一种考虑多级多米诺效应的事故态势推演及预警系统

摘要

本发明公开了一种考虑多级多米诺效应的事故态势推演及预警系统，包括化工园区事故态势推演仿真系统和事故预警系统，所述化工园区事故态势推演仿真系统包括预处理模块和仿真模块，所述事故预警系统包括预警模块和后处理模块，本发明通过对化工园区事故调研与案例分析，结合化工园区的现场实际情况，考虑多级多米诺效应下的风险值计算，耦合多物理场模型与动态边界条件，构建化工园区的事故态势推演仿真及预警系统，实现对可能发生事故的30分钟的超前预警，建立化工园区全生命周的应急辅助决策系统，从源头上削减生产安全事故对整个化工园区的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及化工园区的应急处置技术领域，具体为一种考虑多级多米诺效应的事故态势推演及预警系统。

背景技术

化工园区内部涉及危险化学品的企业数量较多，危险化学品储存量较大，危险源种类多样、密度较为集中，这导致整个化工园区的潜在危险性高度汇集，即使相邻的两家企业之间存在着安全防护措施，但由于安全防护措施所提供的安全防护阈值是有限的，加之事故的态势发展难以控制，一旦发生了初始事故，若无及时有效的处理，低严重度的初始事故将引发多级连锁反应，从而发生多米诺效应事故，最终造成极大的经济损失与人员伤亡，因此，亟需一种考虑多级多米诺效应的事故态势推演仿真及预警系统，为化工园区的安全管理提供有力支撑；

在实际的化工园区事故中，除非危险化学品储存单元的既定属性以外，多米诺效应被触发的主要原因可总结为：

1)事故发生前的阶段，化工园区的企业相关负责人与现场一线人员所获取到的信息是不对称且不完全的；负责人对事故的严重后果认识不够，未能及时采取有效的防范措施；

2)事故发生中的阶段，化工园区的企业相关负责人缺乏危机意识，对预警信息不敏感，反应不及时；救援力量处置事故方式不科学，缺乏正确且及时的技术指导，而针对上述原因的重要解决方案之一是建成一种考虑多米诺效应事故的可视化态势推演仿真与预警系统；

然而，目前现有技术仅能模拟化工园区单一事故(火灾、爆炸、泄漏事故)所可能造成的后果，无法有效考虑到事故之间所产生物理场的相互作用，因此它们的计算结果与实际事故场景是不一致的。为了提高化工园区的事故模拟精度与可视化程度，体现危险源在三维空间的时空一致性，需要着重考虑火灾发生时产生的热辐射、爆炸时产生的冲击波超压与物理碎片等初始事故造成的多级链式反应，构建基于多级多米诺效应与三维时空数据的事故态势推演仿真及预警系统；

为了有效展开化工园区的多事故后果耦合作用下的防灾减灾工作，需要建立基于风险阈值的多米诺效应事故预警系统，多米诺效应事故的快速预警且提前预警时间不少于30分钟，该发明方法不仅可以为应急救援指挥者提供辅助决策，而且可以为一线应急救援力量在突发的化工园区事故下执行救援方案提供有力支撑，同时可以帮助确定化工园区的重点监管单元及其防护措施的防护性能，最终在化工园区事故的全生命周期防控中实现本质安全的管理效果，为事故前的高效预警与响应，以及风险评估分级管控提供重要支撑。

发明内容

1)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种考虑多级多米诺效应的事故态势推演及预警系统，包括化工园区事故态势推演仿真系统和事故预警系统，所述化工园区事故态势推演仿真系统包括预处理模块和仿真模块，所述事故预警系统包括预警模块和后处理模块。

作为本发明优选的方案，所述预处理模块主要用于文献分析和现场实地调研。

作为本发明优选的方案，所述预处理模块的具体操作步骤如下：

S1，构建基本的三维模型；

S2，分析园区基本特征参数；

S3，初步筛选符合要求的计算模型。

作为本发明优选的方案，所述仿真模块的具体操作步骤如下：

S11，确定影响态势发展的特征参数类别；

S12，构建与实际场景一致的三维可视化模型；

S13，事故场景选择及其危险源三维坐标确定；

S14，动态监测及调用气象环境数据；

S15，选择最佳的计算模型进行事故仿真；

S16，三维时空态势推演仿真效果呈现；

S17，关键性参数时空展示。

作为本发明优选的方案，所述S13中危险源具体包括泄漏、火灾和爆炸。

作为本发明优选的方案，所述S17中展示内容包括热辐射通量和爆炸冲击波。

作为本发明优选的方案，所述预警模块的具体操作步骤如下：

S21，根据事故态势发展中的危险参数变化情况以及被影响单元的原始失效闽值对事故进行智能判定；

S22，实现事故发生后30分钟内的超前预警；

S23，对事故风险值进行判断,当风险值大于阀值时进入步骤S24,当风险值小于阀值时进入步骤S25；

S24，调用多米诺事故风险计算模型，求解多米诺事故的影响范围及其造成多级多米诺事故的概率和时间；

S25,计算初始事件事故后果，预测目标单元达到失效的时间和概率；

S26,事故分级预警。

作为本发明优选的方案，所述后处理模块的功能具体包括性能测试、模型求解验证、系统报错及其解决方案、报告内容及其个性化设置。

作为本发明优选的方案，所述后处理模块中性能测试、模型求解验证、系统报错及其解决方案将信息实时反馈到系统中的仿真模块中，利用实体风洞实验验证方法确定实际计算模型中的参数。

作为本发明优选的方案，所述后处理模块中报告内容及其个性化设置通过云图、等值画图、动画效果以及监测点进行数据展示。

2)有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、构建了适用于化工园区多物理场耦合的事故态势推演仿真系统；

与现有技术相比，本发明考虑了化工园区的火灾、爆炸等初始事故导致的多级多米诺事故，同时结合实际的三维时空一体化数据，事故的态势推演仿真更贴合真实事故情况，可视化程度、事故态势推演仿真的速度和精度均有所保证，为开展高效的应急救援与应急疏散提供更加客观的依据；

2、构建了基于危险源特征参数与事故风险阈值的化工园区多米诺事故分级超前预警系统；

通过辨析化工园区中的危险源特征参数，对事故风险阈值进行诊断和评判，考虑化工园区多级多米诺效应的事故风险计算结果与事故态势推演仿真结果，依据事故后果的影响范围、严重程度(热辐射、爆炸冲击波、物理碎片等所造成的事故后果)、发生概率等进行分级预警，以确定化工园区可能发生的多米诺事故的时间和概率，同时将初始事故发生后30分钟内的超前预警信息与化工园区中的声光报警器等硬件相连，最终实现对事故的超前预警，目的是在关键时刻切断化工园区中的多米诺效应；

3、建立了针对化工园区全生命周期的应急辅助决策系统；

1)该系统不仅适用于化工园区事故状态下的的应急处置过程，其中的事故态势推演仿真模块更有利于处于事故状态中的应急救援指挥者与一线应急救援者更明确各自的任务；

2)该系统可拓展到年度、季度、月度与日常的应急演练，在应急演练前通过仿真模块中事故态势推演进一步熟悉化工园区常见事故的应对流程及其注意要点；

3)该系统所导出的结果文件可进行复盘研讨，为研究化工园区事故的发展规律及其防范措施提供理论支撑，为事故灾害后的安全管理工作提供技术指导。

附图说明

图1为本发明考虑多级多米诺效应的态势推演仿真及预警技术流程图；

图2为本发明实施例中典型化工园区储罐的等轴视图；

图3为本发明实施例中喷射火形成一级多米诺事故的态势推演仿真过程示意图；

图4为本发明实施例中爆炸形成三级多米诺事故的态势推演仿真过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

请参阅图1-图4，本发明提供一种技术方案：

一种考虑多级多米诺效应的事故态势推演及预警系统，包括；

1)预处理模块：

预处理模块主要用于文献分析和现场实地调研，预处理模块主要是为了能确保化工园区的事故态势推演过程更加贴合真实事故的实际态势发展情况；

首先，该模块可结合地理信息实时建立成缩比例的三维模型，保证化工园区中的设备、设施的位置与系统中的设置是一致的；

其次，该模块可对化工园区中常见的事故类型及其典型案例进行辨析并分类，采取“现场调研+文献查询”方式，结合化工园区现有生产、使用或储存的危险化学品特征参数数据，最终生成可进行事故态势推演仿真及预警的数值计算环境；

2)仿真模块：

仿真模块是化工园区事故态势推演的核心模块之一，主要基于数值计算对化工园区的事故发展进行态势推演仿真，该仿真模块的态势仿真模型数据库适用于计算考虑多物理场耦合的场景，即可以实现多事故耦合下的态势推演仿真过程，比如计算并仿真某目标单元在火灾事故与爆炸事故同时作用下的状态；

具体包括以下步骤：

步骤一，确定影响态势发展的特征参数类别；

步骤二，构建与实际场景一致的三维可视化模型；

步骤三，事故场景选择及其危险源三维坐标确定，危险源具体包括泄漏、火灾和爆炸；

步骤四，动态监测及调用气象环境数据；

步骤五，选择最佳的计算模型进行事故仿真；

步骤六，三维时空态势推演仿真效果呈现；

步骤七，关键性参数时空展示，展示内容包括热辐射通量和爆炸冲击波；

该仿真模块可接入外部获取到的实时数据，考虑具体地形地貌及建筑物对事故态势发展的影响，该模块开始时初步确定危险源(实际中包括多种危险源形式：点源、线源、体源)的三维坐标、影响范围，按照重构的三维模型将化工园区在空间上离散化，在确定一种初始事故(火灾、爆炸)的危险化学品物性参数、储罐或者设备的参数、现场监测参数等关键数据后，通过设置边界条件及流体力学模型、火灾动力学模型等，对事故态势发展的过程进行数值计算仿真；

该仿真模块能在保证区域求解速度和精确度的前提下，可以自动对计算区域进行自适应的高质量网格划分，实现对化工园区初始事故态势的快速推演仿真，争取更多的时间对其他储罐或单元发生多米诺效应进行提前的预警信息发布，该仿真模块可拓展性强，计算并行且可以实时输出仿真结果，也可以设定参数动态变化的曲线，例如读取化工园区一段时间间隔内的气象数据及其现场监测数据，即使事故态势推演仿真的边界条件动态变化，该模块也可以进行计算，这可保证事故态势推演仿真的效果更加贴合实际事故情况，该模块还可以在计算过程中实时查看目标储罐或单元所接收的热辐射通量及冲击波超压等关键事故态势演变参数的三维时空状态；

3)预警模块：

预警模块的主要功能是对即将可能发生的多米诺效应事故进行预警，以及发布化工园区的多米诺效应事故风险分级预警信息，通过仿真模块可以获取初始事故发生后30分钟内所有事故态势数据；

具体包括以下步骤：

步骤一，根据事故态势发展中的危险参数变化情况以及被影响单元的原始失效闽值对事故进行智能判定；

步骤二，实现事故发生后30分钟内的超前预警；

步骤三，对事故风险值进行判断,当风险值大于阀值时进入步骤S24,当风险值小于阀值时进入步骤S25；

步骤四，调用多米诺事故风险计算模型，求解多米诺事故的影响范围及其造成多级多米诺事故的概率和时间；

步骤五,计算初始事件事故后果，预测目标单元达到失效的时间和概率；

步骤六,事故分级预警；

本系统中的多米诺效应是指在一个化工园区中，由一个初始事故残生初始能量，这部分的初始能量会累积或瞬时释放，由此可能产生一连串的连锁反应，其影响其他单元的主要形式分为热辐射、爆炸的冲击波超压、爆炸抛射物等，影响的结果是其他单元产生失效并发生次生事故，一般而言，热辐射的临界值为37.5kw/m

4)后处理模块：

后处理模块包括性能测试、安全性测试、仿真模型验证、系统报错提示以及报告格式个性化设定输出内容；其中，输出的结果文件包括事故态势推演仿真过程的物质扩散云图与等值面图、矢量图、流线图、动画视频、现场监测点数据等，涵盖二、三维的数据，后处理模块还可通过风洞试验与仿真对比确定必要的参数(如湍流模型，湍流强度等参数)，从而保证计算结果的有效性；

以上四个模块相互联系，有机组合，共同形成了考虑多级多米诺效应的事故态势推演及预警系统，该系统在基于对化工园区的事故态势演化规律及其后果严重程度的基础上，依据化工园区事故后果严重程度的分级阈值(一般包括热辐射通量、爆炸冲击波与物理碎片)来判断是否满足导致多米诺效应的条件，实现对其他位置的目标单元受多米诺效应影响的超前预警；

该系统可以对化工园区的事故演化进行态势推演仿真及其预警，为化工园区的应急处置方案设计和应急救援指挥人员的现场决策提供有力支撑，该系统不仅适用于事故灾害发生中及其应急处置的阶段，还适用于化工园区安全预评价阶段、现状评价阶段中的风险评估与现场安全管理环节，通知适用于化工园区的应急演练阶段(基于情景构建与真实案例，可以设计相关的案例来提高化工园区的整体应急处置意识与水平)，综上所述，该系统有利于建立针对化工园区全生命周期的应急管理体系，能够有效遏制多米诺事故的发生，可操作性强，应用范围广；

为了更好地描述本发明专利的实施过程，突出说明操作流程，所举的例子并不是严格依据真实化工园区的情况，而是采取缩尺寸的表示，主要是为了能有效说明该发明专利的实施方式，同时，本次案例说明暂时不考虑化工园区所采取任何的救援措施的影响，即按照实际情况中的最坏灾害链进行分析，本系统对化工园区初始事故的态势推演仿真过程均在30分钟的超前预警时间内；

如图2所示，假设所分析的对象为某化工园区中的4个储罐，这些储罐的额定容量相同，但是存储化学品的量不同，其中，储罐1储存的物质为液化天然气；储罐2储存的物质为石油；储罐3储存的物质为某易燃易爆物质；储罐4储存的物质为某毒性物质，假设所发生的初始事故可能是火灾、爆炸、泄漏事故中的一种或两种；

当火灾作为初始事故时，主要危害人员的生命安全与其他储罐或设备、设施的因素主要为火焰的热辐射通量或强度，而可能诱发多米诺效应的火灾分为池火灾、喷射火、火球等，为描述本发明专利的实施过程，此处以喷射火为初始事故展开分析；

当爆炸作为初始事故时，其可能诱发多米诺效应的类型主要分为蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸、其他物理爆炸，其对外界的破坏方式主要分为冲击波、热负荷以及抛射破片，但其大部分能量用于产生冲击波与热负荷，因此，此处暂时不考虑抛射破片，而蒸气云爆炸事故形成的冲击波超压是本实施案例中诱发三级多米诺事故的主要原因；

当泄漏为初始事故时，其可能诱发多米诺效应的类型主要分为可燃物质泄漏形成流淌火、易燃易爆物质泄漏形成易燃易爆蒸汽云；

假设在气象跳江为高温干燥的某天，某化工园区的储罐1由于工人的误操作而发生了内部起火，造成池火灾(初始事故)，经过一段时间后，储罐1的罐体由于受到自身池火灾的影响，其罐壁的许用应力超过其设计允许值，储罐1开始撕裂，形成一个泄漏口，在火源的作用下，事故态势发展为朝向储罐2的高速喷射火(50m/s)，如图3所示，喷射火焰直接作用于储罐2的外罐壁，此时，系统快速调用预处理模块，在前期基于文献分析与实地调研的基础上，调取实际化工园区的地形地貌等信息，对化工园区的时空一体三维模型进行快速构建，结合储罐1与储罐2对应的危险化学品特征参数及其关键物性参数，初步筛选出符合要求的态势推演仿真计算模型，同时更新所分析的储罐发生失效的临界条件(阈值)，以避免错误预警或延迟预警，其次，仿真模块将通过接入动态监测数据和气象环境数据进行关键参数的输入，并开始态势推演仿真计算与计算结果的实时显示，随后，系统的预警模块将实时监测仿真模块所计算的事故态势发展过程形成的风险值，并与修正后的储罐风险阈值进行对比判断，最终显示动态更新的风险分析结果，方便应急救援指挥人员了解当前的事故态势发展状态及其严重程度，以采取有效应急措施，达到对风险分级管控的效果；

在完成以上流程后，本系统将展示由储罐1喷射火导致的多米诺效应事故结果，其事故态势模拟演化的可视化及其超前预警过程如下：

(1)一级多米诺事故的态势推演仿真过程；

一级多米诺事故的态势推演仿真的过程见图3所示：经过一段时间后，发生在储罐1的喷射火事故趋于稳定阶段，而储罐2外部所接受的热辐射通量暂时还未超过其所能承受的临界阈值，此时预警模块将继续监测储罐2外部的热辐射通量值及预测其发生多米诺事故的时间、概率与后果等情况，再经过2s(时间计算的误差为正负10％)，储罐2外罐壁所接受的热辐射通量已经超过其所能承受的临界值，储罐2开始失效，此时储罐2的罐壁形成一个新的泄漏口，并在储罐1的喷射火作用下，形成一个新的喷射火；

(2)二级多米诺事故态势推演仿真过程；

储罐1持续稳定地喷射火焰，在高强度的热辐射影响下，储罐1面向储罐3方向的开口也开始破损，即储罐1形成的喷射火开始对储罐3的罐体直接加热，而储罐2形成的喷射火的方向也处于储罐3的方向，则此时储罐3受到了储罐1与储罐2的耦合热辐射物理场的作用，储罐3外罐壁所接受的热辐射通量暂时还未超过其所能承受的临界值，该系统将调用预警模块继续监测目标储罐3外罐壁的热辐射通量值及预测其发生多米诺事故的时间、概率与后果等情况，再经过1s(时间计算的误差为正负15％)，储罐3也开始失效；

(3)三级多米诺态势推演仿真过程；

三级多米诺事故的态势推演仿真的过程见图4所示，由于储罐3在失效前已经在内部形成了大量的可燃性气体，且在储罐1与储罐2的耦合热辐射物理场的作用下，储罐3将在预估1ms内(误差为20％)诱发蒸气云爆炸事故(见图4所示，在形成爆炸事故后的1.3ms时刻，爆炸冲击波超压经过整个储罐4，在0.4ms时刻，储罐4的罐壁表面压力达到最大值，最大压力为5.6Mpa)，此时，储罐4从一开始接收到了来自储罐1的热辐射，接着接收了来自储罐1与储罐2的耦合热辐射物理场作用，现在则同时接收了来自储罐1热辐射和储罐2的热辐射、储罐3的爆炸冲击波超压所形成的多物理场耦合作用，由于储罐4的失效临界阈值较高，其外部所接受的热辐射通量或爆炸冲击波超压暂时还未超过其所能承受的临界值，此时预警模块将继续监测目标储罐4外部的热辐射通量值、爆炸冲击波超压及预测其发生多米诺事故的时间、概率与后果等情况，再经过2.5ms(时间计算的误差为正负15％)，储罐4外部所接受的热辐射通量或爆炸冲击波超压已经超过其设计前所能承受的临界值，此时储罐4开始失效，其内部的毒气开始泄漏，随着大气不断扩散，将对周围场所的人员造成伤害，至此，本实施例的案例实施过程结束。

综上所述，本发明通过对化工园区事故调研与案例分析，结合化工园区的现场实际情况，考虑多级多米诺效应下的风险值计算，耦合多物理场模型与动态边界条件，构建化工园区的事故态势推演仿真及预警系统，实现对可能发生事故的30分钟的超前预警，建立化工园区全生命周的应急辅助决策系统，从源头上削减生产安全事故对整个化工园区的影响。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。