地下燃气管道事故泄漏扩散分析

地下燃气管道事故泄漏扩散分析
城市中燃气泄漏扩散过程多种多样，比如地上泄漏过程要涉及泄漏位置、建筑物密集程度，地下泄漏过程要涉及土壤空隙率、含水率，是否遇到地下密闭空间等等。

本文选取燃气地下管网第三方影响事故作为研究对象，从事故发生后应急救援的角度，针对天然气和液化石油气分两种模型计算事故发生后燃气在大气中的扩散范围。

1 燃气扩散的特点
目前我国城镇民用管道燃气主要有液化石油气、天然气和人工煤气3种，其中后两者气态密度为
O.4—0.8kg/m3，小于空气，为浮性气体，泄漏后为浮性气体被动扩散;液化石油气的气态密度为
1.9—
2.5kg/m3，比空气重，泄漏后属于重气扩散。

浮性气体的密度比空气小，泄漏以后受到大气夹带进行被动扩散并得到稀释，扩散过程中表现出上升的趋势;重气由于自身的密度大于空气，泄漏后向地面下沉，会有坍塌现象，并沿地面扩展形成低平气云。

两种扩散模式应区别对待，天然气、人工煤气适用于高斯扩散模型，而液化石油气泄漏属于重气扩散，这里选用Manju Mohan等发展的箱模型。

2 影响泄漏扩散范围的主要因素
燃气的大气扩散过程与管道的压力、泄漏面积、地面风速、所在城市的大气稳定度、风向等主要参数有关[1]：
①管道的泄漏压力越高、面积越大，则泄漏源强越强，泄漏气体扩散范围越大。

②大气稳定度是指空气的稳定程度，污染气象学中将空气的稳定程度分成强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性稳定、较稳定和稳定6级，分别用A、B、C、D、 E、F表示。

它表征湍流活动的强弱，支配大气对泄漏气体的稀释扩散能力，大气稳定度越高稀释能力越弱，越不利于气体的扩散。

③风向决定泄漏气体的扩散方向，风速决定泄漏气体扩散速度。

风速较高时，大气夹带泄漏气体的能力强(稀释泄漏气体能力强)，下风向上泄漏气体扩散浓度小，此时泄漏气体扩散的范围就也会相应较风速低的情况小。

因此风速高时，泄漏气体扩散速度快，但是扩散范围小。

④建筑物较密集和丘陵山区等地面粗糙度大的地区泄漏气体的扩散也会受到抑制。

本文暂不考虑这一点的影响。

3 问题条件的设定
选取一个城市中燃气地下管道被第三方破坏，管道被挖断后时间较长未切断气源，暴露于地上，对泄漏后扩散情况进行计算，初始条件按常见情况设定。

设环境温度为25℃，地面平均风速为2m/s，大气稳定度为D级(中性稳定)，管径为60mm。

管道内气源设为两种：
①管道内天然气压力为0.3MPa，天然气成分为：CH4、C2H6、C3H8的体积比为91.50：4.74：2.59;
②液化石油气管道压力为0.07MPa，液化石油气成分为：C3H8、C4H10的体积比为4：6。

经计算两种气源的物性参数见表1。

4．1 天然气泄漏源强计算[2]
气体从裂口泄漏的源强与其流动状态有关。

因此，要首先判断泄漏时气体流动属于声速流动还是亚声速流动，前者称为临界流，后者称为次临界流。

当下式成立时，气体流动属声速流动，否则为亚声速流动：
式中P0——环境压力，Pa
p——管道压力，Pa
κ——气体等熵指数
代入天然气的相关参数，计算得出式(1)成立所以此时天然气泄漏为声速流动。

取气体泄漏系数C d=1，裂口面积A=0.0028m2。

气体呈声速流运时，其泄漏源强为：
式中q m——泄漏源强，g/s
Y——气体膨胀因子，气体为声速流动时，取1
C d——气体泄漏系数，当裂口形状为圆形时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90
A——裂口面积，m2
M——气体摩尔质量，kg/kmol
R——摩尔气体常数，8 314 J/(mol·K)
T——气体温度，K
将相应参数代入式(2)，计算得到天然气泄旆源强q m=1484.12g/s。

4．2 天然气扩散范围计算
天然气、人工煤气可以采用高斯模型。

高斯移型主要应用于大气扩散浮性气体或中性气体的扩黄计算，它提出的时间较早，实验数据多，模型简单便于计算，并且计算值与试验值能较好吻合，国际上许多标准都是以高斯模型为标准制订的，是目前较蔓成熟并且应用最多的一种模型[3、4]。

对于连续源由于源持续排放，可以认为质量浓度处于定常状态即质量浓度不随时间变化，仅是空间坐标的函数，应按下式计算，其中，模型的坐标系是以下风向为x轴，竖直高度为z轴，与下风向垂直方向为y轴。

式中p(x，y，z)——气体质量浓度，mg/m3
μ——地面平均风速，m/s
σy、σz——y、z方向的扩散参数，查HJ/T
2.2—93《环境影响评价技术导购大气环境》可得
由公式(3)，算出三组离散点，画出质量浓度隘线图。

由于高斯模型的连续解沿y方向呈正态分布，当y=0时的扩散距离x值为最大。

经计算得出扩散范围见图1、2。

Fig．1 Vertical section of diffusion range of natural gas
Fig.2 Horizontal section of diffusion range of natural gas
5 液化石油气泄漏扩散计算
5．1 液化石油气泄漏源强计算
液化石油气的泄漏源强计算与天然气的泄漏源强计算相似。

代入液化石油气的相关参数到式(1)，可得液化石油气泄漏为亚声速流动，则公式(2)中的Y应按下列计算：
将相应参数代入式(2)，计算得液化石油气泄漏源强q m=1051.42 g/s。

5．2 液化石油气泄漏扩散范围计算
这里引入Manju Mohan等发展的箱模型口]，该模型分为两个阶段：第一阶段是泄漏后的重气扩散阶段，第二阶段是重气效应消失后的被动气体扩散阶段(可采用高斯模型)。

其中第一阶段又可分为4个阶段，即重力下沉(Gravitation slumping)、卷吸空气(Entrainment)、气云受热(Cloud heating)及转变成中性状态(Transition to passive phase)阶段(气云受热主要是指低温气体，对于本问题可忽略不计)。

①重气扩散阶段
a．重力下沉
假设燃气喷射分布形状为半径r、高h的圆杜体，其变化用下式来描述：
式中r——源的半径，m
t——重力下沉开始后的时间，s
K——常数
ρc——圆柱体内气云密度，kg/m3
ρa——环境空气密度，kg/m3
g——重力加速度，m/s2
h——源高，m
对于K值，无黏性流动理论提出K为2，但Van UIden 1974年在所进行的实际流动试验中，得出K值为1(本文采用此值)。

b．卷吸空气
假设空气同时在气云边缘及顶部被卷吸，则：
式中m a——被卷吸的空气质量，kg
u e——顶部卷吸速度，m/s
α*——边缘卷吸空气速度的控制参数，由实验确定，一般在动量射流区为0.56，
在浮力羽流区为0.085
α′——卷吸常数，α′=1
u1——轴向湍流速度，m/s
R i——理查逊数
l s——湍流长度，m
u*——摩擦速度，m/s
u1/u*的值见表2。

u*/u取决于表面粗糙度，一般取其典型值为0.1。

c．转变成中性状态
随着高度的增加，u e有一极限值近似等于u1，这可看作是一个转变标准，即u e= u1，或
者满足关系ρc-ρa<0.001 kg/m3，就认为是已转变为中性阶段。

根据上述公式，计算得重气扩散阶段r为27.59 m。

重气扩散的箱模型虽然容易实现计算，但对重气扩散过程空间场
描述还不够完善，这里得到的是重气扩散阶段最远扩散半径。

表2 u1/u*取值表
②被动气体扩散阶段
当液化石油气转变到中性阶段以后，以高斯分布形式进行扩散，可以用公式(3)继续计算。

结合第二阶段扩散，得到的下风向Y=0中线上的扩散范围见图3。

Fig．3 Diffusion range of LPG
6 分析与建议
6．1 分析
天然气与液化石油气泄漏扩散范围计算结果见表3。

表3 两种气源泄漏扩散范围比较
由上述计算结果可以得出以下几点：
①对于DN60mm的管道，0.07MPa的液化石油气与0.30MPa的天然气的警戒距离相当，所以对同等压力的两种气源，液化石油气的扩散范围要比天然气范围大。

②②在爆炸上下限之间的区域是最容易引发爆炸事故的区域，危险性最高。

本文讨论情况下的液化石油气的爆炸极限上限和下限距离都要大于天；气，液化石油气爆炸的危险性要比天然气高。

③在竖向上，由于液化石油气为重气，会有一沉坍塌现象，地面的浓度会更大一些。

从计算结!可以看出液化石油气的扩散高度要比天然气低。

④如果采用高斯模型计算液化石油气泄漏扩散，少了重气扩散阶段，计算结果会比实际扩散范围小很多。