第二讲 燃气的泄漏与扩散

中毒机理是一氧化碳与血红蛋白的亲合力比氧与血红蛋白的亲合力高200～
300倍，所以一氧化碳极易与血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白，使血红蛋 白丧失携氧的能力和作用，造成组织窒息。 当人们意识到已发生一氧化碳中毒时，往往已为时已晚。因为支配人体运 动的大脑皮质最先受到麻痹损害，使人无法实现有目的的自主运动。可手 脚已不听使唤。所以，一氧化碳中毒者往往无法进行有效的自救。
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2.2泄漏燃气的扩散
2.2.6燃气泄漏与扩散数值模拟
研究现状
孙永庆使用Matlab对燃气扩散模式进行了模拟，分析了燃气燃烧和 爆炸的损失破坏后果。 郭吉红将GIS技术引入大气环境风险评价的模拟预测中，对爆炸范 围、泄漏量、气体泄漏扩散模拟等方面进行了深入研究。 刘建结合GIS提出城市应急事件发生后，应急调度最佳路径算法。 徐昊以VC++为IDE开发环境，结合SuperMap Objects组件式GIS 开发平台，构建了包括火灾、爆炸、泄漏3类典型城市公共安全事 故灾害模拟和后果分析的城市公共安全应急响应辅助决策系统。
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2.2泄漏燃气的扩散
2.2.5重气扩散
（1）重力沉降。重气泄漏初始动量消失后，重力作用使得气云降到地 面，沿着地表扩展。由于云团与周围空气间的密度差，导致重气塌陷， 出现凹陷现象，引起云团厚度的降低和径向尺寸的增大。 （2）空气卷吸。空气卷吸分为顶部空气卷吸和侧面空气卷吸。空气卷 吸作用引入外界空气使得气云体积膨胀，同时也稀释了气云的浓度。 （3）云团加热。由于初始泄漏云团与周围环境间的温度差异，必须考 虑云团所吸收的热量和温度梯度引起的对流湍流。 （4）向非重气扩散转变。随着云团的稀释冲淡，重气密度或浓度降低 逐渐接近外界空气，重气效应消失，云团的高度、半径及其运行状态取 决于大气湍流特性。
阀门泄漏
补偿器泄漏 排水器泄漏 计量装置泄漏 储气设备泄漏
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2.1燃气的泄漏
2.1.1泄漏的分类
按照泄漏的模式分类
穿孔
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2.1燃气的泄漏
2.1.1泄漏的分类
按照泄漏的模式分类
开裂
6
2.1燃气的泄漏
2.1.1泄漏的分类
按照泄漏的模式分类
渗透
第二讲
燃气的泄漏与扩散
1
2.1燃气的泄漏
泄漏是燃气供应系统中最典型的事故
人员伤亡 资源浪费 环境污染
2
2.1燃气的泄漏
2.1.1泄漏的分类
按照泄漏的流体分类
气体泄漏
液体泄漏
气液两相泄漏
3
2.1燃气的泄漏
2.1.1泄漏的分类
按照泄漏的构件分类
管道泄漏 调压器泄漏
闪蒸的速度：
Fv m qt1 t
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2.2泄漏燃气的扩散
2.2.1液体蒸发
（2）热量蒸发
当闪蒸不完全时，发生热量传递时，液体蒸发速度为： 热量蒸发主要与环境温度有关
当FV 1时，
At (T0 Tb ) At qt Nu (T0 Tb ) HV l H t
油溶性电缆
渗透性电缆 分布式传感器电缆
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2.4燃气管网检测检漏方法
2.4.3管内检测球法
将检测球放入管内进行探测，利用超声技术、视觉技术、漏磁 技术等采集大量数据后，进行综合分析以判断泄漏点
该方法检测精度较高，误报率较低; 无法实现在线实时检测 探测球是在管内随管内介质流动， 极易在弯头、阀门等位置发生堵塞现象，
分析。
张超研究基于GIS的火电厂应急救援决策支持系统，对事故影响后果进行预 测并出相应救援方案。
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2.2泄漏燃气的扩散
2.2.6燃气泄漏与扩散数值模拟
燃气事故通常都是由于燃气泄漏造成的。燃气的泄漏导致 扩散，燃气扩散所造成的最大危险是火灾和爆炸事故。研 究燃气泄漏扩散规律及火灾、爆炸事故的伤害范围是燃气
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2.3燃气泄漏扩散中毒
2.3.1燃气中的有毒物质
（2）H2S中毒
具有刺激性和窒息性的无色气体 低浓度接触仅有呼吸道及眼的局部刺激作用
高浓度时全身作用较明显，表现为中枢神经系统症状和窒息
症状 硫化氢具有“臭鸡蛋”气味，但极高浓度很快引起嗅觉疲劳 而不觉其味
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2.3燃气泄漏扩散中毒
光纤检测法抗干扰性强，信号传输方便，灵敏度高，且不会发生类 似电缆检测的失效问题。 由于沿管道外部敷设，不受管网节点、阀门等限制，因此该法是城 市燃气管网泄漏检测中应优先考虑的硬件检测方法，需要解决的问 题是经济性问题。
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2.4燃气管网检测检漏方法
2.4.6泄漏检测仪器
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2.3.1燃气中的有毒物质
（3）SO2中毒
无色高度水溶性有辛辣气味的刺激性气体，比空气重。 广泛用于工业，是硫矿造纸业矿物燃料燃烧的副产品，也是
大气的常见污染物。
凡是接触较高浓度的二氧化硫均可致病 在上呼吸道与水接触生成硫酸和亚硫酸引起黏膜损伤造成临 床症状
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2.4燃气管网检测检漏方法
7
2.1燃气的泄漏
2.1.1泄漏的分类
按照泄漏持续的时间分类
连续泄漏
瞬时泄漏
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2.1燃气的泄漏
2.1.2泄漏量的计算
液体泄漏
由流体力学的伯努利方程推导：
qml Cdl A
2( p p0 )

2 gh
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2.1燃气的泄漏
2.1.2泄漏量的计算
气体泄漏
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2.1燃气的泄漏
2.1.2泄漏量的计算
两相流泄漏
两相物质组成 对于燃气而言为气液两相流
对于管内气液系统，随两相速度的变化，可产生气泡
流、塞状流、层状流、波状流、冲击流、环状流、雾 状流等形态； 对于多孔板上气液系可以产生自由分散的气泡、蜂窝 状泡沫、活动泡沫、喷雾等形态。
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2.2泄漏燃气的扩散
相关因素
燃气物理性质（密度） 温度 周边环境（风速、障碍物） 气候条件
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2.2泄漏燃气的扩散
扩散的分类
液体蒸发 射流扩散 绝热扩散 气团在大气中的扩散 重气扩散
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2.2泄漏燃气的扩散
2.2.1液体蒸发
（1）闪蒸
LNG\LPG的沸点低于环境温度，当它们泄漏时，由于压力 突减，液态突然蒸发，称为闪蒸。
因而该方法不适合于弯头、阀门很多的
城市燃气管网的泄漏检测
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2.4燃气管网检测检漏方法
2.4.4示踪剂检测法
将放射性物质掺入到管道输送的介质中，在管道发生泄漏的部位 ，放射性示踪剂随泄漏介质一起流到管道外，附着于泥土中。利 用示踪剂检漏仪在管道内部沿线检测，记录泄漏出示踪元素的放
射性，根据记录曲线，可判断泄漏点的位置。
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2.2泄漏燃气的扩散
2.2.6燃气泄漏与扩散数值模拟
研究现状
王晓宇研究了石化企业发生的泄漏、火灾、爆炸事故的影响区域计算模型 ，结合GIS平台实现了针对上海金山石化的预警与应急系统。 苏志东通过ArcGIS Engine组件和VC++编程将气体泄漏扩散模型、火灾和 爆炸事故模型嵌入GIS实现可视化人员伤亡影响范围。 任春芳研究当发生重大工业事故后，基于GIS进行寻找最佳行进路线分析、 最近的救援地点分析、增设应急救援服务点分析以及事故危险度覆盖范围
2
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2.2泄漏燃气的扩散
2.2.1液体蒸发
（3）质量蒸发
当地面传热停止时 主要由于液体分子的迁移作用使液体蒸发，这种液体质量蒸
发速度为：
A ql3 1Sh 1 l
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2.2泄漏燃气的扩散
2.2.2射流扩散
射流（jet），指流体从管口、孔口、 狭缝射出，或靠机械推动，并同周围流 体掺混的一股流体流动。
也可由流体力学的伯努利方程推导：
p0 2 k 1 当 ( ) 时，气体流动属于音速 流动 p k 1 qmG kM 2 k 1 Cdg Ap ( ) RT k 1
k k 1
k
p 2 k 1 当 0 ( ) 时，气体流动属于亚音 速流动 p k 1 qmG
2 k 1 kM k p k p k Cdg Ap ( )( ) 1 ( ) RT k - 1 p0 p0
安全领域研究的重点，也是预测、分析和评价燃气事故后
果的重点。
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2.2泄漏燃气的扩散
2.2.6燃气泄漏与扩散数值模拟
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2.2泄漏燃气的扩散
2.2.6燃气泄漏与扩散数值模拟
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2.3燃气泄漏扩散中毒
2.3.1燃气中的有毒物质
（1）CO中毒
一氧化碳中毒是含碳物质燃烧不完全时的产物经呼吸道吸入 引起中毒。
（1）气团向外扩散，压力达到大气压 （2）气团与空气掺混，范围逐渐扩大
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2.2泄漏燃气的扩散
2.2.4气团在大气中的扩散
高斯模型
（1）连续泄漏：高斯烟羽模型 （2）瞬时泄漏：高斯烟团模型
高斯模式的坐标系
原点为排放点（无界点源或地面源） x轴正向为平均风向， y轴在水平面上垂直于x轴，正向在x轴的左侧， z轴垂直于水平面x o y，向上为正向，即为右手坐标系。
泄漏燃气的密度大于环境空气的密度，射流一般向下弯曲
，反之则向上弯曲。
天然气发生管道孔口或裂缝泄漏时，虽然孔口或裂缝比较小 ，泄漏量也比较小，但泄漏速度极大，所以在孔口或裂缝形 成紊流自由射流。
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2.2泄漏燃气的扩散
2.2.3绝热扩散
假定泄漏物与外界环境无热量交换时的扩散过程。 呈半球型向外扩散
该法对微量泄漏检测的灵敏度和定位精度都很高 缺点是不能在线实时检测。 同管内探测球法一样，由于该法需要使用示踪剂检漏仪在管内随介 质流动，会发生堵塞问题，因而不适合燃气管网的泄漏检测。
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2.4燃气管网检测检漏方法
2.4.5光纤检测法
在管道敷设的同时敷设一条或几条光缆，利用光纤作为传感器， 采集管道周围的压力、温度等信号，传送给中心服务器，通过对 信号的分析和处理，对管道泄漏进行判断和准确定位。
2.4.1直接观察法
由有经验的管道工人或经过训练的动物沿管道行走，通过 看、闻、听或其他方式，直接检查管道的泄漏情况，其检 测精度依赖于检测人员的经验
一般只能检测较大量的泄漏，且不能实现管道在线实时检
测
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2.4燃气管网检测检漏方法
2.4.2电缆检漏法
沿管道敷设特殊的电缆，当泄漏物质渗入到电缆里时，电 缆的相关属性发生变化，从而实现泄漏的检测和定位。 目前常用的电缆有:
流体射入静止环境中时，它与周围静
止流体之间存在速度不等的间断面
间断面一般受到不可避免的干扰，失 去稳定而产生涡旋，卷吸周围流体进 入射流

同时不断移动、变形、分裂产生紊动
，其影响逐渐向内外两侧发展形成自 由紊动的混合层
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2.2泄漏燃气的扩散
2.2.2射流扩散
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当环境空气的温度和密度与泄漏的天然气不同时，可看作 非等密度射流。 非等密度射流的轨迹比较复杂，这时重力差使射流弯曲。