天然气泄露及其扩散分析

天然气泄漏及其扩散分析摘要：随着天然气管道工业的发展，天然气管网的不断建设，天然气已经成为人民日常生活中不可或缺的组成部分。

但由于管道系统连接件之间密封不严，腐蚀穿孔、人为管理不善等因素，会引起天然气泄漏。

天然气泄露后扩散到大气中，将会对人类健康和生态环境造成严重的影响，若与空气混合形成可燃预混气体，遇点火源可能引起火灾或者爆炸，严重威胁人民生命财产安全[1]。

关键词：天然气泄露扩散爆炸1.国内外研究现状我国学者对于天然气管道泄漏扩散的研究始于20世纪90年代。

田贯三[2]研究管道孔口或裂缝的泄漏问题，将燃气管道的泄漏过程视为可压缩气体孔口出流过程，推导出孔口条件下天然气泄漏量和泄漏速度的计算公式，并讨论和模拟分析了泄漏过程的衰减规律及浓度场变化。

张启平[3]在考虑气团的初始密度、泄露模式、风速、大气稳定度、温度等因素影响下运用重气模型分析了重气团重气效应的行为过程。

在考虑粘性力影响的情况下，袁秀玲等[4]提出一种气体通过小缝泄漏过程的数值计算模型，计算结果的准确度远比采用喷管流动模型和粘性流动模型时高。

段卓平等[5]采用数值模拟的方法研究易燃易爆危险物在大气中的扩散过程，给出危险源周围任一点处危险物的浓度变化规律以及任一时刻空间危险物浓度分布。

进入21世纪，我国在天然气管道泄漏扩散方面的研究已逐步增多。

丁信伟等[6]运用气体动力学对气体微元进行质量平衡、动量平衡和能量平衡分析，提出了一种新的扩散模型，并通过设计简易风洞，验证该模型的合理性。

何利民等[7]采用Flunt中无化学反应的燃烧模型对天然气管道泄漏扩散进行模拟，重点分析天然气管道泄漏时甲烷扩散的危险区域划分，以及风对泄漏扩散的影响。

李又绿等[8]结合天然气管道泄漏扩散过程的特殊性，在综合考虑输气管道孔口泄漏过程的射流作用和膨胀效应，以及重力作用和水平风速对天然气扩散的影响效果之后，建立了适合天然气管道泄漏特点的扩散模型。

侯庆民[9]采用Flunt模拟气体泄漏扩散，得到的天然气扩散与风速、泄漏孔径、压力以及障碍物之间的关系与用正态分布假设下的统计规律一致。

蔺跃武[10]将泄漏过程中管道内的流动视为理想气体的绝热流动、泄露过程视为理想气体的等熵流动，建立了天然气输气管道破裂泄漏量计算的普遍化模型，指出该模型可以对不同泄露孔径的泄漏量进行分析和计算。

潘旭海等[11]分析了描述易燃易爆及有毒有害气体泄漏扩散过程的数学模型，针对事故泄漏扩散过程的复杂性，讨论气象条件及地形条件对危险性物质泄漏扩散过程的影响，并且探讨了不确定参数的选取问题。

王树乾等[12]利用Flunt软件的物质传输模型和湍流模型模拟了不同压力下天然气管道的泄漏扩散，通过对比分析模拟结果，得到不同泄漏压力对天然气扩散的影响效果。

除此之外，国内还有其他学者及研究人员在这方面做了大量的研究，均为我国天然气管道泄漏扩散的研究做出了不可磨灭的贡献。

2.天然气泄露模型建立物质的存储形式多种多样，漏源的大小、形状、位置以及泄漏介质本身的物理特性决定了泄漏形式的多样性和复杂性。

影响泄漏扩散的因素很多，主要有介质的相态（气态或液态）、储存条件（压力液化储存、冷冻液化储存、常态液体储存和常态气体储存）、弥散限制（泄漏源周围有无防液堤）和泄放形式（连续泄漏、瞬时泄漏和有限时间泄漏）。

若发生泄漏设备的裂口规则、裂口尺寸及泄漏物质的相关热力学、物理化学性质及参数已知，可根据流体力学理论计算泄漏量。

若裂口不规则则可采取等效尺寸进行代换，若遇到泄漏过程中的压力变化等情况则一般借助既有经验或采用经验公式[21]。

在化工厂内，天然气的安全运输方式之一是管道运输，一旦管道破裂，天然气的泄露将会危害生命及财产。

Helena Monti[13]的hole-pipe模型可以计算中低压下管道内运输气体的泄漏率以及气体的扩散。

Zhao JH[14]等人根据天然气管道泄漏事故的水力特征进行了风险评估。

Liu YL，Zheng JY[15]等人利用CFD方法得出了天然气管道泄露时气体组分的摩尔分数以及计算区域的压力与温度的分布。

胡毅亭、饶国宁等[16]对可燃气体从管道中泄露的火灾危害进行了分析，根据泄流量公式与高斯扩散模型计算得出某个实际案例中的预混云团的体积，以及预混云团出现爆轰和稳定燃烧两种情况下对人和建筑物的伤害半径。

2.1.灾难性破裂引发的泄露由于撞击、爆炸等原因使容器发生灾难性破裂时，容器内的有毒气体在极短的时间内全部泄漏出来。

尽管整个过程并非瞬时完成，但与天然气的扩散过程相比，灾难性破裂的泄漏时间可以忽略不计，可看作为瞬时泄漏。

2.2.气体的连续泄露加压容器或管道产生的纯气态天然气泄漏通常以射流的方式发生，其特征可用临界流（其最大出口速度等于声速）来描述，临界流的发生与否依赖于储存压力与大气压力之比。

对于大多数气体，当储存压力大于等于大气压力的两倍时，流体泄漏时的出口速度等于声速。

因此，绝大多数天然气发生泄漏时将以临界流方式为特征[17杜建科]。

假设气体泄漏过程为理想气体的不可逆绝热扩散过程，在不考虑气体泄漏速率随时间发生变化时，临界流的质量泄露速度为：1(1)(1)22[(1)]d t M Q C AP RT γγγγ+-=+ （1）式中：Q ——气体泄漏速率，kg/s ；d C ——无量纲泄漏系数，其取值可从化工手册中查到，因受粘性和其他泄漏效应的影响，泄漏系数通常小于1；A ——泄漏孔面积，m²；t P ——罐压，Pa ；M ——气体分子量；γ——热容比，即定压热容与定容热容之比，p v C C γ=；R ——气体常数，8.31436J/mol.k ；T ——气体的储存温度，k 。

从上式可以看出，气体泄露速率与气体的分子量、热容比、储存压力、温度、泄漏系数以及泄漏孔面积等有关。

随着泄露的持续进行，存储压力下降，到某一时刻（如储压低于2个大气压）将转变为亚临界流泄露（流体出口速度小于声速）方式，此时泄露速率为：1111(1)(1)1020221[]{[1[]][(1)][(1)()]}2t d t P P M Q C AP P P RT γγγγγγγγγγγ-++--+=-+- （2） 式中，0P ——大气压，Pa 。

显然，式(2)可看作临界流的泄漏速率与特定修正系数的积。

由于未考虑气体泄漏速率随时间的变化，利用式(1)和式(2)计算出的泄漏速率是保守的最大可能泄漏速率。

越来越多的证据表明，加压容器发生的泄漏多数是两相流泄漏,即同时泄漏出气体和液体，泄漏速率介于气相泄漏速率与液相泄漏速率之间，但由于这一过程更为复杂，相应的模型极不完善。

3.天然气扩散的影响因素[18]风向、风速、大气稳定度、气温、湿度等因素对泄漏气体的扩散具有不同程度的影响。

3.1 风的影响风从风向和风速两个方面对天然气扩散产生影响。

风向决定泄漏气云扩散的主要方向，大部分泄漏气体总是分布在下风向。

风速的大小决定扩散稀释作用的强弱。

风速影响泄漏气云的扩散速度和被空气稀释的速度，因为风速越大，大气的湍流越强，空气的稀释作用就越强，风的输送作用也越强。

一般情况下当风速为1～5m/s 时，有利于泄漏气云的扩散，危险区域较大；若风速再大，则泄漏气体在地面的浓度变稀。

若无风天，则泄漏气体以泄漏源为中心向四周扩散。

风速对可燃气体泄漏的影响是很复杂的。

风速的大小除了影响大气稳定度的确定外，还对泄漏源的有效高度和地面浓度产生直接作用。

首先不同高度的风速是不断变化的，其次由于风速的影响会加剧空气和可燃气体之间的传热和传质，使得天然气的扩散加剧。

3.2 设备布局的影响扩散区域内的设备会改变泄漏气云扩散速度，又会改变扩散方向。

在低矮的设备区域泄漏气云不易扩散；高大的设备则有阻挡作用，气云会从风速较大的两侧迅速通过。

复杂的设备布局会使泄漏物质的扩散更加困难。

事故一旦发生，泄漏物质就会长时间聚集，增加危险与危害性。

高大设备的存在，使泄漏物质的扩散流场发生变化。

当流场与建筑物迎风面垂直时，形成绕流流场，流场由位移区、空腔区和尾流区三部分组成。

在空腔区出现回流现象，致使泄漏物质难以扩散，使浓度积累而增高。

3.3气体扩散分析由泄漏气体和空气形成的气云，在扩散过程中一般受机械湍流、内部浮力湍流和环境湍流三者的共同作用。

但在不同的泄漏条件下和扩散的不同阶段，扩散可能主要由其中一种或二种作用控制。

绝大多数事故泄漏发生时，有毒气体泄漏形成的气云是重气云，气云密度显著大于环境空气密度。

这不仅因为多数有毒气体的分子量大于空气的平均分子量，还在于有些处于冷冻储存的低分子量有毒气体，因其形成的气云温度较低或气云中含有大量的液滴而使气云密度大于空气密度。

在此仅分析具有典型代表性的重气云扩散过程。

在扩散过程中，重气云会受到方向向下的负浮力的作用，表现出与非重气云明显不同的特点。

例如，横风向蔓延特别快，而在垂直方向的蔓延非常缓慢，还可能向上风向蔓延；扩散进程中遇到障碍物时，可能从旁边绕过而不是从头顶越过障碍物。

此外，较大的气云密度显著影响环境空气的进入速率，从而也显著影响气云浓度的变化速率。

迄今，国外已开发了大量的各种类型的重气云扩散模型(2)，包括一维模型、二维模型和三维流体力学模型，它们只能看作是对实际问题不同程度的近似。

绝大多数还未得到实验数据的充分检验。

其中，一维模型的概念清晰且计算量较小，其结果可作为应急咨询和安全设计等的重要依据。

一维模型假设所有性能参数（如密度、浓度、温度等），在重气云团内部或重气云羽的横截面上均匀分布，以简化模型的建立和求解过程。

并假设：气云在平整、无障碍物的地面上空扩散：气云中不发生化学反应，也不发生液滴沉降现象；泄漏速率不随时间变化；风向为水平方向，风速和风向不随时间、地点和高度变化；气云和环境之间无热量交换。

这里仅分析典型的一维模型即盒子模型和平板模型，前者用来描述瞬时泄漏形成的重气云扩散，后者用于描述连续泄漏形成的重气云扩散。

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