摘要：建立并簡(jiǎn)化了燃?xì)庠谑覂?nèi)泄漏后形成的濃度模型，分析了房間內(nèi)泄漏燃?xì)獾臐舛扰c泄漏時(shí)間、泄漏強(qiáng)度、換氣次數(shù)和房間體積的關(guān)系。指出在燃?xì)獍l(fā)生泄漏事故采取措施降低濃度時(shí)，應(yīng)注意整個(gè)空間及局部區(qū)域的燃?xì)鉂舛确植肌?/font>
關(guān)鍵詞：燃?xì)庑孤?；濃度模型；室?nèi)管道
Model and Analysis of Indoor Gas Leakage Mass Concentration
YU Chang，TIAN Guan-san
Abstract：The concentration model of indoor leakage gas is established and simplified.The relations of indoor leakage gas concentration to leakage time，leakage intensity，rate of ventilation and room volume are analyzed.It is pointed out that the concentration distribution of leakage gas in entire space and partial area should be paid attention when measures are adopted for gas leakage accidents to reduce the concentration.
Key words：gas leakage；concentration model；indoor pipe
? ??室內(nèi)燃?xì)夤艿老到y(tǒng)因腐蝕穿孔、接口及閥門(mén)密封材料老化、安裝質(zhì)量不良等原因而造成燃?xì)庑孤?。?dāng)燃?xì)庠谛孤┛臻g與環(huán)境空氣混合后濃度達(dá)到爆炸極限范圍，就會(huì)形成燃燒爆炸區(qū)域，遇到點(diǎn)火源時(shí)就會(huì)引起著火，甚至爆炸。
? ??本文從安全技術(shù)角度，分析燃?xì)庑孤┖笤谥車(chē)h(huán)境中形成的濃度變化規(guī)律，從而能夠有針對(duì)性地去預(yù)防、抑制、消除泄漏氣體導(dǎo)致的爆炸事故。
1 室內(nèi)燃?xì)庑孤┖笕細(xì)鉂舛饶Ｐ?sup>[1、2]
??? 當(dāng)室內(nèi)管道系統(tǒng)的燃?xì)獍l(fā)生泄漏后，燃?xì)庖愿咚賴(lài)娚涞江h(huán)境中，并帶動(dòng)周?chē)諝怆S其流動(dòng)。通過(guò)分子擴(kuò)散以及室內(nèi)通風(fēng)的混合作用，燃?xì)庥筛邼舛葏^(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散并迅速與周?chē)諝膺M(jìn)一步混合形成均勻混合的氣體[3]。
1.1 濃度模型的建立
??? 燃?xì)庠谑覂?nèi)泄漏時(shí)，其泄漏源可分為瞬時(shí)源和連續(xù)源兩種[4]。在有限空間爆炸而能夠形成具有一定半徑及高度的云團(tuán)的泄漏源為瞬時(shí)源。瞬時(shí)源具有泄放時(shí)間短、泄放速率快的特點(diǎn)。例如，室內(nèi)液化石油氣鋼瓶破裂或接口脫落、燃?xì)夤艿罃嗔训仍蛟斐傻耐蝗淮罅繗怏w泄漏屬于瞬時(shí)源；由于容器或管道系統(tǒng)腐蝕穿孔、接口及閥門(mén)密封材料老化等原因而產(chǎn)生氣體泄漏的泄漏源為連續(xù)源，其特點(diǎn)是泄漏時(shí)間長(zhǎng)，并且較穩(wěn)定。
??? 為了簡(jiǎn)化計(jì)算泄漏的燃?xì)饬?span>。認(rèn)為當(dāng)室內(nèi)管遭系統(tǒng)發(fā)生泄漏時(shí)管道內(nèi)的壓力受泄漏狀態(tài)的影響較小而忽略不計(jì)，泄漏源為定常態(tài)連續(xù)源，即泄漏強(qiáng)度是與泄漏時(shí)間無(wú)關(guān)的穩(wěn)定量。燃?xì)庑孤┑绞覂?nèi)環(huán)境中的質(zhì)量可由下式確定：
??? m=qmt??? (1)
式中m——燃?xì)庑孤┝?，kg
??? qm——燃?xì)庑孤?qiáng)度，kg/s
??? t——泄漏時(shí)間，s
??? 為了建立燃?xì)庑孤┖笮纬傻臐舛饶Ｐ停饕韵录僭O(shè)：泄漏的燃?xì)夂褪覂?nèi)空氣的混合過(guò)程瞬間完成，認(rèn)為泄漏到室內(nèi)的燃?xì)鉂舛瘸示鶆蚍植迹皇覂?nèi)存在不同程度的自然通風(fēng)，認(rèn)為通風(fēng)為等溫過(guò)程；室外空氣及開(kāi)始泄漏之前室內(nèi)空氣中燃?xì)夂烤鶠榱恪?/font>
??? 根據(jù)以上假設(shè)，則在微小的時(shí)間間隔dt內(nèi)，燃?xì)庑孤┑绞覂?nèi)的質(zhì)量與從室內(nèi)排出的質(zhì)量之差應(yīng)該等于整個(gè)房間內(nèi)燃?xì)赓|(zhì)量的變化量，即：
??? qmdt-ρqvdt=VFdρ??? (2)
ρt=0=0??? ??????????(3)
式中ρ——燃?xì)獾馁|(zhì)量濃度，kg/m3
qv——單位時(shí)間通風(fēng)量，m3/s
VF——房間容積，m3
將式(2)變形為微分形式并運(yùn)用初始條件式(3)對(duì)其積分可得下式：
?
對(duì)式(4)進(jìn)行交換，可得到任意時(shí)刻室內(nèi)燃?xì)赓|(zhì)量濃度計(jì)算公式：
?
1.2 濃度模型的簡(jiǎn)化
當(dāng)式(6)成立時(shí)，可對(duì)非線(xiàn)性函數(shù)式(4)進(jìn)行簡(jiǎn)化。將等式右側(cè)用冪級(jí)數(shù)展開(kāi)并忽略高階無(wú)窮小項(xiàng)，近似取展開(kāi)式前兩項(xiàng)進(jìn)行，則式(4)可簡(jiǎn)化為用于確定單位時(shí)間通風(fēng)量的計(jì)算式(7)。
?
當(dāng)泄漏時(shí)間t趨近無(wú)窮大時(shí)，有式(8)成立。此時(shí)，可近似認(rèn)為室內(nèi)燃?xì)鉂舛纫掩呌诜€(wěn)定，則式(5)可簡(jiǎn)化為式(9)。
? 
實(shí)際工程中，一般習(xí)慣用房間換氣次數(shù)來(lái)表示單位時(shí)間的通風(fēng)量，房間換氣次數(shù)按下式確定：
?
式中n——房間換氣次數(shù)，次/h
引入房間換氣次數(shù)后，式(5)、(7)和(9)可分別改寫(xiě)為如下形式：
?
2 燃?xì)庑孤舛饶M計(jì)算與分析
??? 本文對(duì)3中常用的城市燃?xì)?焦?fàn)t煤氣、天然氣、氣態(tài)液化石油氣)泄漏后在室內(nèi)環(huán)境形成的質(zhì)量濃度與泄漏時(shí)間、泄漏強(qiáng)度、換氣次數(shù)，房間容積的關(guān)系進(jìn)行了模擬分析。所選用的3中燃?xì)獾慕M成見(jiàn)表1。通過(guò)計(jì)算，確定上述3種城市燃?xì)獾馁|(zhì)量爆炸下限[5]：焦?fàn)t煤氣為21.95g/m3，天然氣為37.87g/m3，LPG為41.79g/m3。
表1 焦?fàn)t煤氣、天然氣與液化石油氣的組成
%
燃?xì)饷Q(chēng) | 體積分?jǐn)?shù)/% |
H2 | C0 | CH4 | C2H6 | C3H6 | C3H8 | C4H8 | C4H10 | C5+ | N2 | 02 | C02 |
焦?fàn)t煤氣 | 59.O | 8.6 | 23.6 | 0.0 | 2.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 1.2 | 3.6 | 2.0 |
天然氣 | 0.0 | 0.0 | 96.5 | 0.2 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 1.7 | 0.0 | 1.0 | 0.0 | O.6 |
LPG | O.0 | 0.0 | 1.5 | 1.0 | 9.0 | 4.5 | 54.0 | 26.2 | 3.8 | 0.O | 0.0 | 0.O |
?在模擬計(jì)算時(shí)，作如下沒(méi)定條件：燃?xì)馔ㄟ^(guò)室內(nèi)管道系統(tǒng)穿孔泄漏且泄漏強(qiáng)度為常量；燃?xì)庑孤┖笈c房間內(nèi)空氣的混合過(guò)程瞬間完成，忽略泄漏源位置對(duì)房間燃?xì)鉂舛确植嫉挠绊?，因此?jì)算的濃度為與空間位置無(wú)關(guān)的整個(gè)房間的均一濃度；泄漏房間可通過(guò)門(mén)窗改變通風(fēng)量且不考慮門(mén)窗位置，認(rèn)為通風(fēng)對(duì)室內(nèi)燃?xì)鉂舛鹊南♂屖蔷鶆虻?；?duì)于房間容積的選取，由于目前我國(guó)城鎮(zhèn)居民住宅廚房的面積差異較大，根據(jù)建設(shè)部2006年發(fā)布的《住宅整體廚房》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于未來(lái)新建住宅廚房的使用面積不應(yīng)小于4m2，本文計(jì)算時(shí)取廚房使用面積為2～17m2，按國(guó)標(biāo)規(guī)定居民建筑的凈層高不小于2.6m，因此廚房的容積為5～45m3。
?? ?① 燃?xì)赓|(zhì)量濃度與泄漏時(shí)間的關(guān)系
燃?xì)庑孤┑绞覂?nèi)環(huán)境后，隨著時(shí)間的推移，燃?xì)鉂舛入S之發(fā)生變化。為了分析泄漏房間內(nèi)燃?xì)赓|(zhì)量濃度與泄漏時(shí)間的關(guān)系，計(jì)算時(shí)考慮居民住宅廚房大小，選取房間體積為15m3，泄漏強(qiáng)度為1.0g/s，通過(guò)改變換氣次數(shù)進(jìn)行模擬，結(jié)果見(jiàn)圖1?？梢钥闯觯谛孤?qiáng)度一定的條件下，燃?xì)鉂舛仁芡L(fēng)的影響較大，且換氣次數(shù)越大影響越明顯。當(dāng)換氣次數(shù)大于5.0次/h、泄漏時(shí)間大于1500s時(shí)，室內(nèi)燃?xì)獾馁|(zhì)量濃度基本趨于穩(wěn)定。而當(dāng)換氣次數(shù)較小時(shí)，在泄漏時(shí)間內(nèi)通風(fēng)對(duì)泄漏燃?xì)鉂舛鹊南♂屪饔幂^弱。
