一种甲醇装置火灾应急处置模拟演练方法

技术领域

本发明属于危化品泄漏应急处置技术领域，更具体地说，涉及一种甲醇装置火灾应急处置模拟演练方法。

背景技术

甲醇是工业生产中重要的有机溶剂和合成原料，通过甲醇合成可以生产甲醛，醋酸，乙醇等工业产品，同时，甲醇也可以作为一种环保燃料，应用于生产生活中。但是，由于甲醇自身具有很强的毒性和挥发性，属于易燃易爆工业产品，在生产过程中极易发生火灾爆炸事故，造成极大的生命财产损失和环境污染。

为了加强基层职工以及指挥员对现场事故的应急救援与处置能力，化工厂开展应急演练必不可少。但是现场模拟演练由于利用实际装置物理环境进行，所以能够营造出与预案对应的正常状态环境(非事故形态)，但出于安全和其他方面的考虑，无法逼真地再现事故发生时的特定环境(事故形态)，从而缺乏真实感和真正的动手机会(不能实际操作设备)，与实际情况有一定的距离，效果也有限。一旦真的发生了甲醇装置火灾事故，由于缺乏现场实际经验，往往会对现场处置人员造成巨大的心理压力，造成操作失当，甚至错误操作，进而造成更大的安全事故。

经检索，中国专利申请号为：201810767121.7，申请日为：2018年7月13日，发明创造名称为：一种苯加氢装置三维仿真应急停工虚拟操作的设计方法。该申请的步骤为：A、构建应急处置管理模块：任一角色按照苯加氢装置三维仿真应急演练预案中分配的指令任务，系统对相关数据进行记录存储；B、构建评价管理模块：三维仿真应急处置完成后，评价管理模块根据任务完成情况与已内置于系统的标准处理流程比对，对角色的处置情况自动给出客观评价，内容包括：处置步骤、装备使用、动作准确度、信息沟通及作业环境识别等。

又如，中国专利申请号为：201810767122.1，申请日为：2018年7月13日，发明创造名称为：一种苯加氢装置氢气泄漏3D应急仿真模拟处置的设计方法。该申请案的步骤为：A、构建应急处置管理模块：任一角色按照苯加氢装置氢气泄漏应急演练预案中分配的指令任务，独立完成氢气泄漏的应急处置，系统对相关数据进行记录存储；B、构建评价管理模块：氢气泄漏处置仿真应急处置完成后，评价管理模块根据任务完成情况与已内置于系统的标准处理流程比对，对角色的处置情况自动给出客观评价，内容包括：处置步骤、装备使用、动作准确度、信息沟通及作业环境识别等。

但是，上述两个申请案的方案在一定程度上能够避免传统实地演练对正常的生产工作所造成的影响，同时，通过反复多次的仿真演练，提高了广大员工的应急预防处置能力。但是，上述两个申请案的技术方案一般会应用到特定化工产品泄漏时的模拟演练中，由于不同化工产品性质不相同，对应的处理操作也不相同，将该申请案的方法应用到甲醇装置泄漏应急处置时，其使用会受到一定限制，很难让人在演练过程中更好地了解灾害的危险性及危险范围，以便安全逃生。

发明内容

1.要解决的问题

本发明的目的在于克服现有化工厂对甲醇装置发生火灾时进行应急处置时，无法真实、准确模拟出事故场景，在进行模拟演练时，人员由于缺乏实际操作经验，易造成操作失当，甚至错误操作，进而造成更大的安全事故的不足，提供了一种甲醇装置火灾应急处置模拟演练方法。采用本发明的技术方案能够有效解决上述问题，并通过对系统的模块进行优化，逼真显示出事故发生真实状态，从而使火灾应急处置演练成为常态化，通过反复开展这种演练不断完善应急预案，提高应急处置预案的实用性和可操作性。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种甲醇装置火灾应急处置模拟演练方法，其步骤为：

(1)事故场景模拟：在系统中对化工厂甲醇装置进行1：1的建模还原，并使用粒子系统模拟出甲醇泄漏效果以及火灾火焰的燃烧形状，用来还原甲醇装置发生事故时的情景；然后通过着色器技术，结合火灾热辐射数学模型，可视化火灾的热辐射危害范围；

(2)事故的应急处置：任务系统中主要任务采用多角色需要协同完成，总指挥角色控制甲醇装置事故的发生，下级参演人员根据现场情况协同处置事故；处置事故的过程中，系统会自动保存下级参演人员的处置行为，待模拟演练结束后根据标准应急预案进行复盘分析。

更进一步的，步骤(1)中，火灾热辐射数学模型采用Mudan模型，并考虑风速的影响，模拟基础火焰特性。

更进一步的，甲醇装置火灾的质量燃烧速率如下：

其中，m为可燃液体的质量燃烧速率，单位为kg/(m

更进一步的，甲醇装置火灾的火焰高度如下：

其中，H为火焰高度，单位为m；L为有风条件下火焰平均长度，单位为m；D为储罐池火灾的液池直径，单位为m；ρ

更进一步的，甲醇装置火灾的火焰倾角如下：

其中，θ为倾斜角度；f为空气的动粘度，单位为m

更进一步的，甲醇装置火灾的(4)火焰表面热辐射通量如下：

其中，q

更进一步的，所述Mudan模型的理论公式如下：

I＝(1-0.058lnX)F

其中，I为目标对象受到的热辐射量，单位为kW/m

更进一步的，视角系数F

其中，中间变量a

当目标在火焰阴影之外，即X≥D/2+Hsinθ时，l＝H；

当目标在火焰阴影之内，即D/2

中间变量a

a

当计算火焰下风向X距离处的视角因素时，θ取正值；当计算火焰上风向X距离处的视角因素时，θ取负值。

更进一步的，步骤(2)中，任务系统中的角色类型包括总指挥、主操人员、现场人员、巡检人员、消防人员和化救人员；其中，总指挥端对演练有着宏观的控制权限，包括灾害事故的发生，现场的天气状况并且监控其他角色的操作。

更进一步的，步骤(2)中，甲醇装置火灾应急处置方案的主要任务包括巡检人员向总指挥汇报甲醇装置现场情况，总指挥根据现场情况分配任务，其中疏散甲醇装置事故区附近人群，清点现场人数，在事故区附近拉警戒线，系统紧急停车，对抢险人员进行洗消。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种甲醇装置火灾应急处置模拟演练方法，采用虚拟现实技术与实际装置完全相同的三体立体交互式环境，能够产生与实际现场完全相同的视觉和听觉感受，具有非常高的画面冲击力，置身其中如同身临其境。一方面模拟场景中重要物体的工作状态以及物理效果比如甲醇储槽，真实模拟出这些物体在环境中的动态效果，呈现出灾难发生的原因以及火灾的特点和危害。另一方面利用粒子系统结合相关的数学模型有效模拟甲醇装置火灾事故中甲醇的泄漏以及火焰燃烧效果，同时模拟出火灾热辐射的危害范围。在虚拟环境中模拟甲醇装置火灾事故的发生、发展的过程，以及在事故中，按照职能的不同，各个角色协同分工，完成对甲醇装置火灾的应急处置，使火灾应急处置演练成为常态化，通过反复开展这种演练不断完善应急预案，提高应急处置预案的实用性和可操作性。

(2)本发明的一种甲醇装置火灾应急处置模拟演练方法，通过对演练时的系统进行优化设计，可以提供灾害事故动态模拟功能，并支持加载在三维场景中，根据重点部位的危害特点，在虚拟环境中快速构建科学、合理、不同等级的灾害事故，支持对灾害的大小、颜色等进行手动调节，同时支持动态展现灾情随时间、气象环境、物料的化学与物理特性实时变化，从而模拟不同的发展态势和结果，增强现有应急预案或处置方案的实用性，提高参演人员的应急处置能力。

(3)本发明的一种甲醇装置火灾应急处置模拟演练方法，通过对甲醇装置火灾的火焰特性进行优化设计，并结合热辐射数学模型，能够更加逼真地模拟出灾害的危险性及危险范围，从而能够让参与模拟演练的人员更有针对性的对事故灾害做出救援方案和力量调集方案，并辅助救援过程与事故研判。

(4)本发明的一种甲醇装置火灾应急处置模拟演练方法，应急演练系统采用虚拟现实技术立与实际装置完全相同的三体立体交互式环境，能够产生与实际现场完全相同的视觉和听觉感受，包括安全事故发生时的过程和各种现象，具有常高的画面冲击力，置身其中如同身临其境，应急处置人员分别担任不同的岗位职责，可以像在真实环境下一样视、听并按预案进行协同演练，包括对于工具的使用和设备的操作，与实际最为接近，也没有任何危险性，具有最好的培训效果，同时可进行大规模、重复使用。

(5)本发明的一种甲醇装置火灾应急处置模拟演练方法，通过建立数字化的三维场景模型，开发典型事故灾害模型和应急模拟演练系统，支持应急处置人员开展日常不可达区域全流程灭火救援演习，强化参演人员更快熟悉厂区情况，加深参演人员对类型灾害规律的认识，帮助人员熟悉灭火预案流程，提高队员在各种复杂环境下的灭火救援能力与协调能力。同时，通过内置评价模块来量化考评参与演练人员的业务素质，显著提高演练效果。

附图说明

图1为本发明的甲醇装置火灾应急处置模拟演练方法的处置过程流程图。

具体实施方式

针对目前化工厂甲醇装置事故频发的现状，目前化工行业主要还是通过现场应急演练来实现的。但是，这种假象演练方式始终与甲醇装置事故情况存在着差异，无法很好地模拟出火灾情景，从而难以有效通过现有的演练方法提高参与人员在各种复杂环境下的灭火救援能力与协调能力。本发明提供了一种数字化甲醇装置火灾应急处置演练的解决方案，利用三维仿真和虚拟现实技术建设化工厂甲醇生产储存区域的数字化模型，可以灵活的对甲醇装置火灾应急处置演练的各项任务、环节进行合理配置以及分配，实甲醇装置火灾应急预案的演练以及培训，将甲醇装置火灾应急预案演练和培训工作常态化。

具体的，本发明的方法包括以下步骤：

(1)事故场景模拟

在系统中对化工厂甲醇装置进行1：1的建模还原，比如中控综合楼、闪蒸气压缩机、合成压缩机、净化系统区等。演练区域附近相应设备与工艺管线的精细度可根据实际需求达到可操作的程度，模拟真实的甲醇泄漏、火灾、消防水泡喷洒水雾、烟雾扩散以及泡沫枪喷洒泡沫等粒子特效。同时，使用粒子系统模拟出甲醇泄漏效果以及火灾火焰的燃烧形状，用来还原甲醇装置发生事故时的情景，并通过着色器技术，结合火灾热辐射数学模型，可视化火灾的热辐射危害范围。

需要说明的是，本发明中设计的系统能够对火灾热辐射的危害范围进行仿真模拟。甲醇一旦从储罐及管路中泄漏到地面后，将向四周流淌、扩展，形成一定厚度的液池，若受到防火堤、隔堤的阻挡，液体将在限定区域(相当于围堰)内得以积聚，形成一定范围的液池。这时，若是遇到火源，液池很有可能被点燃，进而发生地面池火灾。池火灾的破坏主要是热辐射，本发明设计了热辐射计算模型，推演过程中采用UnityShader着色器技术将快速计算的事故后果模拟一定的事件情况显示在计算机底图中，并用红、橙、黄、绿四种颜色分别表示不同程度的影响区间。火灾热辐射数学模型优选Mudan模型，将甲醇装置发生泄漏而引发的火灾视为一个倾斜(有风条件下)的圆柱体辐射源，鉴于其考虑到了风速的影响，虽公式复杂但符合实际应用。基础火焰燃烧特性及其计算公式分别为：

1)质量燃烧速率

其中，m为可燃液体的质量燃烧速率，单位为kg/(m

2)火焰高度

其中，H为火焰高度，单位为m；L为有风条件下火焰平均长度，单位为m；D为储罐池火灾的液池直径，单位为m；ρ

3)火焰倾角

其中，θ为倾斜角度；f为空气的动粘度，单位为m

4)火焰表面热辐射通量

其中，q

所述Mudan模型的理论公式如下：

I＝(1-0.058lnX)F

其中，I为目标对象受到的热辐射量，单位为kW/m

所述视角系数F

其中，中间变量a

当目标在火焰阴影之外，即X≥D/2+Hsinθ时，l＝H；

当目标在火焰阴影之内，即D/2

中间变量a

a

当计算火焰下风向X距离处的视角因素时，θ取正值；当计算火焰上风向X距离处的视角因素时，θ取负值。

通过在模拟演练系统中内置仿真算法，包含热辐射分析计算模型：池火灾的破坏主要是热辐射，系统支持通过录入环境温度、着火面积、影响因子，计算出相关伤亡半径(死亡、重伤、轻伤和安全)，通过红色、橙色、黄色和绿色的可视化展现方式，更好的让指挥员了解灾害的影响范围，辅助事故灾情研判，更安全的部署救援力量、停靠位置与灭火、冷却力量的部署。此外，本发明进行演练时使用的系统采用双架构模式：该系统支持采用B/S架构或者C/S架构，可根据需求自行决定。若追求便捷，便可采用B/S架构，目前主流浏览器，如谷歌、火狐、QQ等浏览器皆可运行本系统，且免去安装的步骤，简单高效。若追求画质，便可采用C/S架构，最大程度的发挥机器自身性能，给用户最佳的使用体验。相较于现有的单一C/S架构模式，选择性更多。

本发明通过采用虚拟现实技术立与实际装置完全相同的三体立体交互式环境，通过各模块的设计和优化，能够较好地模拟出与实际现场完全相同的视觉和听觉感受，安全事故发生时的过程和各种现象，具有非常高的画面冲击力，置身其中如同身临其境。

首先，本发明一方面通过模拟场景中重要物体的工作状态以及物理效果，比如甲醇储槽，真实模拟出这些物体在环境中的动态效果，呈现出灾难发生的原因以及火灾的特点和危害。另一方面，利用粒子系统结合相关的数学模型有效模拟甲醇装置火灾事故中甲醇的泄漏以及火焰燃烧效果，同时模拟出人物在受到火灾热辐射时受到的伤害。在虚拟环境中模拟甲醇装置火灾事故的发生、发展的过程，以及在事故中，按照职能的不同，各个角色协同分工，完成对甲醇装置火灾的应急处置。

其次，本发明的演练方法可以像在真实环境下一样根据视、听及预案进行协同演练，包括对于工具的使用和设备的操作，与实际最为接近，也没有任何危险性，具有最好的培训效果。同时还可进行大规模、重复使用。根据采取的措施不同，模拟不同的发展态势和结果，增强现有应急预案或处置方案的实用性，提高参演人员的应急处置能力。

最后，基于事故后果分析(主要是基于各种事故伤害模型和伤害准则，得出热辐射随距离变化的规律，从而预测事故的影响范围，事故后果分析能够定量地描述一个事故情景所造成危害的严重程度。)研发灾害伤亡仿真计算模型，预置相关专业模型在系统中，辅助指挥员在演练过程中更好的了解灾害的危险性及危险范围，更有针对性的对事故灾害做出救援方案和力量调集方案，辅助救援过程与事故研判。

(2)事故的应急处置

演练时，任务系统中的主要任务采用多角色需要协同完成，总指挥角色控制甲醇装置事故的发生，下级参演人员根据现场情况协同处置事故；处置事故的过程中，系统会自动保存下级参演人员的处置行为，待模拟演练结束后根据标准应急预案进行复盘分析。本发明可以使甲醇装置火灾应急处置演练工作的常态化，一方面通过多人配合演练甲醇装置火灾应急处置预案，熟练掌握其正确的处置流程和方式，将甲醇装置火灾应急处置演练常态化。通过反复开展甲醇装置火灾应急处置预案演练，查找应急预案中存在的问题，进而完善应急预案，提高甲醇装置火灾应急处置预案的实用性和可操作性。另一方面，以安全考核提高员工以及管理人员的应急处置能力，通过所有人员参加甲醇装置火灾应急处置演练，加深参演人员对应急处置预案的熟悉程度，验证应急处置预案的合理性，找出应急处置预案的不足之处。

具体的，演练时，任务系统中的角色类型包括总指挥，主操人员，现场人员，巡检人员，消防人员，化救人员。总指挥端对演练有着宏观的控制权限，包括灾害事故的发生，现场的天气状况并且可以监控其他角色的操作。系统会保存各个角色的应急处置行为，包括执行顺序，文字汇报等内容，实现对演习情况的评估。本发明中任务系统的设计，结合实际甲醇装置火灾应急处置方案，多角色需要协同完成任务以加深对应急处置流程的印象。任务系统中主要任务有巡检人员向总指挥汇报甲醇装置现场情况，总指挥根据现场情况分配任务，其中疏散甲醇装置事故区附近人群，清点现场人数，在事故区附近拉警戒线，系统紧急停车，对抢险人员进行洗消等为主要任务。

本发明的方法不仅可以满足常态下基于应急预案的情景推演、考核评价、预案学习，而且针对能源化工重特大突发事件，还能够强化事故应急推演机制，以开放式地推演方式代替照本宣科式表演方式，累积推演的经验，找出预案体系中的弱点，从而达到提高应急处置能力的作用，实现训练与实战的有效结合，促使救援演习便捷化、常态化。此外，本发明建立的数字化三维场景模型，开发典型事故灾害模型和应急模拟演练系统，还能够支持应急处置人员开展日常不可达区域全流程灭火救援演习，强化参演人员更快熟悉厂区情况，加深参演人员对类型灾害规律的认识，帮助消防指战员熟悉灭火预案流程，提高队员在各种复杂环境下的灭火救援能力与协调能力，量化考评指战员的业务素质，提高指战员指挥水平等。

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1所示，甲醇装置火灾事故情况下的三维应急仿真处置

1)事故场景模拟

化工厂甲醇装置火灾应急处置模拟演练场景采用3Dmax技术进行建模，对化工厂甲醇生产储存区域场景进行1:1还原，结合Unity3D引擎以及编程语言，实现场景与角色的交互，并通过内置的仿真算法，并支持通过录入环境温度、着火面积、影响因子，计算出相关伤亡半径(死亡、重伤、轻伤和安全)，通过红色、橙色、黄色和绿色的可视化展现。

模拟的场景包括：消防水炮、压缩机、甲醇管线、甲醇储槽、净化系统区域等。甲醇泄漏以及其引发的火灾与普通污染物泄漏以及火灾具有极大的不同，其最大的特点是流淌性，使用粒子模型对甲醇泄漏以及引发的火灾进行模拟还原，很好的表现了其扩散的过程，模拟甲醇装置火灾事故以及处置场景，并同步各个角色的动作以及其对应的场景，甲醇装置区域相关的设备、工艺管线等的精细程度以实际需求为依据达到可操作的程度。

2)角色构建

采用Unity3D的UNET框架实现角色分布式演练。角色类型有：总指挥，主操人员，现场人员，巡检人员，消防人员，化救人员。

3)系统启动准备演练

安装好三维应急演练系统，登录角色账号后选择“甲醇装置火灾演练预案”。总指挥待所有参演人员全部登录后，开始仿真演练。进入演练场景，总指挥广播询问各参与人员是否准备好。待各参与人员准备就绪，导演选择事故类型，启动事故发生。

4)事故应急处置

巡检人员发现甲醇装置发生泄漏并引起火灾，立刻通过通讯系统报告总指挥，现场出现甲醇装置火灾事故，请求支援。

总指挥收到后进行回复，并通知相关人员，立即启动紧急预案并按照应急流程报警。

主操人员在中控室进行相关工艺处理，完成后向总指挥汇报。

现场人员1号将事故区域的人员疏散至紧急集合点后清点人数，完成后向总指挥汇报。

现场人员2号根据现场情况在安全位置拉好警戒线，完成后向总指挥汇报。

现场人员3号赶到化工厂大门口，打开大门，迎接消防车的到来，完成后向总指挥汇报。

现场人员4号穿戴好防护装置并打开应急喷淋装置，进行堵漏作业，完成后向总指挥汇报。

消防人员前往现场进行消防作业，完成后向总指挥汇报。

化救人员前往现场进行救护作用，完成后向总指挥汇报。

总指挥收到火灾事故处置完毕的消息后，安排巡检人员赶往现场，配合专业仪器，再次确认灾害已经处置完毕。巡检人员检查确保灾害已经处置完毕后，向总指挥汇报。总指挥安排现场所有参与抢险人员集合，进行洗消工作。洗消工作完成后，广播宣布演练结束。

演练结束，总指挥依据各个参与人员的表现，任务完成情况，相关知识答题情况，文字汇报情况进行综合评价，同时系统依据他们的任务完成情况进行自动化评价，最后两者相结合进行加权综合生成最终的Word报告文档。

上述模拟演练具有的安全效益及社会效益如下：

(1)安全效益：在不影响正常生产秩序的情况下，通过电脑推演，接近真实。通过系统进行甲醇装置火灾应急处置仿真演练，不仅可以避免传统的实地演练对正常的生产工作所造成的影响，更加重要的是能够反复多次的进行甲醇装置火灾事故的仿真演练，提高广大员工的应急处置能力，强化应急处置演习机制，降低安全事故所带来的经济损失。

(2)社会效益：利用先进科技手段，建立数字化、现代化的的化工企业，通过反复多次的三维仿真应急演练提高广大员工的应急处置能力，进一步规范企业安全生产行为，从而有效防范和遏制事故的发生，保障广大员工的生命健康和切身利益。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。