下3个部分。

1.1 灾害场概念

灾害场［5］其实就是能量场，多个相同类型的事故会叠加形成一个能量场，不同类型的事故会形成不同的能量场。 笔者设计的仿真系统支持3种灾害场：温度场、气体场和爆炸超压。 温度场和气体场对周边模型的影响是持续的，而爆炸超压对周边模型的影响是一次性的。 火灾事故会形成一个温度场，爆炸事故会形成冲击波，毒气泄漏事故会形成气团。 所有设备或多或少都会受到灾害场的影响。

1.2 三维模型

近年来三维仿真技术逐渐成熟，国内大部分化工厂都有自己的三维模型，但大部分工厂的三维模型并没有被很好地利用起来。 虚拟现实比动画更加强调参演人员的互动性，所以它在应急演练中占了很重要的比重。 三维场景给仿真带来的不止是视觉上的冲击，在应急演练过程中，三维引擎中的碰撞检测扮演了很重要的角色。

1.3 事故多米诺理论

事故多米诺理论 （Accident Domino Theory）是海因里希于1929年提出的一种解释和分析事故成因的理论。 初始事故发生后进一步扩展影响到相邻设备设施， 从而持续引发连锁事故发生，造成更为严重的事故后果［6］。为了辅助研究，笔者所设计的仿真系统也支持事故多米诺模型。

2 隐患模型建模方法

化工设备是化工厂中实现化工生产所采用的必需工具，长期处于搁置易燃易爆、有毒有害化学物品的状态。 设备缺陷是指设备存在威胁设备和人身安全、影响经济运行、降低设备“健康”水平、影响设备性能或寿命等的隐患，或已经造成化工产品质量不合格等的异常现象。

化工设备仿真建模是构建化工仿真系统的基石， 针对化工装置中出现的每一个实体设备，都应该有一个该设备的仿真模型与之对应。 传统仿真模型可复用性和扩展性都比较差，笔者设计的仿真模型因采用面向对象的思想，可复用性很高， 并在传统建模的基础上加入了多种要素，例如设备自身“健康”值、空间坐标及天气风向等。模型的多样性使得应急演练仿真更加接近真实场景，增加了仿真的要素，仿真效果更真实。

2.1 隐患模型构成

设备隐患产生的原因是多方面的，有设计缺陷、管理不当、维修不当及工艺参数变化等。 为了响应设备的各种隐患，需要在设备上绑定一个或多个灾害模型，组成隐患设备，即“工艺模型+灾害模型=隐患模型”。 工艺模型与灾害模型单独建模。 以阀门模型来举例说明，阀门可能会产生静电，也可能会发生泄漏，泄漏后形成的液池可能会经由静电点火燃烧产生池火（图1）。 工艺模型建模已经有比较成熟的机理模型，能够为系统的实现提供科学的理论依据。

图1 阀门隐患模型构成

2.2 灾害模型建模

以池火灾为例，可燃液体泄漏后流到地面形成液池， 遇到火源燃烧或达到燃点而形成池火。经查阅文献，Heskestad G经过广泛的实验数据进行数学处理［7］，得到了一系列池火以及伤害的相关计算公式，包括液体泄漏速率、燃烧速度、火焰高度、热辐射通量及目标入射热辐射强度等。

液体泄漏速率公式由伯努利方程导出：

式中 A——泄漏裂口面积，m2；

Cd——泄漏系数；

g——重力加速度，m/s2；

h——裂口处液位高度，m；

p——容器内压力，Pa；

p0——环境压力，一般取大气压，Pa；

QL——液体泄漏速率，kg/s；

ρ——液体密度，kg/m3。

当液池可燃物的沸点高于周围环境温度时，液池表面单位面积燃烧速率为：

式中 Cp——液体的定压比热容，J/（kg·K）；

dm/dt——表面单位面积燃烧速率，kg/（m2·s）；

H——液体蒸发热，J/kg；

HC——液体燃烧热，J/kg；

T0——环境温度，K；

Tb——液体沸点，K。

火焰高度计算公式为：

式中 Hf——火焰高度，m；

r——液池半径，m；

ρ0——周围空气密度，一般取2.93kg/m3。

液池燃烧时放出的总热辐射通量为：

式中 Q——总热辐射通量，W；

η——效率因子，可取0.13～0.35。

假设全部辐射热量由液池中心点的小球面辐射出来，则在距离池中心某一距离处的入射热辐射强度为：

式中 I——热辐射强度，W/m2；

tc——热传导系数， 在无相对理想的数据时，可取1；

X——目标点到液池中心的距离，m。

热辐射是引起二次事故的重要原因，Cozzani V等提出了热辐射导致设备损坏的概率模型［8］：

式中 P——设备损坏概率；

x——概率单位值的微元；

Y——概率单位变量。

2.3 应急模型建模

系统中还有一类应急模型， 它包含灭火器、消防车、防护服及人模型等。 应急模型的作用是让仿真演练更为真实，操作性更强。 应急模块也是安全机理模型，需通过查阅文献、使用仿真软件等方式让模块建模更加合理准确。

以泡沫灭火器［9］为例，储罐火灾泡沫灭火剂用量公式为：

式中 q——混合液供给强度，L/（min·m2）；

Qf——泡沫液需求量，L；

S——燃烧液面面积，m2；

t——泡沫连续供给时间，min；

α——泡沫液的混合比。

以人为例建立人受热辐射影响的模型，根据式（5） 可计算出人受到的热辐射强度。 Acciarri M等提出了人在未装备防火服等防火装备时暴露于火焰热辐射下的死亡概率公式［10，11］，该公式较为复杂，在仿真中，为保证实时性，应事先将人员受热辐射影响的后果计算出来。 根据该公式，再基于合理假设，可确定人员在热辐射场中多久会死亡，假定人员总生命值为100点，表1为人员受热辐射伤害情况。

表1 人员受热辐射伤害

3 系统实现及开发

系统提供仿DCS页面、3D页面和头戴式VR仿真，多样且直观的表现方式能够满足多工种员工训练的需求。 系统具有强大的可扩展性和复用性，除了仿真教学与培训外，还可用于事故演变、事故验证等的研究。 同时系统还可提供强大的接口， 可以作为数据中心与第三方平台进行通信，为其他化工生产的研究提供实时仿真数据。

3.1 系统功能模块

系统功能模块如图2所示，包括工程师站、教师站、学员站和系统管理。

图2 系统功能模块框图

工程师站是由专业的化工工程师，通过简单的系统语言进行模型构建，并通过系统平台进行装置的组装调试。 工程师站的主要功能围绕建模展开，目前支持设备模型导入、图形组模、工段建模及工厂建模等功能，并增加了数据查看、趋势显示及指定设备运行等辅助调试功能，方便工程师快速完成建模工作。

学员站用来提供给客户进行装置的培训与考核， 培训方式有DCS操作、 三维与DCS结合操作。 目前可以同时接入两种不同的学员操作站：仿DCS操作站和3D操作站。 这两种操作站分别对应内操与外操的训练，数据互联互通，在同一个工艺模型里工作， 实现了内操与外操的协同训练。

3.2 仿真实例

3.2.1 案例对象工艺概况

2002年1月7日某县一加油站发生爆燃事故，加油站内一台加油机被烧得面目全非， 加油站屋顶被掀开，一侧的围墙也被炸倒，造成1人死亡，2人受伤。据调查，事故原因为油罐车司机驾驶油罐车为加油站送油，未按规程采用密封式输油法，而直接将输油管插入储油罐中。 加油站一员工前去关阀门时，所穿的衣服产生静电引起爆燃。

以此事故为例， 对加油站进行建模仿真，并说明系统如何对事故演变进行仿真，同时给出了进行应急演练操作的步骤。 表2和图3为加油站的基本情况，站内存有5块灭火毡，一台25kg推车式泡沫灭火器。

表2 储罐结构参数

3.2.2 异常与事故处理模拟

基于第2节提出的隐患设备建模方法对加油站进行建模。

仿真流程如下：油罐车进入加油站时，未做除静电处理。 罐车停靠在92#汽油罐V01右侧，在卸油途中，操作工未采用密封式输油法，致使油管意外脱落并发生油品泄漏。 此时因静电引燃液池，形成池火。

图3 加油站平面布置图

已知汽油泄漏点位于西侧靠墙区域，距东侧的加油枪15m；西侧因为有墙体阻挡，汽油只能往其他方向漫延。 风速为3m/s，风向为西，加油机整体位于火灾的下风向。泄漏口直径为8cm；汽油液位最高点距泄漏口垂直高度为2m； 汽油密度为800kg/m3； 汽油的单位面积燃烧速率为0.055kg/（m2·s）。 忽略罐内外空气压差，根据液体泄漏速率计算公式计算可得： 液位高度在1.0m时，泄漏速率为10.4kg/s；当液位高度在0.1m时，泄漏速率为3.2kg/s。

分两种情况进行仿真：泄漏发生时，罐车汽油液位距泄漏口高度分别为1.0m和0.1m。

情况一：第270s发生泄漏，此时罐车汽油液位距泄漏口高度1.0m，剩余汽油超过10t，泄漏量较大，液池面积因持续泄漏扩大，第295s发生火灾。因站内只有小型推车式灭火器，操作工判断无法救援，迅速逃离并报警。 火势蔓延，引燃并烧毁加油机，若操作工不及时逃离也会受到伤害。 图4为泄漏量与池火等效半径趋势。

图4 泄漏量与池火等效半径趋势

情况二：第110s发生泄漏，此时罐车汽油液位距泄漏口高度0.1m，剩余汽油质量约为1t，第145s时液池被静电火花点着，发生火灾。 在第880s时，操作工找到灭火器后开始对池火进行扑救并成功扑灭。 因罐车内已无汽油，不存在复燃可能性，此次应急救援结束。 图5为对池火进行扑救的三维仿真画面，图6为此次灭火救援关键参数趋势。

图5 对池火进行扑救三维仿真画面

图6 灭火救援关键参数趋势

3.2.3 结果

通过对加油站罐区卸油事故仿真验证了所设计的仿真系统。 仿真系统以安全机理模型为基础，在仿真系统的统一调度下，模型自行判断引入灾害模型， 所有模型都会对灾害场作出反应，进而出现事故多米诺现象。 用户可以在仿DCS画面和三维场景中对流程中出现的事故灾害进行协同处理救援。

4 结束语

基于隐患模型建模方法，搭建了罐区应急操作仿真平台，将数据渲染到虚拟现实场景中。 目前实现的仿真场景，涵盖了常见的几类化工灾害事故，实现了灾害仿真与应急演练相结合，不仅可用于员工培训，还可用于事故分析以及辅助制定应急预案等。 现在灾害模型计算并不很精确，在以后的工作中，需要收集更多的真实事故数据来继续矫正灾害模型，灾害对于灾害场的叠加作用也要更精细。