液化石油氣泄漏擴散

液化石油氣泄漏擴散研究【摘要】：對液化石油氣的泄漏擴散進行了初步研究。通過對地面泄漏源模式，泄漏氣體擴散模式的分析，利用氣體湍流擴散微分方程，對不同泄漏源建立相應(yīng)的氣體擴散模型，同時考察了風(fēng)速、泄放速率、氣體密度、周圍環(huán)境等主要因素對氣體擴散過程的影響，用于確定其泄漏范圍及危險性，為液化石油氣泄漏擴散事故的預(yù)防及事故發(fā)生后的應(yīng)急措施提供理論依據(jù)?！娟P(guān)鍵詞】：液化石油氣；泄漏源模式；氣體擴散模式；危險區(qū)預(yù)測引言液化石油氣發(fā)生泄漏后，在外部因素和內(nèi)部濃度梯度的作用下沿地表擴散，形成具有燃燒爆炸危險性的擴散區(qū)域。液化石油氣由于其特殊組分，與其他單一組分物質(zhì)的泄漏擴散相比，過程較為復(fù)雜，包括多種泄漏形態(tài)、閃蒸、蒸發(fā)、絕熱擴散、重氣體擴散和大氣擴散，氣體擴散范圍由于氣象條件、地表情況、泄放條件等因素的影響導(dǎo)致的不確定性，為消防部隊進行現(xiàn)場搶險救援工作增加了難度。本文利用傳質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)、大氣擴散學(xué)的基本原理，對液化石油氣的泄漏擴散行為?；瑢κ鹿式⑾鄳?yīng)的氣體擴散濃度分布模型，用于解決泄漏氣體沿地面擴散危險區(qū)域范圍預(yù)測中的問題。泄漏擴散模式1.1泄漏擴散基本過程液化石油氣，特別是壓力液化石油氣多為C3、C4的混合物，物性與單一組分不同，它的物性情況直接影響泄漏擴散過程。液化石油氣的泄漏擴散過程一般可以分為以下幾個階段：源泄漏排放，包括與瞬時和連續(xù)；初始沖淡，包括閃蒸及絕熱擴散過程，形成低溫氣團，云團濃度分布不均勻；重氣體擴散，高濃度（超過爆炸極限）、低高度（1m左右）云團的濃度分布逐漸趨于均勻；從重氣到大氣擴散的轉(zhuǎn)變，濃度逐漸降低，但仍在爆炸極限濃度范圍內(nèi)，云團高度逐漸抬高；大氣擴散云團高度進一步抬高，云團濃度將稀釋降到爆炸濃度下限以下，最終消散。1.2泄漏源模式根據(jù)泄漏形式，泄漏源分為連續(xù)源和瞬時源。由于反應(yīng)器、儲罐、管道損壞或者是閥門、法蘭等處密封失效，導(dǎo)致的氣體連續(xù)釋放的泄漏源為連續(xù)源，連續(xù)源的主要特點是形成長時間較小流量的穩(wěn)定性泄漏；由于大管徑的管道破裂或是容器爆炸引起的，在泄漏瞬間能使泄漏氣體形成一定半徑和高度的氣團的泄漏源為瞬時源，瞬時源具有短時大量泄漏釋放的特點。1.3擴散模式根據(jù)泄漏氣體泄漏類型，氣體的擴散模式可以分為煙團擴散和煙羽擴散兩種模式。泄漏量較大且密度比空氣的密度大較多的氣體擴散表現(xiàn)為煙團擴散，瞬時泄漏源和部分的連續(xù)泄漏源易形成煙團擴散，其特點是泄漏的氣云團在較長時間內(nèi)不易被空氣稀釋。液化石油氣儲罐爆炸破裂形成的氣體擴散即屬于煙團擴散；若泄漏氣體的密度與空氣接近或是經(jīng)過很短時間的空氣稀釋后密度與空氣接近時，其泄漏氣體的擴散屬于煙羽式擴散，大部分較小流量的連續(xù)泄漏源易形成煙羽擴散。泄漏源模式、散模式和事故型的相互關(guān)系如圖1氣象和環(huán)境狀況泄放容器及泄放孔特性泄放物組分計算泄放物質(zhì)特性液體泄放速度模式閃蒸模式蒸發(fā)池輸出結(jié)果：一定時間的等濃度線下風(fēng)向中心線的最大濃度某一點的濃度泄放物質(zhì)及特性泄放狀態(tài)氣象條件地表情況氣象和環(huán)境狀況泄放容器及泄放孔特性泄放物組分計算泄放物質(zhì)特性液體泄放速度模式閃蒸模式蒸發(fā)池輸出結(jié)果：一定時間的等濃度線下風(fēng)向中心線的最大濃度某一點的濃度泄放物質(zhì)及特性泄放狀態(tài)氣象條件地表情況液體泄放液體泄放壓力液化壓力液化穩(wěn)態(tài)煙羽擴散模式液池形成穩(wěn)態(tài)源煙團擴散模式穩(wěn)態(tài)煙羽擴散模式液池形成穩(wěn)態(tài)源煙團擴散模式構(gòu)筑物修訂模式構(gòu)筑物影響構(gòu)筑物修訂模式構(gòu)筑物影響圖1液化石油氣泄漏擴散模型的結(jié)構(gòu)框圖影響擴散的因素2.1泄放狀態(tài)泄放狀態(tài)包括泄漏源的位置、泄漏氣體的物性等條件，對于泄漏氣云團的擴散有很大的影響。液化石油氣的主要組分為C3、C4，在相同條件下, 對于不同組分的液化石油氣，其中C3的組分越大，泄漏速度越大，泄漏氣云團擴散越遠，危險區(qū)域就越大。在相同條件（20℃，400m3球罐，70%充裝量，罐底有5cm直徑泄漏孔），無任何堵漏措施情況下，不同組分的液化石油氣的泄漏速度如圖2。圖2不同組分與泄漏速度的關(guān)系圖氣體的擴散性受自身密度的影響。泄漏氣體相對于空氣密度的大或小，分別表現(xiàn)出在擴散中以重力作用為主，或是以浮力作用為主。一般地說，當(dāng)泄漏氣體與空氣的混合物密度相對于空氣密度≥1.1時，該混合物可能沿地面流動，并可能在低洼處積累。液化石油氣的比重約為空氣的1.5～2.0倍，當(dāng)發(fā)生泄漏時，泄漏氣體在重力作用下，發(fā)生沉降，使地面濃度增加，但這種下沉趨勢會因空氣的不斷稀釋作用而減弱，最終在地面上形成1m～2m或是更高的霧層。地面泄漏源的高度和噴射方向會影響擴散至地面的氣體濃度。當(dāng)泄漏源處于離地較高的位置時，泄漏的氣云團擴散至地面的垂直距離較大，在相同的泄漏源強度、泄放狀態(tài)和氣象條件下，擴散至地面的同等距離處的氣體濃度會降低。若泄漏發(fā)生在容器上部，即泄漏氣體向上噴射，泄漏氣體具有向上的初始動能，其作用效果與處于較高位置的泄漏源類似。2.2氣象條件風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、氣溫、太陽輻射強度等因素對液化石油氣的泄漏擴散有著不同程度的影響。風(fēng)速對氣體擴散的影響由理論分析可知，氣體在擴散過程中，主風(fēng)向的平流輸送作用占主導(dǎo)地位，風(fēng)向決定了泄漏氣云團擴散的主要方向。風(fēng)速影響泄漏氣云團的擴散速度和被空氣稀釋的速度。風(fēng)速大，大氣的湍流越強，空氣的稀釋作用越強，風(fēng)的輸送能力也越強。在靜風(fēng)條件下，對于地面泄漏源，泄漏氣體以理想的條件擴散成半球狀在地面分布，其邊緣可能達到較高的濃度，但危險區(qū)域較??；在有一定風(fēng)速時，泄漏氣云團向下風(fēng)向遷移，并不斷卷吸空氣，使危險區(qū)域擴大。當(dāng)風(fēng)速處于微風(fēng)狀態(tài)時，有利于泄漏氣體擴散，又不利于泄漏氣體與空氣的混合稀釋，對于現(xiàn)場處置和搶險救援來說，將處于最不利的狀態(tài)。大氣湍流在氣體擴散中起到重要的作用。湍流擴散速度比分子擴散速度快105～106倍，由于大氣垂直方向溫度不均勻引起的熱力湍流，其強度主要取決于大氣穩(wěn)定度。大氣穩(wěn)定度表示空氣是否易于發(fā)生垂直運動，是評價空氣層垂直對流穩(wěn)定程度的指標(biāo)，泄漏氣體的擴散與大氣穩(wěn)定情況密切相關(guān)，大氣越穩(wěn)定，泄漏氣云團越不易向高空消散，而是貼近地表擴散；大氣越不穩(wěn)定，空氣垂直對流運動越強，泄漏氣云團消散得越快。這是因為當(dāng)大氣不穩(wěn)定時，湍流運動加劇,湍流擴散作用增大,使氣云團濃度下降,同時湍流運動的加劇也使得氣云團與周圍環(huán)境的熱交換變得劇烈,使擴散的液化石油氣溫度上升,氣云團密度下降,在風(fēng)的作用下更易于擴散,導(dǎo)致氣云團濃度下降。氣溫或是太陽輻射強弱主要是通過影響大氣垂直對流運動而對泄漏氣體的擴散發(fā)生影響。溫度越高，太陽輻射越強，則有利于泄漏氣體的擴散；大氣濕度對液化石油氣泄漏擴散也有影響，一般來說，濕度越大，越不利于泄漏氣云團的擴散。2.3地表情況在大氣邊界層內(nèi)，由于地面摩擦等因素的影響，風(fēng)速隨著高度的增加而變大。地表情況對風(fēng)速梯度的影響隨高度變化，建筑、樹木等會加強地表的湍流程度，即加強了混合稀釋作用；而開闊平坦地、湖泊等則相反。一般情況下城市梯度風(fēng)比近郊梯度風(fēng)大，近郊梯度風(fēng)比平坦農(nóng)村梯度風(fēng)大。液化石油氣的泄漏往往發(fā)生在裝置區(qū)內(nèi)，這使得煙羽在水平運動的過程中常常會遇到構(gòu)筑物的阻礙，氣流在流經(jīng)構(gòu)筑物時，由于構(gòu)筑物摩擦力的作用和上、下空氣的動量交換，可形成新生邊界層，從而使得原有氣流的動力狀況發(fā)生改變，同時構(gòu)筑物周圍空氣流渦動加劇，氣流的擴散能力加強。圖3裝置區(qū)對擴散的影響圖4裝置區(qū)在泄漏源下風(fēng)向一側(cè)的影響情況裝置區(qū)內(nèi)的構(gòu)筑物大多為框架結(jié)構(gòu)，分布著高度參差不齊的塔、爐等設(shè)備，這使裝置區(qū)內(nèi)的粗糙程度遠大于裝置區(qū)外的，由此增強了該區(qū)域的大氣擴散參數(shù)并對風(fēng)速產(chǎn)生了一定影響。從圖3、圖4可知，裝置區(qū)的存在對氣體擴散最大的影響是縮短了下風(fēng)向最大影響距離。液化石油氣發(fā)生泄漏時，易在低洼處形成液池。液化石油氣的氣化強度在一定程度上決定泄漏氣體的擴散范圍。發(fā)生在不同介質(zhì)表面的泄漏，會因為介質(zhì)特性的不同而對氣體氣化強度產(chǎn)生影響。氣化強度值會隨著時間的增長而急劇減少，其原因是，隨著時間的延長，發(fā)生泄漏的固體表面溫度降低；氣化強度值隨著環(huán)境溫度的升高和氣化區(qū)域的減少而增大，這是因為液體和周圍空氣的熱對流強度增大。圖5氣化強度w與氣化區(qū)域s的關(guān)系風(fēng)速0.4~2.0m/s材料表面為沙子，環(huán)境溫度19℃(1)s=0.16m2(2)s=0.01m2(3)s=0.04m2圖6氣化強度W與氣化面積s、風(fēng)速v、溫度Ta的關(guān)系材料表面為鋼板(1)s=0.16m2v=0.4~1.0m/sTa=2℃(2)s=0.16m2v=0.4~1.0m/sTa=20℃(3)s=0.01m2v=1.0m/sTa=31℃(4)s=0.01m2v=0.1~0.2m/sTa=19℃擴散模型的建立案例：西安市煤氣公司液化石油氣管理所是西安市煤氣公司液化石油氣的儲存罐區(qū)，地處城區(qū)西南郊，1998年3月5日16點半左右，一個400m3的球罐根部閥門損壞，導(dǎo)致大量液化氣從閥門口泄漏，球罐內(nèi)壓強為２０個大氣壓力，當(dāng)時天氣晴，風(fēng)速約為２ｍ/s，太陽輻射強度弱，試?yán)脷怏w擴散模型預(yù)測，從其發(fā)生泄漏到消防部門到達現(xiàn)場的25分鐘內(nèi)，形成的氣體爆炸危險區(qū)范圍。3.1基本假設(shè)低層大氣的流動為湍流運動，泄漏氣體在流動大氣中的擴散遵守質(zhì)量守恒定律，其擴散行為可用湍流擴散微分方程描述；湍流是不規(guī)則運動，風(fēng)速和泄漏氣體的濃度都是時間和空間的隨機變量，取直角坐標(biāo)系的X軸方向為平均風(fēng)速的方向，Z軸為鉛直向上；各方向上的湍流擴散系數(shù)為常數(shù)。在上述假設(shè)基礎(chǔ)上，根據(jù)質(zhì)量守恒定理，可以導(dǎo)出泄漏氣體濃度變化的湍流擴散方程（1）式中c為泄漏氣體的瞬時濃度（kg/m3）,t為擴散時間（s），u為風(fēng)速（m/s）Kx、Ky、Kz分別為x、y、z軸方向上的湍流擴散系數(shù)（m/s），式（1）等號左邊為局地擴散和對流擴散項，而右邊為湍流擴散項。3.2擴散模型考慮泄漏源種類和有風(fēng)、無風(fēng)狀態(tài)，以及地面對擴散的影響，確定求解式（1）的限定條件，對式（1）的求解得到的泄漏氣體擴散濃度分布式，從而建立相應(yīng)的擴散模型。無風(fēng)時，u=0，則式（1）為（2）其初始條件：t=0，泄漏源處（x=y=z=0），c→∞。邊界條件：t→∞,c→0。對于泄漏量為Q（kg）的瞬時量，求解式（2），得到的泄漏氣體在空氣中擴散的濃度分布為（3）有風(fēng)時，因泄漏氣云團隨風(fēng)移動，并在空氣的稀釋作用下不斷膨脹，t時刻時氣云團的中心點坐標(biāo)為（ut，0，0），則式（3）經(jīng)坐標(biāo)變換，即可得到u≠0時泄漏氣體在空氣中擴散的濃度分布（4）在考慮地面對擴散的影響時，通常按照全反射的原理，采用“像源法”處理。當(dāng)泄漏氣體沿地表擴散時，地面對擴散的氣體由屏擋作用，可認(rèn)為地面對于泄漏氣體既不吸收也不吸附，使被屏擋的擴散氣體全部反射到地面上的空氣中。因此認(rèn)為地面上任意一點的濃度是兩部分作用之和：一部分是不存在地面時此點應(yīng)具有的濃度；另一部分是由于地面全反射而增加的濃度。對于地面泄漏源，任意一點濃度c地（x，y，z）為無界條件下的2倍，即（5）3.3地面連續(xù)泄漏源氣體擴散模型帶壓容器，管道等小孔泄漏，在泄漏開始的一段較長時間內(nèi)氣體泄漏的流量Q（kg/s）視為常數(shù)；泄漏氣體擴散的流場達到穩(wěn)定時,擴散空間的某一點的濃度應(yīng)是恒定的，不隨時間變化，即當(dāng)上述假定條件成立時，對于無風(fēng)狀態(tài)，即u=0，則式（1）可簡化為（6）其初始條件：t=0，泄漏源處（x=y=z=0），c→∞。邊界條件：t→∞,c→0。對于泄漏量為Q（kg）的瞬時量，求解式（2），得到的泄漏氣體在空氣中擴散的濃度分布為（7）有風(fēng)（u>1m/s）時，因風(fēng)力產(chǎn)生的平流輸送作用遠大于水平方向的分子擴散作用，式（1）可簡化為（7）其初始條件和邊界條件與無風(fēng)時的式（5）相同。對式（7）求解，可得到有風(fēng)連續(xù)源泄漏氣體在空中濃度分布（8）當(dāng)泄漏氣體沿地面擴散時，因地面對擴散氣體的全反射作用，由式（4）可得，無風(fēng)時地面連續(xù)源泄漏氣體在地面上的擴散濃度分布是空中擴散濃度分布的兩倍。3.4泄漏流量的確定要估算氣體的擴散范圍，首先要確定泄漏流量。對于儲罐氣體點泄漏源，可以通過經(jīng)小孔泄漏的源模式計算出泄漏質(zhì)量流量。本文采用由重慶消防網(wǎng)和中國消防人網(wǎng)站中提供的數(shù)據(jù)，估算泄漏速度為2.5kg/s。3.5大氣穩(wěn)定度和擴散系數(shù)的確定泄漏氣體擴散濃度分布式的應(yīng)用，需要確定式中的湍流擴散系數(shù)Kx，Ky，Kz的值。目前，湍流擴散系數(shù)常過擴散參數(shù)來確定。擴散參數(shù)δx、δy、δz與擴散系數(shù)之間的關(guān)系為擴散系數(shù)可以由現(xiàn)場測定，也可以在風(fēng)洞中進行模擬試驗來確定，或是根據(jù)經(jīng)驗公式或圖算法來估算。目前運用較多的估算法是P-G擴散曲線法。本文亦采用此法確定擴散系數(shù)。地面風(fēng)速m/s白天太陽輻射陰天的白天或夜晚晚有云的夜晚強中弱薄云遮天活低云≥≥5/10云量<4/10<2AA~BBD2~3A~BBCDEF3~5BB~CCDDE5~6CC~DDDDD>6CDDDDD表1大氣穩(wěn)定度級別劃分表P-G擴散曲線法根據(jù)云量、云狀、太陽輻射情況和地面風(fēng)速，將大氣的擴散能力從強不穩(wěn)定到穩(wěn)定劃分為A到F六個級別。具體分類方法如表1。P-G擴散曲線圖根據(jù)常規(guī)所能觀測到的氣象資料劃定大氣穩(wěn)定度級別，再利用P-G擴散曲線圖直接查出下風(fēng)向距離x上的擴散系數(shù)δy、δz。P-G擴散曲線圖根據(jù)氣體擴散模式分為煙團擴散和煙羽擴散參數(shù)曲線圖，圖中不同的曲線反映了大氣穩(wěn)定度的影響。計算結(jié)合實際情況，建立相合適的擴散模型。根據(jù)案例的天氣情況，風(fēng)速為2m/s，查表1可知，大氣穩(wěn)定度為D級。由于液化石油氣的密度比空氣大很多，其擴散參數(shù)應(yīng)用煙團模式擴散曲線(如圖7、圖8)來確定。圖7煙團模式的水平擴散參數(shù)曲線圖圖8煙團模式的垂直擴散參數(shù)曲線圖無風(fēng)時泄漏氣體是以泄漏處為圓點向四周擴散的，而有風(fēng)時主要考慮下風(fēng)向的擴散距離，故計算本案例泄漏的液化石油氣的爆炸危險區(qū)范圍，應(yīng)計算下風(fēng)向的范圍內(nèi)的危險區(qū)域。液化石油氣在空氣中的爆炸下限2%，平均分子量為51g/mol,由理想氣體方程，求出液化石油氣在空氣中達到爆炸極限時的質(zhì)量濃度：kg/m3以液化石油氣爆炸濃度下限的50%為爆炸危險區(qū)邊界濃度，則求當(dāng)c地（x，0，0）=0.5c下限時的泄漏距離x。應(yīng)用有風(fēng)時連續(xù)泄漏源模型，令y=z=0，由式（3）和式（4）可得：利用試差法對方程求解，假定x值分別為0.1km，0.2km，由P-G擴散曲線值表，查出相應(yīng)的值，代入上式計算，可得表2/m0.14.192.339.760.27.914.8037.97表2線性插值法計算表在利用內(nèi)插法求x的值即在液化石油氣法發(fā)生泄漏擴散的下風(fēng)向134米范圍內(nèi)，屬于燃燒爆炸危險區(qū)域。5．結(jié)束語對于液化石油氣的泄漏擴散過程，利用高斯擴散模型，借助于P-G擴散參數(shù)曲線圖，分析不同泄漏源模式和擴散模式下的氣體沿地面擴散的濃度分布情況，用于估算液化石油