CN104750949A

CN104750949A - 一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法

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Publication number: CN104750949A
Application number: CN201510193656.4A
Authority: CN
Inventors: 章博; 贾艳; 王磊; 王志刚; 乔申; 赵日彬; 杨敬; 慕超; 邹牛洋; 于秀彦; 成琳琳
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2035-04-22
Also published as: CN104750949B

Abstract

本发明公开了一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法，包括以下步骤：基于泄漏概率和风场联合分布概率，构建真实泄漏场景集合；利用CFD软件对泄漏场景进行真实的泄漏模拟，立有毒气体泄漏CFD模型，记录不同泄漏场景中各位置气体泄漏扩散实时浓度场；通过确定泄漏事故造成的中毒事故场景下的影响范围内人员死亡概率，来确定事故影响范围内人员的个人风险，进行累计个人风险定量分析；结合各场景的各个位置点对应的累积个人风险值，对累加的个人风险绘制风险云图，直观表达个人风险值的大小及分布情况。此方法适用于人员中毒事故的预防、气体探测器的布置优化及工厂设施的优化布局等，具有重要的指导意义。

Description

一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法

技术领域

本发明涉及属于危险气体泄漏事故风险分析或定量风险评估领域，涉及到多场景累积个人风险评估及真实泄漏场景下的个人风险表征，尤其涉及一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法。

背景技术

毒气泄漏后果评估一般采用类比法、经验法、检查表法、风险评估法和综合分析法等以定性为主和基于经验公式的初步定量评价方法，缺乏较准确的定量评估技术；基于计算流体力学模拟的有毒气体泄漏扩散研究常局限于对泄漏气体浓度场的模拟及根据一定接触限值判定其威胁范围，很少能对毒气泄漏中毒风险进行定量评估；有毒气体泄漏定量评估方法的研究一般借助单一的典型泄漏场景进行泄漏模拟，其研究结果存在局限性，难以代表真实泄漏中毒的个人风险；风险分析结果一般以简单数值表征单一场景的总体风险，难以直观形象的表征整个场景各个位置的风险状况。

无法直观的对场景各个位置的风险状况进行评估显示，技术人员在进行中毒事故的预防时，无法根据各个位置面临的风险有针对性的选择合适的风险处理措施方案、设置气体探测器或通风装置，以灵敏、准确的检测毒气泄漏。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法，本方法提出结合计算流体力学(CFD)数值模拟与中毒剂量反应模型对LEAK软件分析所得的多个泄漏场景进行真实泄漏后果累加的个人风险定量评估方法，并将数据进行处理，得出个人风险云图以此表征个人风险大小及分布情况。此方法适用于人员中毒事故的预防、气体探测器的布置优化及工厂设施的优化布局。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法，包括以下步骤：

(1)基于泄漏概率和风场联合分布概率，构建真实泄漏场景集合；

(2)利用CFD软件对泄漏场景进行真实的泄漏模拟，建立有毒气体泄漏CFD模型，记录不同泄漏场景中各位置气体泄漏扩散实时浓度场；

(3)通过确定泄漏事故造成的中毒事故场景下的影响范围内人员死亡概率，来确定事故影响范围内人员的个人风险，进行累计个人风险定量分析；

(4)结合各场景的各个位置点对应的累积个人风险值，对累加的个人风险绘制风险云图，直观表达个人风险值的大小及分布情况；

(5)根据场景的各个位置点对应的分布情况，选择合适的风险处理措施方案、设置气体探测器或通风设施。

所述步骤(1)的具体方法为：

综合考虑风场和泄漏源两个不确定性因素，通过风场集与泄漏源集的随机组合，构建危险气体泄漏场景集，真实泄漏场景集构建形式如下：

L＝W·S 1)

式中L表示泄漏场景集；W表示风场集；S代表泄漏源集。

所述步骤(1)中，根据真实泄漏场景集计算泄漏概率，根据历史气象数据得出风场联合分布概率，确定所有场景概率，泄漏场景集发生概率如下式所示：

P_L＝P_W×P_S 2)

式中P_L表示泄漏场景L的发生概率，P_W表示风场联合分布概率，P_S表示泄漏源泄漏概率。

所述步骤(2)的具体方法为：

有毒气体泄漏事故后果由概率函数法和剂量反应模型确定的人员中毒死概率来表征，以此得到各泄漏场景特定位置(x,y)处的人员中毒死亡概率P_i(x,y)：

P_{i} (x, y) = \frac{1}{\sqrt{2 π}} {&Integral;}_{- \infty}^{k_{1} + k_{2} \ln [V_{i} (x, y)] - 5} e^{- \frac{s^{2}}{2}} ds - - - 3)

V_{i} (x, y) = {&Integral;}_{t_{0}}^{t_{1}} C^{m} dt \approx Σ_{i = 1}^{k} C_{i}^{m} Δ t_{i} - - - 4)

式中，k₁、k₂为取决于毒物性质的常数；V_i(x,y)为场景i的(x,y)处毒气剂量，C_i为某时间间隔内的毒气浓度，单位为PPm；Δt_i为对应的时间间隔，单位为min；k为总的时间间隔数；m为取决于毒气性质的浓度指数。

所述步骤(2)中，暴露剂量利用CFD软件对泄漏场景进行真实的泄漏模拟获得，建立有毒气体泄漏CFD模型，在区域中易出现人员中毒的敏感位置(x,y)设置监测点，记录不同泄漏场景中各位置气体泄漏扩散实时浓度场，其监测得到的特定位置有毒气体浓度随时间变化情况作为计算暴露剂量的依据。

所述步骤(2)中，人员中毒的敏感位置为包括控制室、巡检点的人员密集点。

所述步骤(3)的具体方法为：

通过确定泄漏事故造成的中毒事故场景下的影响范围内人员死亡概率，来确定事故影响范围内人员的个人风险；个人风险计算表达式如下：

R_i(x,y)＝P_Li×P_i(x,y) 6)

式中，R_i(x,y)表示事故场景i造成的点(x,y)处的个人风险，P_Li表示事故场景i的发生概率，P_i(x,y)表示事故场景i中，导致影响区域(x,y)内的人员死亡的可能性。

所述步骤(3)中，需要对所有可能发生事故的泄漏场景对人员造成伤害的个人风险进行累积加和，从而达到综合表征随机泄漏事故发生对人员产生的伤亡影响，由此，累加所有泄漏场景中毒个人风险，可得中毒个人风险R(x,y)，如下所示：

R (x, y) = Σ_{i = 1}^{n} R_{i} (x, y) = Σ_{i = 1}^{n} P_{Li} P_{i} (x, y) - - - 7)

式中，n为事故后果情况数；P_Li为泄漏场景i发生的概率；P_i(x,y)为泄漏场景i下的人员中毒死亡百分比。

所述步骤(4)中，运用Origin软件对累加的个人风险绘制风险云图，结合HSE的个人风险标准，将人员中毒个人风险划分为A、B、C三个等级，A区为不可接受风险区域(>10^-4人/a)，B区属灰色风险区(10^-6～10^-4人/a)、C区属可忽略风险区域(<10^-6人/a)。

所述步骤(4)中，A区的风险无论如何不能被接受、B区需要在可能的情况下尽量减少风险，即对各种风险处理措施方案进行成本效益分析，以决定是否采取措施，C区风险处于很低的水平，该风险是可以被接受的，无需采取安全改进措施。

所述步骤(5)中，A区必须要设置风险处理措施方案，且在此区域，需要设置气体检测器或通风设施，B区对各种风险处理措施方案进行成本效益分析，再决定是否需要设置气体检测器或通风设施，C区无需设置气体检测器或通风设施。

本发明的有益效果为：

(1)本发明改变了有关危险气体泄漏扩散研究只能根据经验公式和接触限值划定危险区域进行定性评估，以及定量评估仅能借助单一的典型泄漏场景进行泄漏模拟的现状，结合计算流体力学(CFD)数值模拟与中毒剂量反应模型对LEAK软件分析所得的多个泄漏场景进行真实泄漏后果累加的个人风险定量评估方法，并将数据进行处理，得出个人风险云图以此表征个人风险大小及分布情况；

(2)本发明提出个人风险累加评估方法，对所有可能发生事故的泄漏场景对人员造成伤害的个人风险进行累积加和，解决了现有个人风险评估方法仅能对单一泄漏场景进行评估，其评估结果只能体现此种场景下的泄漏扩散情况及后果影响情况，即只能简单表征某一种风场与一种泄漏源的组合对人员造成的伤亡影响，评估结果不能完全体现真实泄漏情况；

(3)本发明运用Origin软件对累加的个人风险绘制风险云图，可直观表征真实泄漏场景的个人风险；

(4)本发明适用范围广，适用于人员中毒事故的预防、气体探测器的布置优化及工厂设施的优化布局等，具有重要的指导意义。

附图说明

图1为本发明的某液氨制冷系统氨气泄漏个人风险云图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

气体泄漏中毒风险定量评估方法具体步骤如下：

(1)真实泄漏场景集构建

提出一种基于泄漏概率和风场联合分布概率的危险气体泄漏场景集构建方法，综合考虑风场和泄漏源两个不确定性因素，通过风场集与泄漏源集的随机组合，构建危险气体泄漏场景集，运用DNV的LEAK软件计算泄漏概率，根据历史气象数据得出风场联合分布概率，确定所有场景概率，真实泄漏场景集构建形式如下：

L＝W·S 1)

式中L表示泄漏场景集；W表示风场集；S代表泄漏源集。泄漏场景集发生概率如下式所示：

P_L＝P_W×P_S 2)

(2)CFD模拟及事故后果分析

有毒气体泄漏事故后果可由概率函数法和剂量反应模型确定的人员中毒死概率来表征，以此得到各泄漏场景特定位置(x,y)处的人员中毒死亡概率P_i(x,y)。

P_{i} (x, y) = \frac{1}{\sqrt{2 π}} {&Integral;}_{- \infty}^{k_{1} + k_{2} \ln [V_{i} (x, y)] - 5} e^{- \frac{s^{2}}{2}} ds - - - 3)

V_{i} (x, y) = {&Integral;}_{t_{0}}^{t_{1}} C^{m} dt \approx Σ_{i = 1}^{k} C_{i}^{m} Δ t_{i} - - - 4)

式中，k₁、k₂为取决于毒物性质的常数；V_i(x,y)为场景i的(x,y)处毒气剂量。C_i为某时间间隔内的毒气浓度，单位为PPm；Δt_i为对应的时间间隔，单位为min；k为总的时间间隔数；m为取决于毒气性质的浓度指数。

其中，暴露剂量可利用CFD软件对泄漏场景进行真实的泄漏模拟获得，建立有毒气体泄漏CFD模型，在特定位置(x,y)设置监测点，记录不同泄漏场景中各位置气体泄漏扩散实时浓度场，其监测得到的特定位置有毒气体浓度随时间变化情况作为计算暴露剂量的依据。

(3)累积个人风险定量分析

通过确定泄漏事故造成的中毒事故场景下的影响范围内人员死亡概率，来确定事故影响范围内人员的个人风险。个人风险计算表达式如下：

R_i(x,y)＝P_Li×P_i(x,y) 6)

现有个人风险评估方法仅能对单一泄漏场景进行评估，其评估结果只能体现此种场景下的泄漏扩散情况及后果影响情况，即只能简单表征某一种风场与一种泄漏源的组合对人员造成的伤亡影响，评估结果不能完全体现真实泄漏情况。而泄漏事故的发生具有较强的随机性，可以是任一风场与任一泄漏源随机组合而发生的，因此，为表征所有真实泄漏场景随机发生事故对人员造成影响的综合情况，本发明提出一种个人风险累加评估方法，即对所有可能发生事故的泄漏场景对人员造成伤害的个人风险进行累积加和，从而达到综合表征随机泄漏事故发生对人员产生的伤亡影响。由此，累加所有泄漏场景中毒个人风险，可得中毒个人风险R(x,y)，如下所示：

R (x, y) = Σ_{i = 1}^{n} R_{i} (x, y) = Σ_{i = 1}^{n} P_{Li} P_{i} (x, y) - - - 7)

(4)个人风险表征方法

通过以上计算可得到各点对应的累积个人风险值，但不能直观地表达个人风险值的大小及分布情况。针对这个问题，研究运用Origin软件对累加的个人风险绘制风险云图。根据国家安全生产监督管理总局令第40号令《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》中可容许个人风险标准的要求，以及HSE的个人风险标准：最大个人风险可接受水平为10^-4人/a，可忽略风险水平为10^-6人/a。可将人员中毒个人风险划分为A、B、C三个等级，A区为不可接受风险区域(>10^-4人/a)，该风险无论如何不能被接受；B区属灰色风险区(10^-6～10^-4人/a)，需要在可能的情况下尽量减少风险，即对各种风险处理措施方案进行成本效益分析等，以决定是否采取这些措施；C区属可忽略风险区域(<10^-6人/a)，风险处于很低的水平，该风险是可以被接受的，无需采取安全改进措施。

图1为某液氨制冷系统氨气泄漏造成人员中毒的个人风险累加云图，此图为CFD模拟82个泄漏场景所得个人风险值累加得到，图中清晰地展示了液氨泄漏后个人风险值的大小及分布范围。国家安全生产监督管理总局令第40号令标准，将10^-4人/a作为厂区个人最大可接受风险水平，10^-6人/a作为可忽略风险水平，以此值作为临界值，图中A区域为不可接受区域，此区域以外为可接受区域，可接受区域又可划分为灰色风险区(B区)和可忽略风险区域(C区)。

A区域必须要设置风险处理措施方案，且在此区域，需要设置多个气体检测器或通风设施，B区对各种风险处理措施方案进行成本效益分析，需要设置少量的气体检测器或通风设施，C区无需设置气体检测器或通风设施。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法，其特征是：包括以下步骤：

(2)利用CFD软件对泄漏场景进行真实的泄漏模拟，立有毒气体泄漏CFD模型，记录不同泄漏场景中各位置气体泄漏扩散实时浓度场；

(5)根据场景的各个位置点对应的分布情况，设置气体探测器或通风设施。

2.如权利要求1所述的一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法，其特征是：所述步骤(1)的具体方法为：

L＝W·S

1)

式中L表示泄漏场景集；W表示风场集；S代表泄漏源集。

3.如权利要求1所述的一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法，其特征是：所述步骤(1)中，根据真实泄漏场景集计算泄漏概率，根据历史气象数据得出风场联合分布概率，确定所有场景概率，泄漏场景集发生概率如下式所示：

P_L＝P_W×P_S 2)

4.如权利要求1所述的一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法，其特征是：所述步骤(2)的具体方法为：

P_{i} (x, y) = \frac{1}{\sqrt{2 π}} {&Integral;}_{- \infty}^{k_{1} + k_{2} \ln [V_{i} (x, y)] - 5} e^{- \frac{s^{2}}{2}} ds - - - 3)

V_{i} (x, y) = {&Integral;}_{t_{0}}^{t_{1}} C^{m} dt \approx Σ_{i = 1}^{k} C_{i}^{m} Δ t_{i} - - - 4)

式中，k₁、k₂为取决于毒物性质的常数；V_i(x,y)为场景i的(x,y)处毒气剂量，C_i为某时间间隔内的毒气浓度，单位为PPm；△t_i为对应的时间间隔，单位为min；k为总的时间间隔数；m为取决于毒气性质的浓度指数。

5.如权利要求4所述的一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法，其特征是：所述步骤(2)中，暴露剂量利用CFD软件对泄漏场景进行真实的泄漏模拟获得，建立有毒气体泄漏CFD模型，在区域中易出现人员中毒的敏感位置(x,y)设置监测点，记录不同泄漏场景中各位置气体泄漏扩散实时浓度场，其监测得到的特定位置有毒气体浓度随时间变化情况作为计算暴露剂量的依据。

6.如权利要求5所述的一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法，其特征是：所述步骤(2)中，人员中毒的敏感位置为包括控制室、巡检点的人员密集点。

7.如权利要求1所述的一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法，其特征是：所述步骤(3)的具体方法为：

R_i(x,y)＝P_Li×P_i(x,y) 6)

8.如权利要求1所述的一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法，其特征是：所述步骤(3)中，需要对所有可能发生事故的泄漏场景对人员造成伤害的个人风险进行累积加和，从而达到综合表征随机泄漏事故发生对人员产生的伤亡影响，由此，累加所有泄漏场景中毒个人风险，可得中毒个人风险R(x,y)，如下所示：

R (x, y) = Σ_{i = 1}^{n} R_{i} (x, y) = Σ_{i = 1}^{n} P_{Li} P_{i} (x, y) - - - 7)

9.如权利要求1所述的一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法，其特征是：所述步骤(4)中，运用Origin软件对累加的个人风险绘制风险云图，结合HSE的个人风险标准，将人员中毒个人风险划分为A、B、C三个等级，A区为不可接受风险区域(>10-4人/a)，该风险无论如何不能被接受、B区属灰色风险区(10-6～10-4人/a)，需要在可能的情况下尽量减少风险，即对各种风险处理措施方案进行成本效益分析等，以决定是否采取这些措施。、C区属可忽略风险区域(<10-6人/a)，风险处于很低的水平，该风险是可以被接受的，无需采取安全改进措施。

10.如权利要求9所述的一种气体泄漏中毒个人风险定量评估及表征方法，其特征是：所述步骤(4)中，A区的风险无论如何不能被接受、B区需要在可能的情况下尽量减少风险，即对各种风险处理措施方案进行成本效益分析，以决定是否采取措施，C区风险处于很低的水平，该风险是可以被接受的，无需采取安全改进措施。