天然氣管道泄漏擴散實時計算與燃爆危害預測研究

只看該作者 · 2014-3-25 10:12:06

天然氣在輸送過程中，由于管道系統連接件之間的密封不嚴、腐蝕穿孔、人為管理不善等因素引起的天然氣泄漏、火災和爆炸事故在國內外屢見不鮮。例如：1989年前蘇聯烏拉爾山區一條輸氣干線泄漏后發生爆炸，造成600多人死亡[1 ]。1997年7月發生在北京市的天然氣管道泄漏爆炸事故，造成了嚴重的人員傷亡和財產損失[2 ]。

天然氣管道事故首先由泄漏引起并在空氣中擴散。擴散過程影響因素較多，模擬較為復雜，為此國內外學者對氣體擴散的數值計算進行了大量研究。常用的計算模型有高斯模型（可細分為煙羽模型和煙團模型）、BM模型[3 ]、Sutton模型[4 ]、FEM3模型[5 ,6 ]等。國內學者則對高斯模型和Sutton模型進行了修正，考慮了重力、浮力和初始速度對擴散的影響[7 ]。一般來說BM模型、FEM3模型等計算數據量較大，若用于擴散模擬則實時性較差。天然氣泄漏擴散后滿足一定條件便會發生火災或爆炸，對火災和爆炸的研究主要是對其傷害效應的研究，熱輻射是火災和爆炸所產生巨大傷害效應的表現形式[8 ]，沖擊波則是爆炸所產生的主要傷害形式[9 ]，發生火災和爆炸往往引起重大的經濟損失和社會危害。

因此，快速模擬計算天然氣管道的泄漏擴散過程，了解天然氣泄漏后的火災及爆炸災害過程，預測輻射熱及沖擊波的危害范圍，可為準確制定天然氣管道的安全運行和搶修規程提供依據，對于天然氣長輸管道應急救援決策指揮具有重要的意義[10 -12 ]。

本文針對天然氣長輸管道，采用修正后的高斯煙羽模型，能夠迅速計算出擴散濃度場，計算時間小于1分鐘，可以達到“實時”效果，有利于快速應急救援。選擇合適的模型求解爆炸場，并選擇恰當的傷害準則來判斷熱輻射和沖擊波的影響，開發了天然氣管道火災和爆炸傷害分析系統。最后通過一個事故實例驗證了本文所采用的泄漏和危害預測模型是正確有效的。

1 ?天然氣泄漏擴散實時計算
1.1 ?泄漏速度和泄漏量
分析管道泄漏，目前廣泛采用的有Levenspie[13 ]、Crowl[14 ]等人提出的孔隙模型和管道模型。前者視管道為一大容器，并假設其內部壓力保持不變。這種模型未考慮因緊急切斷裝置動作而形成的不穩定狀態，出流處恒定的流速和狀態參數均比實際偏大，且只適用于泄漏口徑很小（相對管道尺寸）的情況。而后者只適用于管道完全破裂的情況。天然氣管道的泄漏事故規模一般是按照泄漏孔徑的大小劃分的。總的來說，小規模（小孔徑）泄漏事故發生的可能性較大，大規模（大孔徑）泄漏事故發生的可能性較小。因此，可以假設天然氣管道泄漏的過程為小孔流出方式。小孔排出氣體可被看作是絕熱過程，天然氣按理想氣體考慮，利用伯努利方程和絕熱方程，泄漏速度V0的計算公式為[15 ]：

1.2  高斯煙羽模型及修正
高斯模型適用于點源的擴散，早在五、六十年代就已被應用。高斯煙羽模型適用于連續源的擴散，高斯煙團模型適用于短時間泄漏的擴散[16 ]，考慮天然氣長輸管道的本文實際情況，采用高斯煙羽模型。
煙羽模型的假設如下[ , ]：1）定常態，即所有的變量不隨時間變化；2）適用于密度與空氣相差不多的氣體的擴散（不考慮重力或浮力的作用），且在擴散過程中不發生化學反應；3）擴散氣體的性質與空氣相同；4）擴散質達到地面時，完全反射，沒有任何吸收；5）在下風向上的湍流擴散相對于移流相可忽略不計，這意味著該模型只適用于平均風速不小于1m/s 的情形；6）坐標系的x軸與流動方向重合，橫向速度分量、垂直速度分量均為0；7）假定地面水平。煙羽模型的濃度分布算式為：

盡管諸多假設使煙羽模型的使用受到了限制，例如未考慮重力影響，只適用于輕氣體或與空氣密度相差不多的氣體的擴散，但該模型仍被廣泛應用。究其原因有以下幾點：1）該模型提出較早，試驗數據多，較為成熟；2）模型簡單，易于理解，計算方便；3）計算結果與試驗值能較好吻合。
考慮到高斯煙羽模型的不足，本文考慮風速的影響，對其進行了修正，主要包括：1) 將高斯煙羽模型的三維直角坐標系，改成沿天然氣擴散中心軸線的三維曲線坐標。2) 對風速進行修正，修改為風速與豎直速度疊加后的合速度。3) 將高斯模型計算的結果高斯分布在中心軸線上，這樣就能得出更加符合實際的天然氣濃度場。

1.3  泄漏擴散實時計算結果
隨著計算機技術和泄漏檢測技術的發展，軟硬件結合的泄漏檢測方法逐漸成為當前研究的熱點。利用管道數據采集與監控系統（Supervisory Control and Data Acquisition，簡稱SCADA）能收集遠處現場的過程變量的狀態，如閥位、泵狀態、溫度、流量、壓力等狀態瞬時值，并通過通訊線路將這些信息傳送到控制中心，已應用于我國油、氣長輸管道中[19 ,20 ]。利用SCADA系統實時獲得管道狀態數據，結合快速的高斯煙羽泄漏擴散模型就可以實時計算天然氣擴散結果。

式中：a表示紊流系數；s表示射流距離；dl表示泄漏孔半徑；Vm表示圓斷面射流的軸心速度；R為氣體常數；T為氣體溫度；M為天然氣分子量；其余符號意義同前。

由以上各式聯立可計算得到泄漏孔半徑dl以及泄漏量Q，為基于SCADA系統的實時擴散計算提供了基礎。
應用上述方法，采用VB6.0編制程序，算例分析如下：

取天然氣管道輸送壓力3MPa，管道正上方泄漏口半徑0.2m，天然氣絕熱指數1.3，環境溫度300K，環境壓力101.325KPa，風速5m/s。應用上述分析，計算天然氣濃度場，確定5%濃度邊界。計算結果如下圖1所示，并以此作為基準；然后變化地面風速為20m/s，其余條件同基準，計算結果如圖2所示；變化管內壓力為5MPa，其余條件同基準，計算結果如圖3所示；采用FLUENT軟件數值模擬，全部條件同基準，計算結果如圖4所示；用未修正的高斯模型計算，全部條件同基準，計算結果如圖5所示。

圖4  輸送壓力3MPa，風速5m/s時采用FLUENT數值模擬的5%濃度邊界圖5  輸送壓力3MPa，風速5m/s時采用未修正的高斯模型計算的5%濃度邊界

以上圖中可以看出：
（1）由圖1可以看出天然氣在泄漏口附近，豎直方向的速度也即初始噴射作用占主要地位，隨著高度的增加，射流作用減弱，水平風速的作用逐漸顯現出來。
（2）圖1與圖2比較可以看出，風速越大，平流輸送作用和紊流擴散作用均增大，導致氣體濃度下降較快，危險范圍高度明顯下降。
（3）圖1與圖3比較可以看出，管內壓力越大，泄漏速率越大，其他條件相同時，危險范圍明顯增大。
（4）圖1與圖5比較可以看出，采用修正后的高斯模型計算時，天然氣明顯上升，而未修正的則在水平方向偏移，沒有射流與浮力的作用，修正后明顯更加貼合實際。
（5）比較圖1與圖4，圖5與圖4，發現圖1雖然還有一定誤差，但是其精度已遠大于未修正的高斯模型。
（6）本例計算時間大約為1分鐘，對應急決策具有實際指導意義。采用FLUENT數值模擬的優點是精度高，但是耗時較多，采用這兩種擴散計算方法可以互相補充，給現場應急指揮提供有力參考。

2  天然氣泄漏形成火災和爆炸的危害預測
火災的破壞形式主要是燃燒產生的大量熱輻射，其破壞效應主要是熱傷害效應。爆炸過程的主要破壞形式包括震蕩、沖擊波、碎片沖擊和造成火災等。

2.2  天然氣泄漏形成爆炸的危害模型
2.2.1  爆炸產生的沖擊波危害效應
當天然氣管道發生泄漏后，形成的氣云一旦發生爆炸，產生的爆炸波效應和熱傷害效應會對人身安全及生命財產產生重大的威脅。但是由于多方面的原因，預先評價氣云爆炸的爆炸后果極其困難。本文確定爆炸的傷害采用超壓準則[9]，具體計算公式不再贅述，本文設置的爆炸沖擊波各種傷害半徑的條件如下：
（1）死亡區半徑
處于該區內的人員如缺少防護，則被認為將無一例外地蒙受嚴重傷害或死亡。其內徑為零，外徑記為R1，表示外圓周處人員因沖擊波作用導致肺出血而死亡的概率為0.5，為保守起見，本文取此臨界超壓為100 KPa，根據半球型模型求得的各點處的超壓值，即可確定接近或者大于等于100 KPa的位置即為死亡區的邊界及其半徑R1。
（2）重傷區半徑
處于該區內的人員如缺少防護，則被認為絕大多數將遭受嚴重傷害，極少數人可能死亡或受輕傷。其內徑為死亡半徑R1，外徑記為R2，表示該處人員因沖擊波作用而導致耳膜破裂的概率為0.5，也即要求沖擊波峰值超壓為44 KPa，據此可以確定重傷區范圍的邊界及其半徑R2。
（3）輕傷區半徑
處于該區內的人員如缺少防護，則被認為絕大多數人員將遭受輕微傷害，少數人會受重傷或平安無事，死亡的可能性極小。其內徑為重傷區的外徑R2，外徑為R3，表示邊界處因沖擊波作用而導致耳膜破裂的概率為0.01，也即要求沖擊波峰值超壓為17 KPa。據此可以確定輕傷區范圍的邊界及其半徑R3。
（4）對建筑物的傷害
目前還無氣云爆炸波作用下房屋的破壞判據，本文采用TNT當量法[ 22]預測在氣云爆炸波作用對房屋的破壞距離。房屋Cb級破壞距離R4和房屋破壞至不能居住的距離R5分別為：

2.3  火災和爆炸危害預測分析系統的設計

根據上述計算方法與模型，本文開發了一套火災和爆炸傷害分析系統（FAEHAS：Fire And Explosion Hazards Analysis System），有利于進行火災和爆炸危害的評價工作。
火災和爆炸傷害分析系統主要包括火災危險預測和爆炸危險預測兩部分。在火災危險預測部分，輸入相應的管徑、大氣溫度、風速、氣體泄漏前壓力、天然氣密度和泄漏孔徑等參數進行預測計算。在爆炸危險預測部分，輸入相應的管徑、大氣溫度、風速、氣體泄漏前壓力、天然氣密度、泄漏孔徑和管內氣體溫度等參數進行相應的預測計算。分析系統主要部分的程序界面如圖8和圖9所示。

3  泄漏擴散和危害模型的校核
從SCADA系統中獲取數據(管道起始壓力，管內氣體溫度，天然氣的密度，管道直徑，兩閥室之間的距離，大氣的溫度，泄漏三分鐘后管道內的壓力等數據），結合氣象數據，就可以給出天然氣泄漏擴散實時計算結果并根據危害模型評估危害結果。
為了驗證天然氣管道泄漏擴散模型，火災、爆炸計算模型和評價模型的合理性，本文結合工程實例進行評價校核。浙江省某一天然氣管道因受擠壓變形后出現管道破裂，導致天然氣泄漏后遇火種發生爆燃，其對環境的實際危害如圖10所示。

上圖中出現的各個距離都是出現火災爆炸傷害的地方，其中星形符號代表樹木或枯草受輻射熱影響的地方，三角形符號代表受爆炸沖擊波影響有散落泥塊的地方。此管線輸送壓力為3.5MPa，起點溫度為290K。管線直徑為800mm，管內天然氣在標準狀態下的密度為0.72kg/m3，管線內的天然氣的壓縮因子取0.9。環境溫度為300K。

3.1 爆炸沖擊波的校核
當管道發生斷裂，即泄漏孔徑為800mm時，上圖中306m處和229m處的因爆炸泥塊的散落情況如圖11和圖12所示。

從上面兩圖的比較結果看，圖12中爆炸拋射處的黑色泥塊較圖11大，而且多，這主要是由于圖12位置距離爆炸點比圖11中的近。
為對計算結果進行校核，以沖量方程為基礎，計算泥塊在空中被拋射的運行時間進而泥塊被炸出的距離，在計算中假設最大超壓持續時間為0.01s，拋射泥塊為較小泥塊，取質量為0.1kg，直徑為0.01m，綜上分析通過計算得知，拋射泥塊的計算位置距離泄漏孔336m。由于本文的計算是在遵循最安全性原則，所以計算的距離比實際距離遠，而且這也滿足了在工程上的安全性和實際需要。所以本文采用此計算方法在一定的誤差范圍內是可以用來評價爆炸沖擊波產生危害的。

3.2 熱輻射的校核
距離爆炸著火點96m處的爆炸傷害情況如圖13所示。從圖13中可以看出，此處一棵纏繞了草繩的大樹，面向著火點一側的草繩已經燃燒掉，而另一側則沒有燃燒，說明了這是瞬態燃燒，所以此處應為爆炸火球產生的熱輻射。即此次事故產生熱輻射的傷害主要是爆炸火球引起的。
通過擴散模擬和計算得知，當空口向上時，5%濃度內的擴散氣云受風速影響很小，而且大都關于泄漏點對稱；當泄漏孔向下時，當風速大于5m/s時，由于風速太大氣云都吹散了，當風速小于5m/s時，氣云擴散偏移泄漏孔最大。經過模擬和計算發現在風速為5m/s時，無論風向情況，氣云的質心都在10m之內，為遵循最危險原則，取爆炸中心偏移泄漏點10m。
利用爆炸火球模型時，選用和上述相同的初始條件，最后計算的點燃木材的距離為75.3m，枯草點燃和草繩點燃的距離為87m，選取爆炸著火點在泄漏點和偏移泄漏點10m作圖，如圖14所示：

圖14中圓心坐標代表泄漏點，0點代表爆炸著火點，1，2，3點分別代表工程實例中木材燃燒、枯草燃燒和草繩點燃的點；黑色細線小圓代表以泄漏孔為圓心計算出來木材能夠點燃的距離，黑色細線大圓代表以泄漏孔為圓心計算出來枯草點燃（或者草繩點燃）的距離，紅色粗線圓代表氣云偏移后以氣云質心（偏移10m），即爆炸點火中心為圓心的計算出的點燃木材和點燃枯草（或者點燃草繩）的距離。
從圖14中，可以清楚地看到當以泄漏孔為圓心時，2點和3點在計算范圍之外，當以爆炸著火中心為圓心時，該兩點則在計算范圍之內，這充分說明了氣云擴散對爆炸著火帶來的影響，考慮氣云擴散充分遵循了最危險原則。所以本文采用的計算熱輻射的計算方法在一定的誤差范圍內是可以用來計算爆炸產生熱輻射危害的，也同樣驗證了泄漏擴散的計算是合理的。
將工程實例的危害結果與計算所得的危害結果進行直接比較，如圖15和表1所示。圖15中，1，2，3點分別代表工程實例中木材燃燒、枯草燃燒和草繩點燃的距離；4代表工程實例中較小泥塊由于爆炸被拋射的距離。A、B、C分別代表計算結果中木材被點燃、草繩被點燃距離及質量為0.1kg、直徑為0.01m的泥塊由于爆炸被拋射的距離。

4 結論
（1）采用修正后的高斯煙羽模型，考慮風速等影響，對天然氣管道泄漏擴散進行模擬計算時能夠快速計算出擴散濃度場，對應急決策具有實際指導意義。從計算結果看，風速越大，氣體濃度下降較快，危險范圍高度明顯下降；管內壓力越大，泄漏速率越大，其他條件相同時，危險范圍明顯增大。
（2）以不同計算方法對天然氣泄漏擴散進行模擬計算，從比較結果看，修正后的高斯煙羽模型其精度接近于FLUENT軟件數值模擬結果，且明顯優于未修正的高斯模型。
（3）對泄漏擴散后形成火災和爆炸危害進行了分析和預測。火災模型選用射流火災模型，火災危害采用概率危害的計算方式；爆炸沖擊波采用數值計算，爆炸熱效應采用爆炸火球模型，爆炸產生的危害采用超壓破壞準則和超壓-沖量破壞準則。開發了一套火災和爆炸傷害分析系統，為火災和爆炸的評價和管理提供一個實用的工具。
（4）結合某一工程實例，從爆炸沖擊波危害和熱輻射危害兩個方面對所采用的模型進行了校核，校核結果表明，所采用的天然氣管道泄漏擴散模型，火災、爆炸計算模型和評價模型是有效的。

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