天然气管道泄漏扩散实时计算与燃爆危害预测研究

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查看11702 | 回复10 | 2014-3-25 10:12:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
天然气在输送过程中,由于管道系统连接件之间的密封不严、腐蚀穿孔、人为管理不善等因素引起的天然气泄漏、火灾和爆炸事故在国内外屡见不鲜。例如:1989年前苏联乌拉尔山区一条输气干线泄漏后发生爆炸,造成600多人死亡[1 ]。1997年7月发生在北京市的天然气管道泄漏爆炸事故,造成了严重的人员伤亡和财产损失[2 ]。

天然气管道事故首先由泄漏引起并在空气中扩散。扩散过程影响因素较多,模拟较为复杂,为此国内外学者对气体扩散的数值计算进行了大量研究。常用的计算模型有高斯模型(可细分为烟羽模型和烟团模型)、BM模型[3 ]、Sutton模型[4 ]、FEM3模型[5 ,6 ]等。国内学者则对高斯模型和Sutton模型进行了修正,考虑了重力、浮力和初始速度对扩散的影响[7 ]。一般来说BM模型、FEM3模型等计算数据量较大,若用于扩散模拟则实时性较差。天然气泄漏扩散后满足一定条件便会发生火灾或爆炸,对火灾和爆炸的研究主要是对其伤害效应的研究,热辐射是火灾和爆炸所产生巨大伤害效应的表现形式[8 ],冲击波则是爆炸所产生的主要伤害形式[9 ],发生火灾和爆炸往往引起重大的经济损失和社会危害。

因此,快速模拟计算天然气管道的泄漏扩散过程,了解天然气泄漏后的火灾及爆炸灾害过程,预测辐射热及冲击波的危害范围,可为准确制定天然气管道的安全运行和抢修规程提供依据,对于天然气长输管道应急救援决策指挥具有重要的意义[10 -12 ]。

本文针对天然气长输管道,采用修正后的高斯烟羽模型,能够迅速计算出扩散浓度场,计算时间小于1分钟,可以达到“实时”效果,有利于快速应急救援。选择合适的模型求解爆炸场,并选择恰当的伤害准则来判断热辐射和冲击波的影响,开发了天然气管道火灾和爆炸伤害分析系统。最后通过一个事故实例验证了本文所采用的泄漏和危害预测模型是正确有效的。

1  天然气泄漏扩散实时计算
1.1  泄漏速度和泄漏量
分析管道泄漏,目前广泛采用的有Levenspie[13 ]、Crowl[14 ]等人提出的孔隙模型和管道模型。前者视管道为一大容器,并假设其内部压力保持不变。这种模型未考虑因紧急切断装置动作而形成的不稳定状态,出流处恒定的流速和状态参数均比实际偏大,且只适用于泄漏口径很小(相对管道尺寸)的情况。而后者只适用于管道完全破裂的情况。天然气管道的泄漏事故规模一般是按照泄漏孔径的大小划分的。总的来说,小规模(小孔径)泄漏事故发生的可能性较大,大规模(大孔径)泄漏事故发生的可能性较小。因此,可以假设天然气管道泄漏的过程为小孔流出方式。小孔排出气体可被看作是绝热过程,天然气按理想气体考虑,利用伯努利方程和绝热方程,泄漏速度V0的计算公式为[15 ]:



1.2  高斯烟羽模型及修正
高斯模型适用于点源的扩散,早在五、六十年代就已被应用。高斯烟羽模型适用于连续源的扩散,高斯烟团模型适用于短时间泄漏的扩散[16 ],考虑天然气长输管道的本文实际情况,采用高斯烟羽模型。
烟羽模型的假设如下[ , ]:1)定常态,即所有的变量不随时间变化;2)适用于密度与空气相差不多的气体的扩散(不考虑重力或浮力的作用),且在扩散过程中不发生化学反应;3)扩散气体的性质与空气相同;4)扩散质达到地面时,完全反射,没有任何吸收;5)在下风向上的湍流扩散相对于移流相可忽略不计,这意味着该模型只适用于平均风速不小于1m/s 的情形;6)坐标系的x轴与流动方向重合,横向速度分量、垂直速度分量均为0;7)假定地面水平。烟羽模型的浓度分布算式为:


尽管诸多假设使烟羽模型的使用受到了限制,例如未考虑重力影响,只适用于轻气体或与空气密度相差不多的气体的扩散,但该模型仍被广泛应用。究其原因有以下几点:1)该模型提出较早,试验数据多,较为成熟;2)模型简单,易于理解,计算方便;3)计算结果与试验值能较好吻合。
考虑到高斯烟羽模型的不足,本文考虑风速的影响,对其进行了修正,主要包括:1) 将高斯烟羽模型的三维直角坐标系,改成沿天然气扩散中心轴线的三维曲线坐标。2) 对风速进行修正,修改为风速与竖直速度叠加后的合速度。3) 将高斯模型计算的结果高斯分布在中心轴线上,这样就能得出更加符合实际的天然气浓度场。

1.3  泄漏扩散实时计算结果
随着计算机技术和泄漏检测技术的发展,软硬件结合的泄漏检测方法逐渐成为当前研究的热点。利用管道数据采集与监控系统(Supervisory Control and Data Acquisition,简称SCADA)能收集远处现场的过程变量的状态,如阀位、泵状态、温度、流量、压力等状态瞬时值,并通过通讯线路将这些信息传送到控制中心,已应用于我国油、气长输管道中[19 ,20 ]。利用SCADA系统实时获得管道状态数据,结合快速的高斯烟羽泄漏扩散模型就可以实时计算天然气扩散结果。


式中:a表示紊流系数;s表示射流距离;dl表示泄漏孔半径;Vm表示圆断面射流的轴心速度;R为气体常数;T为气体温度;M为天然气分子量;其余符号意义同前。

由以上各式联立可计算得到泄漏孔半径dl以及泄漏量Q,为基于SCADA系统的实时扩散计算提供了基础。
应用上述方法,采用VB6.0编制程序,算例分析如下:

取天然气管道输送压力3MPa,管道正上方泄漏口半径0.2m,天然气绝热指数1.3,环境温度300K,环境压力101.325KPa,风速5m/s。应用上述分析,计算天然气浓度场,确定5%浓度边界。计算结果如下图1所示,并以此作为基准;然后变化地面风速为20m/s,其余条件同基准,计算结果如图2所示;变化管内压力为5MPa,其余条件同基准,计算结果如图3所示;采用FLUENT软件数值模拟,全部条件同基准,计算结果如图4所示;用未修正的高斯模型计算,全部条件同基准,计算结果如图5所示。


图4  输送压力3MPa,风速5m/s时采用FLUENT数值模拟的5%浓度边界        图5  输送压力3MPa,风速5m/s时采用未修正的高斯模型计算的5%浓度边界

以上图中可以看出:
(1)由图1可以看出天然气在泄漏口附近,竖直方向的速度也即初始喷射作用占主要地位,随着高度的增加,射流作用减弱,水平风速的作用逐渐显现出来。
(2)图1与图2比较可以看出,风速越大,平流输送作用和紊流扩散作用均增大,导致气体浓度下降较快,危险范围高度明显下降。
(3)图1与图3比较可以看出,管内压力越大,泄漏速率越大,其他条件相同时,危险范围明显增大。
(4)图1与图5比较可以看出,采用修正后的高斯模型计算时,天然气明显上升,而未修正的则在水平方向偏移,没有射流与浮力的作用,修正后明显更加贴合实际。
(5)比较图1与图4,图5与图4,发现图1虽然还有一定误差,但是其精度已远大于未修正的高斯模型。
(6)本例计算时间大约为1分钟,对应急决策具有实际指导意义。采用FLUENT数值模拟的优点是精度高,但是耗时较多,采用这两种扩散计算方法可以互相补充,给现场应急指挥提供有力参考。

2  天然气泄漏形成火灾和爆炸的危害预测
火灾的破坏形式主要是燃烧产生的大量热辐射,其破坏效应主要是热伤害效应。爆炸过程的主要破坏形式包括震荡、冲击波、碎片冲击和造成火灾等。





2.2  天然气泄漏形成爆炸的危害模型
2.2.1  爆炸产生的冲击波危害效应
当天然气管道发生泄漏后,形成的气云一旦发生爆炸,产生的爆炸波效应和热伤害效应会对人身安全及生命财产产生重大的威胁。但是由于多方面的原因,预先评价气云爆炸的爆炸后果极其困难。本文确定爆炸的伤害采用超压准则[9],具体计算公式不再赘述,本文设置的爆炸冲击波各种伤害半径的条件如下:
(1)死亡区半径
处于该区内的人员如缺少防护,则被认为将无一例外地蒙受严重伤害或死亡。其内径为零,外径记为R1,表示外圆周处人员因冲击波作用导致肺出血而死亡的概率为0.5,为保守起见,本文取此临界超压为100 KPa,根据半球型模型求得的各点处的超压值,即可确定接近或者大于等于100 KPa的位置即为死亡区的边界及其半径R1。
(2)重伤区半径
处于该区内的人员如缺少防护,则被认为绝大多数将遭受严重伤害,极少数人可能死亡或受轻伤。其内径为死亡半径R1,外径记为R2,表示该处人员因冲击波作用而导致耳膜破裂的概率为0.5,也即要求冲击波峰值超压为44 KPa,据此可以确定重伤区范围的边界及其半径R2。
(3)轻伤区半径
处于该区内的人员如缺少防护,则被认为绝大多数人员将遭受轻微伤害,少数人会受重伤或平安无事,死亡的可能性极小。其内径为重伤区的外径R2,外径为R3,表示边界处因冲击波作用而导致耳膜破裂的概率为0.01,也即要求冲击波峰值超压为17 KPa。据此可以确定轻伤区范围的边界及其半径R3。
(4)对建筑物的伤害
目前还无气云爆炸波作用下房屋的破坏判据,本文采用TNT当量法[ 22]预测在气云爆炸波作用对房屋的破坏距离。房屋Cb级破坏距离R4和房屋破坏至不能居住的距离R5分别为:



2.3  火灾和爆炸危害预测分析系统的设计




根据上述计算方法与模型,本文开发了一套火灾和爆炸伤害分析系统(FAEHAS:Fire And Explosion Hazards Analysis System),有利于进行火灾和爆炸危害的评价工作。
火灾和爆炸伤害分析系统主要包括火灾危险预测和爆炸危险预测两部分。在火灾危险预测部分,输入相应的管径、大气温度、风速、气体泄漏前压力、天然气密度和泄漏孔径等参数进行预测计算。在爆炸危险预测部分,输入相应的管径、大气温度、风速、气体泄漏前压力、天然气密度、泄漏孔径和管内气体温度等参数进行相应的预测计算。分析系统主要部分的程序界面如图8和图9所示。

3  泄漏扩散和危害模型的校核
从SCADA系统中获取数据(管道起始压力,管内气体温度,天然气的密度,管道直径,两阀室之间的距离,大气的温度,泄漏三分钟后管道内的压力等数据),结合气象数据,就可以给出天然气泄漏扩散实时计算结果并根据危害模型评估危害结果。
为了验证天然气管道泄漏扩散模型,火灾、爆炸计算模型和评价模型的合理性,本文结合工程实例进行评价校核。浙江省某一天然气管道因受挤压变形后出现管道破裂,导致天然气泄漏后遇火种发生爆燃,其对环境的实际危害如图10所示。



上图中出现的各个距离都是出现火灾爆炸伤害的地方,其中星形符号代表树木或枯草受辐射热影响的地方,三角形符号代表受爆炸冲击波影响有散落泥块的地方。此管线输送压力为3.5MPa,起点温度为290K。管线直径为800mm,管内天然气在标准状态下的密度为0.72kg/m3,管线内的天然气的压缩因子取0.9。环境温度为300K。

3.1  爆炸冲击波的校核
当管道发生断裂,即泄漏孔径为800mm时,上图中306m处和229m处的因爆炸泥块的散落情况如图11和图12所示。



从上面两图的比较结果看,图12中爆炸抛射处的黑色泥块较图11大,而且多,这主要是由于图12位置距离爆炸点比图11中的近。
为对计算结果进行校核,以冲量方程为基础,计算泥块在空中被抛射的运行时间进而泥块被炸出的距离,在计算中假设最大超压持续时间为0.01s,抛射泥块为较小泥块,取质量为0.1kg,直径为0.01m,综上分析通过计算得知,抛射泥块的计算位置距离泄漏孔336m。由于本文的计算是在遵循最安全性原则,所以计算的距离比实际距离远,而且这也满足了在工程上的安全性和实际需要。所以本文采用此计算方法在一定的误差范围内是可以用来评价爆炸冲击波产生危害的。

3.2  热辐射的校核
距离爆炸着火点96m处的爆炸伤害情况如图13所示。从图13中可以看出,此处一棵缠绕了草绳的大树,面向着火点一侧的草绳已经燃烧掉,而另一侧则没有燃烧,说明了这是瞬态燃烧,所以此处应为爆炸火球产生的热辐射。即此次事故产生热辐射的伤害主要是爆炸火球引起的。
通过扩散模拟和计算得知,当空口向上时,5%浓度内的扩散气云受风速影响很小,而且大都关于泄漏点对称;当泄漏孔向下时,当风速大于5m/s时,由于风速太大气云都吹散了,当风速小于5m/s时,气云扩散偏移泄漏孔最大。经过模拟和计算发现在风速为5m/s时,无论风向情况,气云的质心都在10m之内,为遵循最危险原则,取爆炸中心偏移泄漏点10m。
利用爆炸火球模型时,选用和上述相同的初始条件,最后计算的点燃木材的距离为75.3m,枯草点燃和草绳点燃的距离为87m,选取爆炸着火点在泄漏点和偏移泄漏点10m作图,如图14所示:




图14中圆心坐标代表泄漏点,0点代表爆炸着火点,1,2,3点分别代表工程实例中木材燃烧、枯草燃烧和草绳点燃的点;黑色细线小圆代表以泄漏孔为圆心计算出来木材能够点燃的距离,黑色细线大圆代表以泄漏孔为圆心计算出来枯草点燃(或者草绳点燃)的距离,红色粗线圆代表气云偏移后以气云质心(偏移10m),即爆炸点火中心为圆心的计算出的点燃木材和点燃枯草(或者点燃草绳)的距离。
从图14中,可以清楚地看到当以泄漏孔为圆心时,2点和3点在计算范围之外,当以爆炸着火中心为圆心时,该两点则在计算范围之内,这充分说明了气云扩散对爆炸着火带来的影响,考虑气云扩散充分遵循了最危险原则。所以本文采用的计算热辐射的计算方法在一定的误差范围内是可以用来计算爆炸产生热辐射危害的,也同样验证了泄漏扩散的计算是合理的。
将工程实例的危害结果与计算所得的危害结果进行直接比较,如图15和表1所示。图15中,1,2,3点分别代表工程实例中木材燃烧、枯草燃烧和草绳点燃的距离;4代表工程实例中较小泥块由于爆炸被抛射的距离。A、B、C分别代表计算结果中木材被点燃、草绳被点燃距离及质量为0.1kg、直径为0.01m的泥块由于爆炸被抛射的距离。




4  结论
(1)采用修正后的高斯烟羽模型,考虑风速等影响,对天然气管道泄漏扩散进行模拟计算时能够快速计算出扩散浓度场,对应急决策具有实际指导意义。从计算结果看,风速越大,气体浓度下降较快,危险范围高度明显下降;管内压力越大,泄漏速率越大,其他条件相同时,危险范围明显增大。
(2)以不同计算方法对天然气泄漏扩散进行模拟计算,从比较结果看,修正后的高斯烟羽模型其精度接近于FLUENT软件数值模拟结果,且明显优于未修正的高斯模型。
(3)对泄漏扩散后形成火灾和爆炸危害进行了分析和预测。火灾模型选用射流火灾模型,火灾危害采用概率危害的计算方式;爆炸冲击波采用数值计算,爆炸热效应采用爆炸火球模型,爆炸产生的危害采用超压破坏准则和超压-冲量破坏准则。开发了一套火灾和爆炸伤害分析系统,为火灾和爆炸的评价和管理提供一个实用的工具。
(4)结合某一工程实例,从爆炸冲击波危害和热辐射危害两个方面对所采用的模型进行了校核,校核结果表明,所采用的天然气管道泄漏扩散模型,火灾、爆炸计算模型和评价模型是有效的。

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  发表于 2014-3-26 07:42
大叔 | 2015-2-12 16:03:34 | 显示全部楼层
很好的一篇文章,深受启发。获得了新知识。
syzll | 2015-4-11 08:01:08 | 显示全部楼层
学习知识,永无止境
BBBB | 2015-5-12 09:27:39 | 显示全部楼层

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zuodaye | 2015-5-12 09:31:18 | 显示全部楼层
找了好久,希望这个权威
cst1982 | 2015-5-30 09:31:11 | 显示全部楼层
真的多学学
cst1982 | 2015-6-8 08:22:07 | 显示全部楼层

很好的一篇文章,深受启发。获得了新知识。
依旧浅笑 | 2022-4-19 16:03:59 | 显示全部楼层


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