摘要：對(duì)不同氣源，采用兩種模型計(jì)算了地下燃?xì)夤艿朗鹿市孤U(kuò)散范圍，作為采取應(yīng)急措施的參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿?；泄漏；擴(kuò)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?xì)庑孤U(kuò)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?xì)獾叵鹿芫W(wǎng)第三方影響事故作為研究對(duì)象，從事故發(fā)生后應(yīng)急救援的角度，針對(duì)天然氣和液化石油氣分兩種模型計(jì)算事故發(fā)生后燃?xì)庠诖髿庵械臄U(kuò)散范圍。
1 燃?xì)鈹U(kuò)散的特點(diǎn)
??? 目前我國(guó)城鎮(zhèn)民用管道燃?xì)庵饕幸夯蜌?、天然氣和人工煤?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(dòng)擴(kuò)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(kuò)散。
浮性氣體的密度比空氣小，泄漏以后受到大氣夾帶進(jìn)行被動(dòng)擴(kuò)散并得到稀釋，擴(kuò)散過程中表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)；重氣由于自身的密度大于空氣，泄漏后向地面下沉，會(huì)有坍塌現(xiàn)象，并沿地面擴(kuò)展形成低平氣云。兩種擴(kuò)散模式應(yīng)區(qū)別對(duì)待，天然氣、人工煤氣適用于高斯擴(kuò)散模型，而液化石油氣泄漏屬于重氣擴(kuò)散，這里選用Manju Mohan等發(fā)展的箱模型。
2 影響泄漏擴(kuò)散范圍的主要因素
??? 燃?xì)獾拇髿鈹U(kuò)散過程與管道的壓力、泄漏面積、地面風(fēng)速、所在城市的大氣穩(wěn)定度、風(fēng)向等主要參數(shù)有關(guān)[1]：
??? ①管道的泄漏壓力越高、面積越大，則泄漏源強(qiáng)越強(qiáng)，泄漏氣體擴(kuò)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(xué)中將空氣的穩(wěn)定程度分成強(qiáng)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(jí)，分別用A、B、C、D、E、F表示。它表征湍流活動(dòng)的強(qiáng)弱，支配大氣對(duì)泄漏氣體的稀釋擴(kuò)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(kuò)散。
??? ③風(fēng)向決定泄漏氣體的擴(kuò)散方向，風(fēng)速?zèng)Q定泄漏氣體擴(kuò)散速度。風(fēng)速較高時(shí)，大氣夾帶泄漏氣體的能力強(qiáng)(稀釋泄漏氣體能力強(qiáng))，下風(fēng)向上泄漏氣體擴(kuò)散濃度小，此時(shí)泄漏氣體擴(kuò)散的范圍就也會(huì)相應(yīng)較風(fēng)速低的情況小。因此風(fēng)速高時(shí)，泄漏氣體擴(kuò)散速度快，但是擴(kuò)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(kuò)散也會(huì)受到抑制。本文暫不考慮這一點(diǎn)的影響。
3 問題條件的設(shè)定
??? 選取一個(gè)城市中燃?xì)獾叵鹿艿辣坏谌狡茐?，管道被挖斷后時(shí)間較長(zhǎng)未切斷氣源，暴露于地上，對(duì)泄漏后擴(kuò)散情況進(jìn)行計(jì)算，初始條件按常見情況設(shè)定。設(shè)環(huán)境溫度為25℃，地面平均風(fēng)速為2m/s，大氣穩(wěn)定度為D級(jí)(中性穩(wěn)定)，管徑為60mm。管道內(nèi)氣源設(shè)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(jì)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(xiàng)目 | 等熵指數(shù) | 摩爾質(zhì)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(kuò)散計(jì)算
4．1 天然氣泄漏源強(qiáng)計(jì)算[2]
??? 氣體從裂口泄漏的源強(qiáng)與其流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。因此，要首先判斷泄漏時(shí)氣體流動(dòng)屬于聲速流動(dòng)還是亞聲速流動(dòng)，前者稱為臨界流，后者稱為次臨界流。
??? 當(dāng)下式成立時(shí)，氣體流動(dòng)屬聲速流動(dòng)，否則為亞聲速流動(dòng)：
?
式中P0——環(huán)境壓力，Pa
??? p——管道壓力，Pa
??? κ——?dú)怏w等熵指數(shù)
??? 代入天然氣的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得出式(1)成立所以此時(shí)天然氣泄漏為聲速流動(dòng)。取氣體泄漏系數(shù)Cd=1，裂口面積A=0.0028m2。氣體呈聲速流運(yùn)時(shí)，其泄漏源強(qiáng)為：
?
?
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式中qm——泄漏源強(qiáng)，g/s
?? ??Y——?dú)怏w膨脹因子，氣體為聲速流動(dòng)時(shí)，取1
? ?? Cd——?dú)怏w泄漏系數(shù)，當(dāng)裂口形狀為圓形時(shí)取1.00，三角形時(shí)取0.95，長(zhǎng)方形時(shí)取0.90
??? A——裂口面積，m2
??? M——?dú)怏w摩爾質(zhì)量，kg/kmol
??? R——摩爾氣體常數(shù)，8 314 J/(mol·K)
??? T——?dú)怏w溫度，K
將相應(yīng)參數(shù)代入式(2)，計(jì)算得到天然氣泄旆源強(qiáng)qm=1484.12g/s。
4．2 天然氣擴(kuò)散范圍計(jì)算
天然氣、人工煤氣可以采用高斯模型。高斯移型主要應(yīng)用于大氣擴(kuò)散浮性氣體或中性氣體的擴(kuò)黃計(jì)算，它提出的時(shí)間較早，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多，模型簡(jiǎn)單便于計(jì)算，并且計(jì)算值與試驗(yàn)值能較好吻合，國(guó)際上許多標(biāo)準(zhǔn)都是以高斯模型為標(biāo)準(zhǔn)制訂的，是目前較蔓成熟并且應(yīng)用最多的一種模型[3、4]。對(duì)于連續(xù)源由于源持續(xù)排放，可以認(rèn)為質(zhì)量濃度處于定常狀態(tài)即質(zhì)量濃度不隨時(shí)間變化，僅是空間坐標(biāo)的函數(shù)，應(yīng)按下式計(jì)算，其中，模型的坐標(biāo)系是以下風(fēng)向?yàn)閤軸，豎直高度為z軸，與下風(fēng)向垂直方向?yàn)閥軸。
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式中p(x，y，z)——?dú)怏w質(zhì)量濃度，mg/m3
??? μ——地面平均風(fēng)速，m/s
??? σy、σz——y、z方向的擴(kuò)散參數(shù)，查HJ/T
??? 2.2—93《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)購(gòu)大氣環(huán)境》可得
??? 由公式(3)，算出三組離散點(diǎn)，畫出質(zhì)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(dāng)y=0時(shí)的擴(kuò)散距離x值為最大。經(jīng)計(jì)算得出擴(kuò)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
