摘要：預(yù)防和控制燃?xì)庑孤┦鹿实陌l(fā)生以及合理評價燃?xì)馐鹿实娘L(fēng)險，是燃?xì)廨斶\安全領(lǐng)域研究的重點課題，其關(guān)鍵技術(shù)在于燃?xì)庑孤┪恢玫拇_定。為了更加科學(xué)合理地對燃?xì)馐鹿蔬M行預(yù)防、控制和評價，提出了基于首末端監(jiān)控的雙向同步仿真與實地監(jiān)測相結(jié)合的時差最小化的三色泄漏定位方法和基于GIS的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)區(qū)域風(fēng)險評價方法，并針對其實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)進行了探討和分析：以增加耗散項和初始點、延長出口點的方法，簡化了動態(tài)仿真模型求解過程，增加了結(jié)果的穩(wěn)定性；建立了變孔徑泄漏及擴散綜合計算模型，運用格林函數(shù)得出了其相應(yīng)經(jīng)驗解析公式，彌補了非定常泄漏研究及其擴散技術(shù)模型無法對泄漏擴散濃度做出合理可靠分析的不足；對燃?xì)鉂舛葮O限和沖擊波致人傷亡的危險性給予了分析。

關(guān)鍵詞：燃?xì)夤艿?；泄漏；預(yù)警；GIS定位；區(qū)域；風(fēng)險評價

??? 城市燃?xì)夤芫W(wǎng)是一個分布在人口和建筑集中區(qū)域的復(fù)雜系統(tǒng)，其安全運行受到許多因素的影響，一旦發(fā)生燃?xì)庑孤?、火?zāi)爆炸事故，將會造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失^[1～3]。預(yù)防和控制燃?xì)庑孤┦鹿实陌l(fā)生，合理評價燃?xì)馐鹿实娘L(fēng)險，成為燃?xì)廨斶\安全領(lǐng)域研究的重點之一。泄漏位置的確定^[4～7]是預(yù)防和控制燃?xì)庑孤┦鹿?、評定燃?xì)庑孤┦鹿屎蠊幕A(chǔ)，也是目前燃?xì)廨斶\安全領(lǐng)域研究的重點，但在實際應(yīng)用過程中，還存在較多的問題。風(fēng)險評價在燃?xì)廨斶\領(lǐng)域才開始初步的研究，且目前主要采用的是將單純事故發(fā)生所造成的后果與事故概率相結(jié)合的方法來進行分析。為了能夠更科學(xué)合理地對燃?xì)馐鹿蔬M行預(yù)防、控制和評價，對圍繞燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏定位、動態(tài)泄漏的泄漏率及泄漏量的分析計算、泄漏燃?xì)獾臄U散規(guī)律及事故的傷害和破壞范圍、三維GIS管網(wǎng)繪制、區(qū)域風(fēng)險評價等進行了初步的探討，并對其關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

??? 為了降低監(jiān)控成本，提高報警的精確度，排除誤報警的可能性，采用首末端監(jiān)控的同步雙向仿真雙對比的三色泄漏報警及定位法來進行研究。

1.1.1黃色泄漏報警

??? 當(dāng)燃?xì)庑孤┦鹿拾l(fā)生時，為了安全、快速、便捷地進行搶修和救災(zāi)，將事故的危害性降到最低，就必須要快速準(zhǔn)確地在燃?xì)庑孤┦鹿拾l(fā)生時給予預(yù)警。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，泄漏點處由于管道內(nèi)外的壓差，流體迅速流失，壓力下降，泄漏點兩邊的流體由于存在壓差而向泄漏點處補充，這一過程依次向上下游傳遞。因此，當(dāng)泄漏發(fā)生時相關(guān)信息傳輸?shù)奖O(jiān)測點，測得的壓力、流量參數(shù)將與同一時刻用仿真方法所得壓力和流量參數(shù)存在較大的誤差。為了能夠在最短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)泄漏，將利用智能數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)傳電臺同時對管線兩端的數(shù)據(jù)進行實時采集，對比前后兩時刻首末端壓力參數(shù)，如果差值較大，則此時發(fā)出黃色泄漏報警。

1.1.2橙色泄漏報警及誤報排除

??? 為確保報警精度及排除誤報警，此時分別利用該時刻首端和末端參數(shù)分別為初始條件對管網(wǎng)進行首末端仿真，分別得到管線的壓力分布曲線2和曲線3。仿真壓力分布及定位如圖1所示(曲線1為管道首端為固定輸入氣源情況下，泄漏前一時刻仿真壓力分布曲線；曲線為管道首端為非固定輸入氣源情況下，泄漏前一時刻仿真壓力分布曲線)。如果此時曲線2和曲線3首末端的壓力相對誤差均較大，且不在仿真允許誤差范圍內(nèi)，則此時可發(fā)出橙色泄漏報警。反之，如果誤差較小，在允許的誤差范圍內(nèi)，則可認(rèn)為此時壓力變化是由于管道輸送流量或者用戶使用量發(fā)生變化造成的，此時則可解除泄漏報警。

?

1.1.3紅色泄漏報警及誤報排除

??? 為了進一步提高報警的精確性，排除誤報警的可能性，此時必須調(diào)用下一時刻參數(shù)，分別進行首末端仿真，如果此時仿真壓力分布曲線2和曲線3的首末端壓力值相對誤差均較小，且在仿真允許誤差范圍之內(nèi)，同時，兩條曲線2和曲線3之間相對誤差也較大，此時，則可以發(fā)出泄漏紅色報警，即確定泄漏事故發(fā)生。反之，則取消泄漏報警。

1.2.1泄漏預(yù)警基礎(chǔ)時間確定

??? 為了縮短泄漏事故的報警時間，提高報警精度，采用雙向同步系統(tǒng)仿真的方法。此時能確定泄漏發(fā)生的最短時間為min(τ₁，τ₂，τ₃)^[4]，其中：τ₁為泄漏所造成的擾動傳播到管道首端所需時間；τ₂為泄漏所造成的擾動傳播到管道終端所需時間；τ₃為泄漏所造成的擾動熵變過程傳播到管道終端所需時間。

1.2.2監(jiān)控及仿真時間間隔的確定

??? 一般說來，泄漏監(jiān)控及仿真數(shù)據(jù)時間間隔越小越好，但是根據(jù)2.1中黃色報警最小時間理論來看，在實際運行中時間間隔需要考慮采集系統(tǒng)的設(shè)置，同時仿真軟件在針對管網(wǎng)進行仿真時也是需要一定時間的。如果針對全程監(jiān)控管道而言，則△τ可以取一個較小的值，以實現(xiàn)理論時間報警。

1.2.3泄漏預(yù)警時差最小化時間

??? 根據(jù)上述分析可知，文獻[4]、[5]所得到的時間不可能是實際運行中得到發(fā)出最終警報的最短時間，在實際情況下，當(dāng)泄漏事故發(fā)生時，真正的最短報警時間應(yīng)該是發(fā)出黃色預(yù)警時間(τ_y)、橙色預(yù)警時間(τ_o)和紅色預(yù)警時間(τ_r)之和，即：

??? τ=τ_y+τ_o+2τ_r+2τ_f??? (1)

τ_y的確定就成為泄漏定位時間的關(guān)鍵，而τ_y為：

?

??? 目前針對監(jiān)控點實施實時數(shù)據(jù)采集監(jiān)控已是一件非常容易的事情，故此，△τ值采用一個較小的時間。此時，τ_y可用泄漏信息傳播所需時間min(τ₁，τ₂，τ₃)來近似表示。故此，泄漏最小化時間可簡化為：

??? τ=τ_y+τ_o+2τ_r=τy+2τ_f=min(τ₁，τ₂，τ₃)+2τ_f??? (3)

??? 仿真壓力分布曲線2和曲線3交叉點所在的離散點所代表區(qū)域即為泄漏點所在區(qū)域。其具體泄漏位置的確定，則可根據(jù)管網(wǎng)網(wǎng)格化點進行分析計算得到。

由于泄漏報警需要采用系統(tǒng)仿真來進行，因此管網(wǎng)仿真模型及求解方法也需要給予考慮和分析。針對管網(wǎng)動態(tài)非等溫仿真模型已進行了一定的研究，但其在工程實際方面的應(yīng)用國內(nèi)還鮮有報道。動態(tài)非等溫數(shù)學(xué)模型可以表示為^[1]：

?

但目前的模型求解方法給予了較多的簡化，求解結(jié)果可靠性大大降低，同時其求解結(jié)果方法也相對較為煩瑣^[1]。在此，將針對動態(tài)非等溫仿真模型的求解方法給予改進。

?

??? 根據(jù)Crank-Nicolson格式，并通過在方程的右端添加四階耗散項和耗散格式修正項以避免定常數(shù)值解中出現(xiàn)奇偶失聯(lián)波動并增強格式穩(wěn)定性。同時，為了保證模型求解過程的穩(wěn)定性，在公式左端添加二階耗散項來實現(xiàn)。同時，根據(jù)文獻[8]的簡化條件和方法，將采用延長初始時刻和延長出口點數(shù)的方法以簡化的求解。

??? 燃?xì)夤芫W(wǎng)區(qū)域風(fēng)險評價將從泄漏率和泄漏量、泄漏動態(tài)擴散、火災(zāi)爆炸事故危險性、事故概率、事故區(qū)域風(fēng)險等方面入手進行分析。

??? 當(dāng)燃?xì)廨斶\管道發(fā)生大孔徑泄漏時，由于氣源的存在，在一定時間內(nèi)，可認(rèn)為泄漏維持一種定常泄漏狀態(tài)。而當(dāng)氣源被自動或人為切斷后，泄漏將會呈現(xiàn)出一種泄漏率逐漸降低，直到停止的過程。目前泄漏擴散的研究，還無法對上述泄漏情況的擴散濃度做出合理可靠的分析。為此，將針對燃?xì)鈩討B(tài)泄漏擴散模型結(jié)合穩(wěn)態(tài)擴散模型來進行分析。

根據(jù)質(zhì)量守恒方程可以得到此時非穩(wěn)態(tài)泄漏率的表達式^[3]：

?

據(jù)臨界壓力判別標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合臨界流、亞臨界流變孔徑孔口泄漏下任意時刻的P、T、ρ、Q_m、m的計算關(guān)系式^[1]，運用格林函數(shù)可得出其溫度和壓力經(jīng)驗解析公式如下：

???

??? 通過進一步分析計算，確立變孔徑泄漏模型(小孔、大孔及管道模型)的適用相對孔徑范圍，并確定出各影響因素對泄漏率和泄漏量的影響。