摘要：對不同氣源，采用兩種模型計算了地下燃氣管道事故泄漏擴散范圍，作為采取應急措施的參考依據(jù)。
關鍵詞：城鎮(zhèn)燃氣管道；泄漏；擴散
Diffusion Analysis of Leaked Gas during Accident of
Underground Gas Pipeline
??? SUN An-na1，DUAN Chang-gui2，ZHOU Wei3，AN Yue-hong5
(1．Planning and Construction Design Institute，Daqing High-tech Industrial Development Zone，Daqing 163316，China；2．Haerbin Institute of Technology，Haerbin 150090，China；3．Shenzhen Gas Group Co．，Ltd．，Shenzhen 518002，China)
Abstract：The diffusion range of leaked gas for different gas sources during accident of underground gas pipeline is calculated with two kinds of models，and it can be used as reference basis for adopting emergency measures．
Key words：city gas pipeline；leakage；diffusion
城市中燃氣泄漏擴散過程多種多樣，比如地上泄漏過程要涉及泄漏位置、建筑物密集程度，地下泄漏過程要涉及土壤空隙率、含水率，是否遇到地下密閉空間等等。本文選取燃氣地下管網(wǎng)第三方影響事故作為研究對象，從事故發(fā)生后應急救援的角度，針對天然氣和液化石油氣分兩種模型計算事故發(fā)生后燃氣在大氣中的擴散范圍。
1 燃氣擴散的特點
??? 目前我國城鎮(zhèn)民用管道燃氣主要有液化石油氣、天然氣和人工煤氣3種，其中后兩者氣態(tài)密度為O.4—0.8kg/m3，小于空氣，為浮性氣體，泄漏后為浮性氣體被動擴散；液化石油氣的氣態(tài)密度為1.9—2.5kg/m3，比空氣重，泄漏后屬于重氣擴散。
浮性氣體的密度比空氣小，泄漏以后受到大氣夾帶進行被動擴散并得到稀釋，擴散過程中表現(xiàn)出上升的趨勢；重氣由于自身的密度大于空氣，泄漏后向地面下沉，會有坍塌現(xiàn)象，并沿地面擴展形成低平氣云。兩種擴散模式應區(qū)別對待，天然氣、人工煤氣適用于高斯擴散模型，而液化石油氣泄漏屬于重氣擴散，這里選用Manju Mohan等發(fā)展的箱模型。
2 影響泄漏擴散范圍的主要因素
??? 燃氣的大氣擴散過程與管道的壓力、泄漏面積、地面風速、所在城市的大氣穩(wěn)定度、風向等主要參數(shù)有關[1]：
??? ①管道的泄漏壓力越高、面積越大，則泄漏源強越強，泄漏氣體擴散范圍越大。
??? ②大氣穩(wěn)定度是指空氣的穩(wěn)定程度，污染氣象學中將空氣的穩(wěn)定程度分成強不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性穩(wěn)定、較穩(wěn)定和穩(wěn)定6級，分別用A、B、C、D、E、F表示。它表征湍流活動的強弱，支配大氣對泄漏氣體的稀釋擴散能力，大氣穩(wěn)定度越高稀釋能力越弱，越不利于氣體的擴散。
??? ③風向決定泄漏氣體的擴散方向，風速決定泄漏氣體擴散速度。風速較高時，大氣夾帶泄漏氣體的能力強(稀釋泄漏氣體能力強)，下風向上泄漏氣體擴散濃度小，此時泄漏氣體擴散的范圍就也會相應較風速低的情況小。因此風速高時，泄漏氣體擴散速度快，但是擴散范圍小。
④建筑物較密集和丘陵山區(qū)等地面粗糙度大的地區(qū)泄漏氣體的擴散也會受到抑制。本文暫不考慮這一點的影響。
3 問題條件的設定
??? 選取一個城市中燃氣地下管道被第三方破壞，管道被挖斷后時間較長未切斷氣源，暴露于地上，對泄漏后擴散情況進行計算，初始條件按常見情況設定。設環(huán)境溫度為25℃，地面平均風速為2m/s，大氣穩(wěn)定度為D級(中性穩(wěn)定)，管徑為60mm。管道內(nèi)氣源設為兩種：
??? ①管道內(nèi)天然氣壓力為0.3MPa，天然氣成分為：CH4、C2H6、C3H8的體積比為91.50：4.74：2.59；
?? ?②液化石油氣管道壓力為0.07MPa，液化石油氣成分為：C3H8、C4H10的體積比為4：6。
? ??經(jīng)計算兩種氣源的物性參數(shù)見表1。
表1 天然氣與液化石油氣物性參數(shù)
Tab．1 Physical parameters of natural gas and LPG
項目 | 等熵指數(shù) | 摩爾質量/(kg·kmol-1) | 密度/(kg·m-3) | 爆炸極限/％ |
下限 | 上限 |
天然氣 | 1.2842 | 17.2 | 0.7080 | 4.60 | 14.57 |
液化石油氣 | 1.1024 | 54.2 | 2.1638 | 1.84 | 8.87 |
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4 天然氣泄漏擴散計算
4．1 天然氣泄漏源強計算[2]
??? 氣體從裂口泄漏的源強與其流動狀態(tài)有關。因此，要首先判斷泄漏時氣體流動屬于聲速流動還是亞聲速流動，前者稱為臨界流，后者稱為次臨界流。
??? 當下式成立時，氣體流動屬聲速流動，否則為亞聲速流動：
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式中P0——環(huán)境壓力，Pa
??? p——管道壓力，Pa
??? κ——氣體等熵指數(shù)
??? 代入天然氣的相關參數(shù)，計算得出式(1)成立所以此時天然氣泄漏為聲速流動。取氣體泄漏系數(shù)Cd=1，裂口面積A=0.0028m2。氣體呈聲速流運時，其泄漏源強為：
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?
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式中qm——泄漏源強，g/s
?? ??Y——氣體膨脹因子，氣體為聲速流動時，取1
? ?? Cd——氣體泄漏系數(shù)，當裂口形狀為圓形時取1.00，三角形時取0.95，長方形時取0.90
??? A——裂口面積，m2
??? M——氣體摩爾質量，kg/kmol
??? R——摩爾氣體常數(shù)，8 314 J/(mol·K)
??? T——氣體溫度，K
將相應參數(shù)代入式(2)，計算得到天然氣泄旆源強qm=1484.12g/s。
4．2 天然氣擴散范圍計算
天然氣、人工煤氣可以采用高斯模型。高斯移型主要應用于大氣擴散浮性氣體或中性氣體的擴黃計算，它提出的時間較早，實驗數(shù)據(jù)多，模型簡單便于計算，并且計算值與試驗值能較好吻合，國際上許多標準都是以高斯模型為標準制訂的，是目前較蔓成熟并且應用最多的一種模型[3、4]。對于連續(xù)源由于源持續(xù)排放，可以認為質量濃度處于定常狀態(tài)即質量濃度不隨時間變化，僅是空間坐標的函數(shù)，應按下式計算，其中，模型的坐標系是以下風向為x軸，豎直高度為z軸，與下風向垂直方向為y軸。
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式中p(x，y，z)——氣體質量濃度，mg/m3
??? μ——地面平均風速，m/s
??? σy、σz——y、z方向的擴散參數(shù)，查HJ/T
??? 2.2—93《環(huán)境影響評價技術導購大氣環(huán)境》可得
??? 由公式(3)，算出三組離散點，畫出質量濃度隘線圖。由于高斯模型的連續(xù)解沿y方向呈正態(tài)分布，當y=0時的擴散距離x值為最大。經(jīng)計算得出擴散范圍見圖1、2。
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Fig．1 Vertical section of diffusion range of natural gas
Fig.2 Horizontal section of diffusion range of natural gas
煉油裝置中管道硫化氫腐蝕及防護
長輸燃氣管道的安全保護距離
