天然气高压泄漏.pdf

一、泄漏物质在大气中扩散的计算模型1.泄漏物质在大气中扩散的计算模型如果化学危险物质只是具有易燃易爆性，则发生泄漏后虽然可能产生极为严重的火灾、爆炸事故，但是影响的范围不大，仅局限于厂区内部或临近的区域但是，若该物质具有毒性，泄漏后能在大气中扩散，则将造成大范围内的人员中毒事故对于毒物在大气中扩散的计算，可以根据下列情形进行1）泄漏危险源瞬时排放的情形泄漏危险源为瞬时排放时，如果排放质量为Q(kg), 则空间某一点在t 时刻的浓度由下式得出：??? ??? ??? ????zyxzyxzyutx?QtzyxC2222222/321exp )2(2),,,((公式 3-19) 式中 x—下风方向至泄漏源点的距离，m; y,z—侧风方向、垂直向上方向的离泄漏源点的距离，m; u—风速， m/s; σx,σy,σz,—分别为 x,y,z 方向的扩散参数；t—扩散时间， s (2)泄漏危险源连续排放的情形若泄漏源为连续排放，泄漏速率为Q(kg/s) 时，则空间莫一点在t 时刻的浓度由下式得出：??? ??? ??zyzyzyuQtzyxC222221exp),,,((公式 3-20) 式中符号意义同上。

对于扩散参数σy, σz,，这里引用TNO 有关的公式：?axQ??by??dzcxQ（公式 3-21）根据上述两个大气扩散公式，即可算出有毒气体泄漏后造成的毒害区域扩散系数a、b、c、d 与大气稳定条件见表3-1 表 3-1 扩散参数与大气稳定条件大气条件a b c d 极不稳定A 0.527 0.865 0.28 0.9 不稳定 B 0.371 0.866 0.23 0.85 弱不稳定C 0.209 0.897 0.22 0.8 中性 D 0.128 0.905 0.2 0.76 弱稳定 E 0.098 0.902 0.15 0.73 稳定 F 0.065 0.902 0.12 0.67 例：某压缩天然气（CNG ，含 CH496.23% ）高压输送管的内部绝对压力为2.6Mpa,外界大气的压力位0.1Mpa,管道内径600mm.若管道发生开裂导致天然气泄漏，泄漏的裂口为狭窄的长方形裂口，裂口尺寸为管径的60%，宽为2mm.已知甲烷的爆炸下限浓度为5%假设泄漏时当地风速为5m/s,大气稳定条件是中性，泄漏过程中高压CNG 管道内部压力保持不变试计算：（1）天然气的泄漏质量流量2）泄漏出的天然气到达爆炸下限的范围解：（1）首先根据气体经小孔泄漏的源模式计算质量流量：????yy ypdyRTM ACQ11122.96（kg/s）（2）天然气从管道中泄漏时，可以当做零高度连续地面点源气体扩散。

根据高斯扩散模型设泄漏点为坐标原点，取平均风速的顺风方向为x 轴正方向， y 轴为侧风方向，垂直向上方向为z 轴正方向根据公式（3-20）有：??? ??? ??zyzyzyuQtzyxC222221exp),,,(以甲烷的爆炸下限浓度5%为扩散的边界浓度令 y=0,z=0,可以得到x 方向的最大扩散距离：Xmax=32.64(m) 同样可以计算得到y,z 方向的最大扩散距离分别为：ymax=2.81(m) zmax=1.70(m) (3)天然气泄漏亮的计算不同设施的损坏情况或裂口尺寸不一样的同时，由于天然气在不同设备内部流动时的物理状态（绝对压力、相对外界大气的超压、温度等）是不一致的，天然气在泄漏时及泄漏后的行为也不一样 因而， 在进行后果分析室，必须针对具体的设备进行具体分析这里为了简化起见，选择高压输送管进行初步讨论高压输送管的参数为：内部绝对压力位2.6MPa，外界大气的压力位0.1 MPa管道内部直径600mm,外径 D 为 610mm. 计算时，为了处理方便作如下假设：管道发生开裂导致天然气的泄漏的裂口为狭窄的长方形裂口，裂口尺寸根据经验一般取管径的 20%～100%，这里取中值60%，宽 δ为 2mm. 高压输送管内的压缩天然气（CNG）内部压力保持不变。

当压缩天然气在输送时发生泄漏而没有被及时发觉时，这样的假设通常是可行的泄漏时，管内、外天然气的绝热指数不变，取1.32计算天然气的泄漏量时，首先可按（公式3-1）和（公式3-2）判断泄漏气体的流动性质对于高压输送管内CNG 的泄漏，泄漏气体的流动为声速流动对于声速流动，气体的泄漏量可以用（公式3-3）求得：???RTMAPCQd11012依据假定裂口尺寸根据经验取管径的20%，所以：A=lδ=0.6D δ=0.6×0.610×2×10-3(m2) 于是，得到天然气的泄漏流量为：Q0=0.9×7.32×10-4×26×1.013×105×???132.1132.13132.12298314.832.11016=2.96（kg/s）(4)天然气泄漏后的扩散1）影响天然气泄漏后扩散的因素泄漏天然气会在浓度梯度和风力的作用下在大气中扩散影响天然气在大气中的扩散主要因素有风速、大气稳定度、地面情况（建筑物、树木等）、泄漏的高度、泄漏物的初始状态风对泄漏的天然气有非常明显的输送和稀释作用，因此，泄漏物质总是分布在泄漏源的下风向无风时， 泄漏物以泄漏源为中心，向各方向均匀扩散、质量输运以扩散为主在有风时，风速越大， 则湍流愈强， 物质向下风向的扩散速度和空气的稀释速度愈快，质量输运以对流为主。

通常地，扩散传质的传质系数要比对流传质时的传质系数小1～ 2 个数量级大气稳定度表示空气是否易于发生垂直运动，即对流 假如有一团空气在外力作用下产生了向上或向下的运动，可能出现3 种情况：①如果空气团受力移动后逐渐减速，并有返回原来高度的趋势，这时的气层对该空气团是稳定的②如果该空气图受力作用离开原位后就逐渐加速运动，并有远离原来高度的趋势，这时的气层对该空气图是不稳定的③如果北推至某一高度后，空气团既不加速，也不减速， 保持不动， 这时的气层对该空气团是中性的大气愈不稳定，则扩散愈快泄漏源高度增加，泄漏物质扩散至地面的垂直距离增加，在同等源强和气象条件下，地面同等距离的物质浓度会降低泄漏物质具有向上的初始冲量，会使泄漏源有效高度增加，其作用效果与泄漏源高度的增加相同泄漏物质的密度高于或低于空气的密度，分别表现出重力作用和浮力作用重力作用引起泄漏物下沉， 导致泄漏物在地面的浓度增加由于泄漏物不断被大气稀释，这种下沉作用会逐渐减弱浮力作用引起泄漏物质在扩散初期上升，导致泄漏物质在地面的浓度降低同样，泄漏物质被大气不断稀释，上升作用减弱 浮力也可能是泄漏物质具有较高的温度所致，当泄漏物质被冷却至大气温度后。

这种上升作用即将停止由此可见， 高压管道中的天然气泄漏后，它在大气中的扩散受到多方面的综合作用为了能较方便地评估出泄漏后的后果情况，假设如下：①天然气泄漏后，大气风速假定为2.5m/s②大气的稳定性取中性尽管由于天然气在标准状态下的密度小于空气，应考虑大气的稳定度为“不稳定”及考虑天然气在空气中的浮力作用但由于从高压管中泄露的天然气的密度较大，且数值试验表明，取大气稳定度为中性进行评估符合危险度最大的评估原则③天然气的泄漏确定为零高度泄漏④天然气的泄漏为点源连续泄漏2）天然气泄漏的扩散范围的计算由于大气是一种半无限介质，特征尺度很大，只要极小的风速就会有很大的雷诺数并达到湍流状态，因而天然气的泄漏扩散可以用湍流扩散的微分方程进行描述 ; ???????????????zczycyxcxKKK xcu tc222222(公式 3-108) 式中 c—天然气在坐标位置（x,y,z）处的浓度，可以表示为c(x,y,z)；u—为平均风速，m/sKx， Ky， Kz—分别为三个方向上的湍流扩散系数假定天然气泄漏为点源连续泄漏，如将风的吹动方向定为X 方向，泄漏点的坐标为 （0,0,0） 定义 3 个方向上的扩散参数为：uxKuxKuxK?????????zzyyxx222222考虑到 ; ①沿风向方向，任一ＹＺ平面的泄漏物质总量等于源强Ｑ０。

②流场稳定，即空间某一位置的泄漏天然气浓度恒定，不随时间变化，0 tc③在有风条件下（ｕ﹥１ｍ／ｓ），风力产生的平流输送作用要远大于水平方向上的分子扩散作用④天然气是在以地面未界面条件的半无限大气中扩散于是， （公式３－ 108）可以进一步简化并求解，得到流场内各点的浓度表达式为：??? ??? ???zyzyzyuQ zyxC222202221exp),,(（公式 3-109）令（公式３－ 109）中ｚ＝０，得到地面浓度为：??? ???yzyyuQ yxC220221exp)0,,(（公式 3-110）令（公式３－ 110）中 y＝０，得到地面轴线浓度为：uQ xC???zy0)0,0,(（公式 3-110）（公式３－ 109）至（公式３－110）中，Ｑ０为点源天然气泄漏时的源强（kg/s） ，可以如（公式３－ 3）进行计算，σy,σz分别为天然气在空间某一点的扩散参数，经过查阅有关文献，并参考相应的大气稳定条件，回归得到了它们与该点在地面轴线上位置x 的如下关系 ; 为了确定天然气泄漏时的扩散范围，首先， 明确以天然气的燃烧下限浓度（CLFL）为界由于在该界面以外的天然气浓度小于下限浓度，即使存在点火源，也不会引起整个天然气—空气的混合气发生燃烧、爆炸事故。

而在该界面以内的区域，为易发生燃烧、爆炸的区域所以，必须对该区域进行求解，并确定出该危险区域的体积天然气主要成分为甲烷（占96.23% ） ，故以甲烷的燃烧下限浓度为天然气的下限浓度由于甲烷的下限浓度为5%，所以天然气的燃烧下限浓度用百分数表示CLFL为：CLFL= ????mmolg mollmlm3333100/16 /4.22/105=35.7（g/m3）=3.57×10-2（kg/m3）如图 3-4 所示为根据上述公式进行计算得到的高压管道中天然气泄漏后在大气中进行湍流扩散后危险扩散区的外形图，由于整个危险扩散区相对于XZ 平面对称， 所以如图3-4所示汇出了整个外形图的1/2. 从上面的图行及计算可以得出，天然气在上述条件下泄漏时，扩散所形成的易燃危险区在三个方向上的最大尺寸分别为：xmax=48.2m, ymax=3.6m, zmax=2.1m. 对该云团区域进行如下的数值积分，就可以计算出该云团的体积VcloudVcloud=??zdymaxmaxz002经编程计算得到，该条件下天然气泄漏扩散所形成易燃危险区域的体积为: Vcloud=363.2(m3) 。