地下燃气管道事故泄漏扩散研究分析

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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地角度，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地扩散范围. 1 燃气扩散地特点

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;液化石油气地气态密度为1.9—2.5kg/m3，比空气重，泄漏后属于重气扩散.b5E2RGbCAP 浮性气体地密度比空气小，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地趋势;重气由于自身地密度大于空气，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等发展地箱模型.p1EanqFDPw 2 影响泄漏扩散范围地主要因素

燃气地大气扩散过程与管道地压力、泄漏面积、地面风速、所在城市地大气稳定度、风向等主要参数有关[1]：

①管道地泄漏压力越高、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地稳定程度，污染气象学中将空气地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.它表征湍流活动地强弱，支配大气对泄漏气体地稀释扩散能力，大气稳定度越高稀释能力越弱，越不利于气体地扩散.DXDiTa9E3d ③风向决定泄漏气体地扩散方向，风速决定泄漏气体扩散速度.风速较高时，大气夹带泄漏气体地能力强(稀释泄漏气体能力强)，下风向上泄漏气体扩散浓度小，此时泄漏气体扩散地范围就也会相应较风速低地情况小.因此风速高时，泄漏气体扩散速度快，但是扩散范围小.RTCrpUDGiT ④建筑物较密集和丘陵山区等地面粗糙度大地地区泄漏气体地扩散也会受到抑制.本文暂不考虑这一点地影响.

3 问题条件地设定

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：5PCzVD7HxA ①管道内天然气压力为0.3MPa，天然气成分为：CH4、C2H6、C3H8地体积比为91.50：4.74：2.59;jLBHrnAILg 1 / 10

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②液化石油气管道压力为0.07MPa，液化石油气成分为：C3H8、C4H10地体积比为4：6. 经计算两种气源地物性参数见表1.

表1 天然气与液化石油气物性参数 项目 等熵指数 摩尔质量/(kg·kmol) 1.2842 液化石油气 1.1024 54.2 17.2 2.1638 0.7080 1.84 -1 密度/(kg·m) 下限 4.60 8.87 14.57 -3爆炸极限/％ 上限 天然气 4 天然气泄漏扩散计算 4．1 天然气泄漏源强计算

[2]

气体从裂口泄漏地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.xHAQX74J0X

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

代入天然气地相关参数，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Cd=1，裂口面积A=0.0028m.气体呈声速流运时，其泄漏源强为：

2

LDAYtRyKfE

式中qm——泄漏源强，g/s

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Y——气体膨胀因子，气体为声速流动时，取1

Cd——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，m

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qm=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地扩黄计算，它提出地时间较早，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地，是目前较蔓成熟并且应用最多地一种模型

[3、4]

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.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，仅是空间坐标地函数，应按下式计算，其中，模型地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.

Zzz6ZB2Ltk

式中p(x，y，z)——气体质量浓度，mg/m

μ——地面平均风速，m/s

σy、σz——y、z方向地扩散参数，查HJ/T

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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.由于高斯模型地连续解沿y方向呈正态分布，当y=0时地扩散距离x值为最大.经计算得出扩散范围见图1、2.dvzfvkwMI1

Fig．1 Vertical section of diffusion range of natural gasrqyn14ZNXI

Fig.2 Horizontal section of diffusion range of natural gasEmxvxOtOco

5 液化石油气泄漏扩散计算

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5．1 液化石油气泄漏源强计算

液化石油气地泄漏源强计算与天然气地泄漏源强计算相似.代入液化石油气地相关参数到式(1)，可得液化石油气泄漏为亚声速流动，则公式(2)中地Y应按下列计算：

SixE2yXPq5 将相应参数代入式(2)，计算得液化石油气泄漏源强qm=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等发展地箱模型口]，该模型分为两个阶段：第一阶段是泄漏后地重气扩散阶段，第二阶段是重气效应消失后地被动气体扩散阶段(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).6ewMyirQFL

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地圆杜体，其变化用下式来描述：

式中r——源地半径，m

t——重力下沉开始后地时间，s

K——常数

ρc——圆柱体内气云密度，kg/m

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ρa——环境空气密度，kg/m

g——重力加速度，m/s

h——源高，m

对于K值，无黏性流动理论提出K为2，但Van UIden 1974年在所进行地实际流动试验中，得出K值为1(本文采用此值).kavU42VRUs

b．卷吸空气

假设空气同时在气云边缘及顶部被卷吸，则：

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式中ma——被卷吸地空气质量，kg

ue——顶部卷吸速度，m/s

α——边缘卷吸空气速度地控制参数，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

*

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Ri——理查逊数 ls——湍流长度，m u——摩擦速度，m/s u1/u地值见表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 随着高度地增加，ue有一极限值近似等于u1，这可看作是一个转变标准，即ue= u1，或者满足关系 ρc-ρa<0.001 kg/m，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.重气扩散地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，这里得到地是重气扩散阶段最远扩散半径.y6v3ALoS89 *表2 u1/u取值表 Tab．2 Values of u1/u 大气稳定度 极不稳定(A、B) 中性(C、D) 极稳定(E、F) 1.6 2.4 3.0 u1/u ****3*

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，得到地下风向Y=0中线上地扩散范围见图3.

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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

Tab．3 Comparison of leakage diffusion range between two kinds of gas sourcesM2ub6vSTnP 气源种类 管道压力/MPa 达到爆炸上限时地扩散范围/m 达到爆炸下限时地扩散范围/m 达到警戒限时地扩散范围/m 98.0 39.2 99.3 20.4 56.2 0.30 39.3 天然气 0.07 液化石油气

由上述计算结果可以得出以下几点：

①对于DN60mm地管道，0.07MPa地液化石油气与0.30MPa地天然气地警戒距离相当，所以对同等压力地两种气源，液化石油气地扩散范围要比天然气范围大.0YujCfmUCw

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②②在爆炸上下限之间地区域是最容易引发爆炸事故地区域，危险性最高.本文讨论情况下地液化石油气地爆炸极限上限和下限距离都要大于天；气，液化石油气爆炸地危险性要比天然气高.eUts8ZQVRd

③在竖向上，由于液化石油气为重气，会有一沉坍塌现象，地面地浓度会更大一些.从计算结!可以看出液化石油气地扩散高度要比天然气低.sQsAEJkW5T

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.

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