天然氣管道泄漏擴(kuò)散實(shí)時(shí)計(jì)算與燃爆危害預(yù)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(tǒng)連接件之間的密封不嚴(yán)、腐蝕穿孔、人為管理不善等因素引起的天然氣泄漏、火災(zāi)和爆炸事故在國內(nèi)外屢見不鮮。例如：1989年前蘇聯(lián)烏拉爾山區(qū)一條輸氣干線泄漏后發(fā)生爆炸，造成600多人死亡[1 ]。1997年7月發(fā)生在北京市的天然氣管道泄漏爆炸事故，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2 ]。

天然氣管道事故首先由泄漏引起并在空氣中擴(kuò)散。擴(kuò)散過程影響因素較多，模擬較為復(fù)雜，為此國內(nèi)外學(xué)者對氣體擴(kuò)散的數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了大量研究。常用的計(jì)算模型有高斯模型（可細(xì)分為煙羽模型和煙團(tuán)模型）、BM模型[3 ]、Sutton模型[4 ]、FEM3模型[5 ,6 ]等。國內(nèi)學(xué)者則對高斯模型和Sutton模型進(jìn)行了修正，考慮了重力、浮力和初始速度對擴(kuò)散的影響[7 ]。一般來說BM模型、FEM3模型等計(jì)算數(shù)據(jù)量較大，若用于擴(kuò)散模擬則實(shí)時(shí)性較差。天然氣泄漏擴(kuò)散后滿足一定條件便會(huì)發(fā)生火災(zāi)或爆炸，對火災(zāi)和爆炸的研究主要是對其傷害效應(yīng)的研究，熱輻射是火災(zāi)和爆炸所產(chǎn)生巨大傷害效應(yīng)的表現(xiàn)形式[8 ]，沖擊波則是爆炸所產(chǎn)生的主要傷害形式[9 ]，發(fā)生火災(zāi)和爆炸往往引起重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)危害。

因此，快速模擬計(jì)算天然氣管道的泄漏擴(kuò)散過程，了解天然氣泄漏后的火災(zāi)及爆炸災(zāi)害過程，預(yù)測輻射熱及沖擊波的危害范圍，可為準(zhǔn)確制定天然氣管道的安全運(yùn)行和搶修規(guī)程提供依據(jù)，對于天然氣長輸管道應(yīng)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(jì)算出擴(kuò)散濃度場，計(jì)算時(shí)間小于1分鐘，可以達(dá)到“實(shí)時(shí)”效果，有利于快速應(yīng)急救援。選擇合適的模型求解爆炸場，并選擇恰當(dāng)?shù)膫?zhǔn)則來判斷熱輻射和沖擊波的影響，開發(fā)了天然氣管道火災(zāi)和爆炸傷害分析系統(tǒng)。最后通過一個(gè)事故實(shí)例驗(yàn)證了本文所采用的泄漏和危害預(yù)測模型是正確有效的。

1 ?天然氣泄漏擴(kuò)散實(shí)時(shí)計(jì)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(shè)其內(nèi)部壓力保持不變。這種模型未考慮因緊急切斷裝置動(dòng)作而形成的不穩(wěn)定狀態(tài)，出流處恒定的流速和狀態(tài)參數(shù)均比實(shí)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(guī)模一般是按照泄漏孔徑的大小劃分的。總的來說，小規(guī)模（小孔徑）泄漏事故發(fā)生的可能性較大，大規(guī)模（大孔徑）泄漏事故發(fā)生的可能性較小。因此，可以假設(shè)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(jì)算公式為[15 ]：

1.2  高斯煙羽模型及修正
高斯模型適用于點(diǎn)源的擴(kuò)散，早在五、六十年代就已被應(yīng)用。高斯煙羽模型適用于連續(xù)源的擴(kuò)散，高斯煙團(tuán)模型適用于短時(shí)間泄漏的擴(kuò)散[16 ]，考慮天然氣長輸管道的本文實(shí)際情況，采用高斯煙羽模型。
煙羽模型的假設(shè)如下[ , ]：1）定常態(tài)，即所有的變量不隨時(shí)間變化；2）適用于密度與空氣相差不多的氣體的擴(kuò)散（不考慮重力或浮力的作用），且在擴(kuò)散過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；3）擴(kuò)散氣體的性質(zhì)與空氣相同；4）擴(kuò)散質(zhì)達(dá)到地面時(shí)，完全反射，沒有任何吸收；5）在下風(fēng)向上的湍流擴(kuò)散相對于移流相可忽略不計(jì)，這意味著該模型只適用于平均風(fēng)速不小于1m/s 的情形；6）坐標(biāo)系的x軸與流動(dòng)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(shè)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(kuò)散，但該模型仍被廣泛應(yīng)用。究其原因有以下幾點(diǎn)：1）該模型提出較早，試驗(yàn)數(shù)據(jù)多，較為成熟；2）模型簡單，易于理解，計(jì)算方便；3）計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值能較好吻合。
考慮到高斯煙羽模型的不足，本文考慮風(fēng)速的影響，對其進(jìn)行了修正，主要包括：1) 將高斯煙羽模型的三維直角坐標(biāo)系，改成沿天然氣擴(kuò)散中心軸線的三維曲線坐標(biāo)。2) 對風(fēng)速進(jìn)行修正，修改為風(fēng)速與豎直速度疊加后的合速度。3) 將高斯模型計(jì)算的結(jié)果高斯分布在中心軸線上，這樣就能得出更加符合實(shí)際的天然氣濃度場。

1.3  泄漏擴(kuò)散實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和泄漏檢測技術(shù)的發(fā)展，軟硬件結(jié)合的泄漏檢測方法逐漸成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。利用管道數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，簡稱SCADA）能收集遠(yuǎn)處現(xiàn)場的過程變量的狀態(tài)，如閥位、泵狀態(tài)、溫度、流量、壓力等狀態(tài)瞬時(shí)值，并通過通訊線路將這些信息傳送到控制中心，已應(yīng)用于我國油、氣長輸管道中[19 ,20 ]。利用SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得管道狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合快速的高斯煙羽泄漏擴(kuò)散模型就可以實(shí)時(shí)計(jì)算天然氣擴(kuò)散結(jié)果。

式中：a表示紊流系數(shù)；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(shù)；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(lián)立可計(jì)算得到泄漏孔半徑dl以及泄漏量Q，為基于SCADA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)擴(kuò)散計(jì)算提供了基礎(chǔ)。
應(yīng)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(shù)1.3，環(huán)境溫度300K，環(huán)境壓力101.325KPa，風(fēng)速5m/s。應(yīng)用上述分析，計(jì)算天然氣濃度場，確定5%濃度邊界。計(jì)算結(jié)果如下圖1所示，并以此作為基準(zhǔn)；然后變化地面風(fēng)速為20m/s，其余條件同基準(zhǔn)，計(jì)算結(jié)果如圖2所示；變化管內(nèi)壓力為5MPa，其余條件同基準(zhǔn)，計(jì)算結(jié)果如圖3所示；采用FLUENT軟件數(shù)值模擬，全部條件同基準(zhǔn)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示；用未修正的高斯模型計(jì)算，全部條件同基準(zhǔn)，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4  輸送壓力3MPa，風(fēng)速5m/s時(shí)采用FLUENT數(shù)值模擬的5%濃度邊界圖5  輸送壓力3MPa，風(fēng)速5m/s時(shí)采用未修正的高斯模型計(jì)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(fēng)速的作用逐漸顯現(xiàn)出來。
（2）圖1與圖2比較可以看出，風(fēng)速越大，平流輸送作用和紊流擴(kuò)散作用均增大，導(dǎo)致氣體濃度下降較快，危險(xiǎn)范圍高度明顯下降。
（3）圖1與圖3比較可以看出，管內(nèi)壓力越大，泄漏速率越大，其他條件相同時(shí)，危險(xiǎn)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(jì)算時(shí)，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(shí)際。
（5）比較圖1與圖4，圖5與圖4，發(fā)現(xiàn)圖1雖然還有一定誤差，但是其精度已遠(yuǎn)大于未修正的高斯模型。
（6）本例計(jì)算時(shí)間大約為1分鐘，對應(yīng)急決策具有實(shí)際指導(dǎo)意義。采用FLUENT數(shù)值模擬的優(yōu)點(diǎn)是精度高，但是耗時(shí)較多，采用這兩種擴(kuò)散計(jì)算方法可以互相補(bǔ)充，給現(xiàn)場應(yīng)急指揮提供有力參考。

2  天然氣泄漏形成火災(zāi)和爆炸的危害預(yù)測
火災(zāi)的破壞形式主要是燃燒產(chǎn)生的大量熱輻射，其破壞效應(yīng)主要是熱傷害效應(yīng)。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(zāi)等。

2.2  天然氣泄漏形成爆炸的危害模型
2.2.1  爆炸產(chǎn)生的沖擊波危害效應(yīng)
當(dāng)天然氣管道發(fā)生泄漏后，形成的氣云一旦發(fā)生爆炸，產(chǎn)生的爆炸波效應(yīng)和熱傷害效應(yīng)會(huì)對人身安全及生命財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生重大的威脅。但是由于多方面的原因，預(yù)先評價(jià)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(zhǔn)則[9]，具體計(jì)算公式不再贅述，本文設(shè)置的爆炸沖擊波各種傷害半徑的條件如下：
（1）死亡區(qū)半徑
處于該區(qū)內(nèi)的人員如缺少防護(hù)，則被認(rèn)為將無一例外地蒙受嚴(yán)重傷害或死亡。其內(nèi)徑為零，外徑記為R1，表示外圓周處人員因沖擊波作用導(dǎo)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(jù)半球型模型求得的各點(diǎn)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(qū)的邊界及其半徑R1。
（2）重傷區(qū)半徑
處于該區(qū)內(nèi)的人員如缺少防護(hù)，則被認(rèn)為絕大多數(shù)將遭受嚴(yán)重傷害，極少數(shù)人可能死亡或受輕傷。其內(nèi)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(dǎo)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(jù)此可以確定重傷區(qū)范圍的邊界及其半徑R2。
（3）輕傷區(qū)半徑
處于該區(qū)內(nèi)的人員如缺少防護(hù)，則被認(rèn)為絕大多數(shù)人員將遭受輕微傷害，少數(shù)人會(huì)受重傷或平安無事，死亡的可能性極小。其內(nèi)徑為重傷區(qū)的外徑R2，外徑為R3，表示邊界處因沖擊波作用而導(dǎo)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(jù)此可以確定輕傷區(qū)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(jù)，本文采用TNT當(dāng)量法[ 22]預(yù)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(zāi)和爆炸危害預(yù)測分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述計(jì)算方法與模型，本文開發(fā)了一套火災(zāi)和爆炸傷害分析系統(tǒng)（FAEHAS：Fire And Explosion Hazards Analysis System），有利于進(jìn)行火災(zāi)和爆炸危害的評價(jià)工作。
火災(zāi)和爆炸傷害分析系統(tǒng)主要包括火災(zāi)危險(xiǎn)預(yù)測和爆炸危險(xiǎn)預(yù)測兩部分。在火災(zāi)危險(xiǎn)預(yù)測部分，輸入相應(yīng)的管徑、大氣溫度、風(fēng)速、氣體泄漏前壓力、天然氣密度和泄漏孔徑等參數(shù)進(jìn)行預(yù)測計(jì)算。在爆炸危險(xiǎn)預(yù)測部分，輸入相應(yīng)的管徑、大氣溫度、風(fēng)速、氣體泄漏前壓力、天然氣密度、泄漏孔徑和管內(nèi)氣體溫度等參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測計(jì)算。分析系統(tǒng)主要部分的程序界面如圖8和圖9所示。

3  泄漏擴(kuò)散和危害模型的校核
從SCADA系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)(管道起始壓力，管內(nèi)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(nèi)的壓力等數(shù)據(jù)），結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，就可以給出天然氣泄漏擴(kuò)散實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果并根據(jù)危害模型評估危害結(jié)果。
為了驗(yàn)證天然氣管道泄漏擴(kuò)散模型，火災(zāi)、爆炸計(jì)算模型和評價(jià)模型的合理性，本文結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行評價(jià)校核。浙江省某一天然氣管道因受擠壓變形后出現(xiàn)管道破裂，導(dǎo)致天然氣泄漏后遇火種發(fā)生爆燃，其對環(huán)境的實(shí)際危害如圖10所示。

上圖中出現(xiàn)的各個(gè)距離都是出現(xiàn)火災(zāi)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(diǎn)溫度為290K。管線直徑為800mm，管內(nèi)天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為0.72kg/m3，管線內(nèi)的天然氣的壓縮因子取0.9。環(huán)境溫度為300K。

3.1 爆炸沖擊波的校核
當(dāng)管道發(fā)生斷裂，即泄漏孔徑為800mm時(shí)，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(jié)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(diǎn)比圖11中的近。
為對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，以沖量方程為基礎(chǔ)，計(jì)算泥塊在空中被拋射的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)而泥塊被炸出的距離，在計(jì)算中假設(shè)最大超壓持續(xù)時(shí)間為0.01s，拋射泥塊為較小泥塊，取質(zhì)量為0.1kg，直徑為0.01m，綜上分析通過計(jì)算得知，拋射泥塊的計(jì)算位置距離泄漏孔336m。由于本文的計(jì)算是在遵循最安全性原則，所以計(jì)算的距離比實(shí)際距離遠(yuǎn)，而且這也滿足了在工程上的安全性和實(shí)際需要。所以本文采用此計(jì)算方法在一定的誤差范圍內(nèi)是可以用來評價(jià)爆炸沖擊波產(chǎn)生危害的。

3.2 熱輻射的校核
距離爆炸著火點(diǎn)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(diǎn)一側(cè)的草繩已經(jīng)燃燒掉，而另一側(cè)則沒有燃燒，說明了這是瞬態(tài)燃燒，所以此處應(yīng)為爆炸火球產(chǎn)生的熱輻射。即此次事故產(chǎn)生熱輻射的傷害主要是爆炸火球引起的。
通過擴(kuò)散模擬和計(jì)算得知，當(dāng)空口向上時(shí)，5%濃度內(nèi)的擴(kuò)散氣云受風(fēng)速影響很小，而且大都關(guān)于泄漏點(diǎn)對稱；當(dāng)泄漏孔向下時(shí)，當(dāng)風(fēng)速大于5m/s時(shí)，由于風(fēng)速太大氣云都吹散了，當(dāng)風(fēng)速小于5m/s時(shí)，氣云擴(kuò)散偏移泄漏孔最大。經(jīng)過模擬和計(jì)算發(fā)現(xiàn)在風(fēng)速為5m/s時(shí)，無論風(fēng)向情況，氣云的質(zhì)心都在10m之內(nèi)，為遵循最危險(xiǎn)原則，取爆炸中心偏移泄漏點(diǎn)10m。
利用爆炸火球模型時(shí)，選用和上述相同的初始條件，最后計(jì)算的點(diǎn)燃木材的距離為75.3m，枯草點(diǎn)燃和草繩點(diǎn)燃的距離為87m，選取爆炸著火點(diǎn)在泄漏點(diǎn)和偏移泄漏點(diǎn)10m作圖，如圖14所示：

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

4 結(jié)論
（1）采用修正后的高斯煙羽模型，考慮風(fēng)速等影響，對天然氣管道泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)能夠快速計(jì)算出擴(kuò)散濃度場，對應(yīng)急決策具有實(shí)際指導(dǎo)意義。從計(jì)算結(jié)果看，風(fēng)速越大，氣體濃度下降較快，危險(xiǎn)范圍高度明顯下降；管內(nèi)壓力越大，泄漏速率越大，其他條件相同時(shí)，危險(xiǎn)范圍明顯增大。
（2）以不同計(jì)算方法對天然氣泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬計(jì)算，從比較結(jié)果看，修正后的高斯煙羽模型其精度接近于FLUENT軟件數(shù)值模擬結(jié)果，且明顯優(yōu)于未修正的高斯模型。
（3）對泄漏擴(kuò)散后形成火災(zāi)和爆炸危害進(jìn)行了分析和預(yù)測。火災(zāi)模型選用射流火災(zāi)模型，火災(zāi)危害采用概率危害的計(jì)算方式；爆炸沖擊波采用數(shù)值計(jì)算，爆炸熱效應(yīng)采用爆炸火球模型，爆炸產(chǎn)生的危害采用超壓破壞準(zhǔn)則和超壓-沖量破壞準(zhǔn)則。開發(fā)了一套火災(zāi)和爆炸傷害分析系統(tǒng)，為火災(zāi)和爆炸的評價(jià)和管理提供一個(gè)實(shí)用的工具。
（4）結(jié)合某一工程實(shí)例，從爆炸沖擊波危害和熱輻射危害兩個(gè)方面對所采用的模型進(jìn)行了校核，校核結(jié)果表明，所采用的天然氣管道泄漏擴(kuò)散模型，火災(zāi)、爆炸計(jì)算模型和評價(jià)模型是有效的。

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