摘要：預(yù)防和控制燃?xì)庑孤┦鹿实陌l(fā)生以及合理評(píng)價(jià)燃?xì)馐鹿实娘L(fēng)險(xiǎn)，是燃?xì)廨斶\(yùn)安全領(lǐng)域研究的重點(diǎn)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(duì)燃?xì)馐鹿蔬M(jìn)行預(yù)防、控制和評(píng)價(jià)，提出了基于首末端監(jiān)控的雙向同步仿真與實(shí)地監(jiān)測(cè)相結(jié)合的時(shí)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(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，并針對(duì)其實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討和分析：以增加耗散項(xiàng)和初始點(diǎn)、延長(zhǎng)出口點(diǎn)的方法，簡(jiǎn)化了動(dòng)態(tài)仿真模型求解過(guò)程，增加了結(jié)果的穩(wěn)定性；建立了變孔徑泄漏及擴(kuò)散綜合計(jì)算模型，運(yùn)用格林函數(shù)得出了其相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)解析公式，彌補(bǔ)了非定常泄漏研究及其擴(kuò)散技術(shù)模型無(wú)法對(duì)泄漏擴(kuò)散濃度做出合理可靠分析的不足；對(duì)燃?xì)鉂舛葮O限和沖擊波致人傷亡的危險(xiǎn)性給予了分析。

關(guān)鍵詞：燃?xì)夤艿溃恍孤?；預(yù)警；GIS定位；區(qū)域；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

??? 城市燃?xì)夤芫W(wǎng)是一個(gè)分布在人口和建筑集中區(qū)域的復(fù)雜系統(tǒng)，其安全運(yùn)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(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)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(píng)價(jià)燃?xì)馐鹿实娘L(fēng)險(xiǎn)，成為燃?xì)廨斶\(yùn)安全領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。泄漏位置的確定^[4～7]是預(yù)防和控制燃?xì)庑孤┦鹿省⒃u(píng)定燃?xì)庑孤┦鹿屎蠊幕A(chǔ)，也是目前燃?xì)廨斶\(yùn)安全領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還存在較多的問題。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在燃?xì)廨斶\(yùn)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(lái)進(jìn)行分析。為了能夠更科學(xué)合理地對(duì)燃?xì)馐鹿蔬M(jìn)行預(yù)防、控制和評(píng)價(jià)，對(duì)圍繞燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏定位、動(dòng)態(tài)泄漏的泄漏率及泄漏量的分析計(jì)算、泄漏燃?xì)獾臄U(kuò)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(xiǎn)評(píng)價(jià)等進(jìn)行了初步的探討，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

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

1.1.1黃色泄漏報(bào)警

??? 當(dāng)燃?xì)庑孤┦鹿拾l(fā)生時(shí)，為了安全、快速、便捷地進(jìn)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(shí)給予預(yù)警。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)處由于管道內(nèi)外的壓差，流體迅速流失，壓力下降，泄漏點(diǎn)兩邊的流體由于存在壓差而向泄漏點(diǎn)處補(bǔ)充，這一過(guò)程依次向上下游傳遞。因此，當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)相關(guān)信息傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)得的壓力、流量參數(shù)將與同一時(shí)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(shí)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(tái)同時(shí)對(duì)管線兩端的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，對(duì)比前后兩時(shí)刻首末端壓力參數(shù)，如果差值較大，則此時(shí)發(fā)出黃色泄漏報(bào)警。

1.1.2橙色泄漏報(bào)警及誤報(bào)排除

??? 為確保報(bào)警精度及排除誤報(bào)警，此時(shí)分別利用該時(shí)刻首端和末端參數(shù)分別為初始條件對(duì)管網(wǎng)進(jìn)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(shí)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(shí)刻仿真壓力分布曲線)。如果此時(shí)曲線2和曲線3首末端的壓力相對(duì)誤差均較大，且不在仿真允許誤差范圍內(nèi)，則此時(shí)可發(fā)出橙色泄漏報(bào)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(shí)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(shí)則可解除泄漏報(bào)警。

?

1.1.3紅色泄漏報(bào)警及誤報(bào)排除

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

1.2.1泄漏預(yù)警基礎(chǔ)時(shí)間確定

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

1.2.2監(jiān)控及仿真時(shí)間間隔的確定

??? 一般說(shuō)來(lái)，泄漏監(jiān)控及仿真數(shù)據(jù)時(shí)間間隔越小越好，但是根據(jù)2.1中黃色報(bào)警最小時(shí)間理論來(lái)看，在實(shí)際運(yùn)行中時(shí)間間隔需要考慮采集系統(tǒng)的設(shè)置，同時(shí)仿真軟件在針對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行仿真時(shí)也是需要一定時(shí)間的。如果針對(duì)全程監(jiān)控管道而言，則△τ可以取一個(gè)較小的值，以實(shí)現(xiàn)理論時(shí)間報(bào)警。

1.2.3泄漏預(yù)警時(shí)差最小化時(shí)間

??? 根據(jù)上述分析可知，文獻(xiàn)[4]、[5]所得到的時(shí)間不可能是實(shí)際運(yùn)行中得到發(fā)出最終警報(bào)的最短時(shí)間，在實(shí)際情況下，當(dāng)泄漏事故發(fā)生時(shí)，真正的最短報(bào)警時(shí)間應(yīng)該是發(fā)出黃色預(yù)警時(shí)間(τ_y)、橙色預(yù)警時(shí)間(τ_o)和紅色預(yù)警時(shí)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(shí)間的關(guān)鍵，而τ_y為：

?

??? 目前針對(duì)監(jiān)控點(diǎn)實(shí)施實(shí)時(shí)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(gè)較小的時(shí)間。此時(shí)，τ_y可用泄漏信息傳播所需時(shí)間min(τ₁，τ₂，τ₃)來(lái)近似表示。故此，泄漏最小化時(shí)間可簡(jiǎn)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(diǎn)所在的離散點(diǎn)所代表區(qū)域即為泄漏點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算得到。

由于泄漏報(bào)警需要采用系統(tǒng)仿真來(lái)進(jìn)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(duì)管網(wǎng)動(dòng)態(tài)非等溫仿真模型已進(jìn)行了一定的研究，但其在工程實(shí)際方面的應(yīng)用國(guó)內(nèi)還鮮有報(bào)道。動(dòng)態(tài)非等溫?cái)?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(jiǎn)化，求解結(jié)果可靠性大大降低，同時(shí)其求解結(jié)果方法也相對(duì)較為煩瑣^[1]。在此，將針對(duì)動(dòng)態(tài)非等溫仿真模型的求解方法給予改進(jìn)。

?

??? 根據(jù)Crank-Nicolson格式，并通過(guò)在方程的右端添加四階耗散項(xiàng)和耗散格式修正項(xiàng)以避免定常數(shù)值解中出現(xiàn)奇偶失聯(lián)波動(dòng)并增強(qiáng)格式穩(wěn)定性。同時(shí)，為了保證模型求解過(guò)程的穩(wěn)定性，在公式左端添加二階耗散項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]的簡(jiǎn)化條件和方法，將采用延長(zhǎng)初始時(shí)刻和延長(zhǎng)出口點(diǎn)數(shù)的方法以簡(jiǎn)化的求解。

??? 燃?xì)夤芫W(wǎng)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)將從泄漏率和泄漏量、泄漏動(dòng)態(tài)擴(kuò)散、火災(zāi)爆炸事故危險(xiǎn)性、事故概率、事故區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等方面入手進(jìn)行分析。

??? 當(dāng)燃?xì)廨斶\(yùn)管道發(fā)生大孔徑泄漏時(shí)，由于氣源的存在，在一定時(shí)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(dòng)或人為切斷后，泄漏將會(huì)呈現(xiàn)出一種泄漏率逐漸降低，直到停止的過(guò)程。目前泄漏擴(kuò)散的研究，還無(wú)法對(duì)上述泄漏情況的擴(kuò)散濃度做出合理可靠的分析。為此，將針對(duì)燃?xì)鈩?dòng)態(tài)泄漏擴(kuò)散模型結(jié)合穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散模型來(lái)進(jìn)行分析。

根據(jù)質(zhì)量守恒方程可以得到此時(shí)非穩(wěn)態(tài)泄漏率的表達(dá)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(shí)刻的P、T、ρ、Q_m、m的計(jì)算關(guān)系式^[1]，運(yùn)用格林函數(shù)可得出其溫度和壓力經(jīng)驗(yàn)解析公式如下：

???

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