煤气泄漏的危害后果计算方法研究

郑州大学毕业论文题目：煤气泄漏的危害后果计算方法研究学生姓名： 徐焕生（20120350221）指导教师： 刘诗飞（副教授）专 业： 安全工程专业学院（系）：力学与工程科学学院2016 年 6 月 1 日郑州大学力学与工程科学学院 2016 届本科毕业论文目 录摘要 .01 绪论 .11.1 选题背景和意义 .11.2 气体泄漏国内外研究现状 .11.3 气体泄漏研究的主要方法及本文的研究方法 .21.4 主要工作 .22 煤气泄漏扩散模拟的理论基础 .32.1 煤气泄漏事故的危害性 .32.2 煤气泄漏模型的分类 .42.3 煤气扩散数学模型的选取 .83 Fluent 理论基础及研究方法 .93.1 软件介绍 .93.2 控制方程 .93.3 湍流模型 .104 煤气管道泄漏扩散的数值模拟 .114.1 扩散模型的基本假设条件 .114.2 模拟背景模型的建立 .114.3 FLUENT 中求解的设置 .144.4 模拟结果分析 .155 煤气泄漏事故后果模拟 .195.1 环境风速对毒害范围的影响规律 .195.2 泄漏孔径对毒害范围的影响规律 .215.3 泄漏线速度对毒害范围的影响规律 .236 微机数值模拟与计算结果的比较 .256.1 煤气泄漏扩散基础参数的选择 .256.2 煤气泄漏后不同风速毒害范围的计算 .266.3 煤气泄漏后不同泄漏孔径毒害范围的计算 .27郑州大学力学与工程科学学院 2016 届本科毕业论文6.4 煤气泄漏后不同泄漏线速度毒害范围的计算 .286.5 两种数值模拟方法的比较 .296.6 两种数值模拟方法的优劣 .317 煤气泄漏应急救援 .317.1 应急组织机构 .317.2 应急救援 .327.3 应急结束 .328 结论 .33致谢 .34参考文献 .35郑州大学力学与工程科学学院 2016 届本科毕业论文0摘 要煤气在生产、运输、使用的过程中存在很大的风险，容易发生泄漏导致事故的发生，造成财产损失人员伤亡。煤气是易燃易爆的气体，煤气扩散到大气中后遇火源可能会发生火灾和爆炸，还会引发中毒事故。泄漏气体会给处在泄漏产所的人员带严重的生命安全威胁，因此研究煤气泄漏扩散规律以及其泄漏后毒害范围的影响因素是很有必要的。本文用CFD软件Fluent模拟了煤气管道在不同环境风速、泄漏孔径和不同泄漏线速度下煤气泄漏扩散的情况，并得出了煤气泄漏扩散的一般规律以及不同参数条件对煤气泄漏后毒害范围的影响规律。在此基础上还用扩散模式进行了煤气泄漏后毒害范围的计算，并把计算结果与微机数值模拟结果进行了比较，分析了两者的差异和各自的不足。本文的结论将为工业产所应急救援提供技术和理论支持，对组织应急救援有着重要意义。关键词：煤气，泄漏模式，数值模拟，应急响应ABSTRACTThe gas leakage cause the accident easily,which in the process of production, transportation and using.The gas is the gases of flammable and explosive.The gas maybe cause the fire and explosion,even cause the poisioning accident when the gas diffusion into the atmosphere.Gas leak will bring the threat of life to the people in the leakage ,so it is necessary to research the rule of gas leak.The paper reach a decison about rules of gas leak through simulating the situations of the gas leak in different air speed 、different leakage area and different leakage speed.On the basis of this the paper uses the diffusion model to calculate the scope of the leaking gas. In the end the paper compared numeric calculation with number simulation and analyzed the diferences and shortcoming betweed numeric calculation and number simulation. The conclusion of this paper will provide theoretical support for chemical enterprise, it is important to emergency rescue.Key words: Gas; Leakage model; Numerical simulation; Emergency response郑州大学力学与工程科学学院 2016 届本科毕业论文11 绪论1.1 选题背景和意义1.1.1 研究背景近年来我国工业煤气泄漏事故屡有发生，事故后果非常严重，其中主要原因就是一旦事故发生后人们无法准确的得出泄漏气体的毒害范围，不能第一时间做出正确的救援方案。工业场所煤气泄漏扩散过程十分复杂，泄漏扩散过程受到泄漏源强、泄漏源高度、环境风速、泄漏速度等因素的影响。而泄漏事故后果又十分严重，所以研究煤气泄漏扩散规律就显得十分重要。1.1.2 研究目的及意义在我国煤炭资源是目前工业企业中不可替代的能源，而煤气在给企业带来经济效益的同时，也给人们的生命财产安全带来威胁。煤气的泄漏往往造成火灾爆炸、中毒等严重的事故后果。本文对煤气泄漏危害后果计算方法的研究将有助于指导工业企业在煤气泄漏事故发生后及时采取正确的应急救援措施，有助于化工企业或者相关政府部门在事故发生后了解煤气泄漏扩散趋势和毒害范围的分布，并且可以以本文的研究为依据指导事故后的应急救援工作。本文还建立了煤气泄漏后的风险控制对策并制定了相应的应急救援措施，可为化工企业或政府相关部门提供参考。本文成果也为环保部门在煤气泄漏事故发生后对环境危害后果的评估提供了参考依据，对环境保护也有十分重要的意义 2。1.2 气体泄漏国内外研究现状1.2.1 国外研究现状国外在气体泄漏这方面的研究相对成熟，不少国外学者也提出了许多扩散的计算模型，主要的数值扩散模型有高斯模型(Gaussian plume/puff model ),BM 模型、Sutton 模型、FEM ( 3-D Finite Element Model)等等。 随着计算机的普及和计算能力的不断提高，微机数值模拟得到了迅速的发展。利用计算机软件进行气体泄漏扩散规律的研究被越来越多的专家学者所采用。这种数值方法通过建立基本守恒方程，结合边界条件，用数值计算理论实现对泄漏流体的浓度场、温度场、流场等的模拟，达到了对扩散过程的详细描述。通过软件来实现预报真实的泄漏过程完全有可能取代现场试验来研究流体泄漏扩散规律。1.2.2 国内研究现状 国内关于危化气体泄漏扩散的研究起步比较晚，投入资源也不太多。在“八五”期间，中国石化公司安全工程研究院提出了有关泄漏扩散的 HLY 模型；与此同时，原化郑州大学力学与工程科学学院 2016 届本科毕业论文2工部劳动保护研究所也研究总结了有毒有害物质的事故性泄漏，并建立起事故性泄漏模式及泄漏源模型 1。全国各大高校如大连理工大学、北京化工大学、南京工业大学、东北大学等也都相继开始关注并研究危化气体泄漏扩散，也都取得了一定成果。1.3 气体泄漏研究的主要方法及本文的研究方法 目前，学术界流行的有关危化气体泄漏及其扩散的研究方法有如下几种：（1）风洞试验 风洞实验具有准确性高、实验效率高等优点，因此被广泛应用在空气动力学研究中。然而，危化气体扩散在现实条件下受多方面因素的影响，这种方法不能模拟出实际存在的全部因素具有局限性；而且风洞实验消耗费用较高，运行时间长、难度大，所以并没有被广泛用于危化气体的研究当中。（2）实验研究法 实验研究法能够反映出危化气体泄漏后的扩散和分布情况，但实验研究法对复杂的实际情况的实验结果并不是很准确，而且实验研究法需要大量时间、人力来完成实验，对研究人员的要求也很高。（3）计算机数值模拟计算机技术的飞速发展和数值模拟的普遍应用使得人们越来越多的依靠微机数值模拟的方法来研究气体泄漏扩散规律。计算机功能的升级，使得一些庞大的、复杂的实际问题可以在较短的时间内被解决；并且可以把模拟结果使用图形直观、形象的呈现出来。计算机仿真模拟有这样优势，不可避免的也有自己的劣势，就是仿真结果真实性往往容易受到人们的质疑。针对这样缺点，唯一的解决办法就是针对相关问题建立物理模型并进行实验研究，然后对比模拟结果与实验结果能否吻合，来确保计算机模拟的可靠度。本文的研究方法：本文采用微机数值模拟和理论分析计算相结合的方法研究煤气泄漏扩散规律。选择CFD 计算软件 Fluent 进行仿真模拟，针对不同泄漏参数进行模拟，在对模拟结果总结的基础上与理论计算的结果做对比，总结出煤气泄漏扩散规律以及毒害范围的影响因素。1.4 主要工作本文研究的主要工作有： （1）对工业场所煤气泄漏扩散研究的必要性。（2）根据危化气体扩散理论基础结合煤气理化特性，选择合适的数值模型进行数值模拟。（3）选择 Fluent 软件进行数值模拟，用 Gambit 软件建立模型，划分网格；针对具体情况设定流场初始条件、边界条件；利用迭代扫描完成计算。（4）处理数值模拟结果，得出模拟条件下煤气的浓度分布图。（5）将模拟结果结合模拟条件得出工业场所煤气泄漏扩散中风速、泄漏口面积、泄漏线速度对其危险扩散区域的影响规律。郑州大学力学与工程科学学院 2016 届本科毕业论文3（6）根据数值模拟的结果以及煤气泄漏扩散的一般规律制定泄漏事故发生后的应急救援预案。2 煤气泄漏扩散模拟的理论基础2.1 煤气泄漏事故的危害性2.1.1 火灾和爆炸危害煤气是由多种可燃气体以及有些惰性气体混合而成的混合气，常见的煤气种类主要有：焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气、发生炉煤气、水煤气等几种，它们的主要成分及主要性质见表 2.1。表 2.1 煤气的成分及主要性质Tab. 2.1 The composition and main nature of gas成分% 焦炉煤气 高炉煤气 发生炉煤气 转炉煤气 水煤气甲烷 2030 36 1.2碳氢化合物 2 0.5一氧化碳 58 2730 2631 6070 3438氢气 5560 1.51.8 910 52氮气 78 5557 55 4二氧化碳 33.5 812 1.53.0 8.2发热量（ ）3/kNmcal39004400 850950 14001700 18002200 2737重度（ ）g0.450.55 1.295 1.081.25燃点 600650 700 700 6500700 600主要性质无色有臭味有毒易燃易爆无色无味有剧毒易燃易爆有色有臭味有剧毒易燃易爆无色无味有剧毒易燃易爆无色有剧毒易燃易爆从上表可以看出煤气的主要成分是一氧化碳、氢气和甲烷等，而一氧化碳、甲烷以及氢气都是易燃易爆气体，这也就决定了煤气具有易燃易爆的特性。由于气体燃烧不需像固体、液体那样要经过熔化、分解、蒸发等相变过程，而在常温常压下就可以按任意比例和氧化剂相互扩散混合，在混合达到一定浓度时，遇点火源即可发生燃烧（或爆炸）郑州大学力学与工程科学学院 2016 届本科毕业论文4。因此气体的燃烧速度大于固体液体。气体的燃烧形式主要有扩散燃烧和预混燃烧两种：（1）扩散燃烧，扩散燃烧是指可燃气体与气体氧化剂一边混合一边燃烧。气体混合速度决定气体的燃烧速度，气体扩散多少就烧掉多少。扩散燃烧的特点是火焰不运动可燃气体和气体氧化剂在可燃气喷口进行。（2）预混燃烧，预混燃烧是指可燃气体和空气预先混合，遇到火源产生带有冲击力的燃烧。这种形式的燃烧具有燃烧速度快、温度高、火焰传播速度快的特点。煤气爆炸造成的破坏通常有直接的爆炸作用，冲击波和火灾等三种形式，往往都会造成严重的后果。（1）直接的爆炸作用，是指爆炸直接作用于爆炸源周围的人员、建筑以及设备，造成人员伤亡、建筑设备的损坏等。（2）冲击波的破坏作用，爆炸时所产生的高温高压气体以极高的速度膨胀，像活塞一样压缩未燃区域的气体，将爆炸产生的能量传递给周围空气，空气受到冲击从而形成冲击波。冲击波在传播过程中会对周围的人员造成伤害对机械设备以及建筑物造成一定程度的毁坏。（3）火灾，煤气泄漏后与空气混合发生爆炸一般都会引起火灾。2.1.2 毒性危害工业场所中使用的煤气的主要成分有一氧化碳、氢气和甲烷等，其中氢气和甲烷并没有毒性危害，但是对于高浓度的氢气和甲烷也会造成人员的窒息。下面主要介绍一下一氧化碳的毒性危害。（1）理化性质：一氧化碳（CO）为无色、无味有毒的气体，相对密度 0.967，熔点-205.1，沸点 -191.5，自燃点 608.89，与空气混合爆炸极限 12%75%，在空气中燃烧呈蓝色火焰，遇热、明火易发生燃烧爆炸，在 400700 间分解为碳和二氧化碳，微溶于水易被稀氨溶液吸收。（2）中毒机理：一氧化碳（CO）经呼吸道进入体内迅速与血液中的血红蛋白（Hb）结合，形成碳氧血红蛋白（HbCO）；由于 CO 与 Hb 的亲和力比氧与 Hb 的亲和力约大 300 倍，故小量的 CO 即能与氧竞争，充分形成 HbCO，而使血液携氧能力降低。（3）中毒表现：轻度中毒主要表现为以脑缺氧为主的临床症状，如剧烈的头痛、头昏、四肢无力、恶心、呕吐，或出现轻度至中度意识障碍；中度中度除上述症状加重外，出现浅至中度昏迷；重度中度出现深昏迷或去大脑皮层状态。2.2 煤气泄漏模型的分类本文研究的煤气泄漏的危化后果计算方法主要是通过对工业场所中煤气(一氧化碳)泄漏后的动态扩散情况进行量化计算，而要实现准确的计算的前提就是要选择相对准确的泄漏扩散数学模型，泄漏扩散数学模型的选择直接关系到了计算和预测结果的精确性。郑州大学力学与工程科学学院 2016 届本科毕业论文5而为了简化模型，方便计算模拟，本文对煤气管道的泄漏扩散进行数值模拟与分析，在众多气体扩散模型中，结合煤气的理化特性，选择合适的模型作为研究煤气扩散的应用模型。确定泄漏速率是分析泄漏扩散和评价事故危害后果的关键所在，泄漏速率的确定所依据的模型是小孔泄漏模型、管道泄漏模型和大孔泄漏模型。小孔泄漏模型假设比较多计算也较为方便；大孔泄漏模型假设比较少计算结果相对准确；管道泄漏模型是大孔泄漏模型的一种特殊情况。近几年有许多学者对危化气体在管道中的输送、泄漏检测以及管道泄漏模型等方面做了大量的研究，为管道气体泄漏危险区域的划分和事故后果评价提供了依据。气体泄漏模型一般分为如下几类：（1）一般泄漏速率模型：一般速率泄漏模型是通过判断泄漏时气体流动属于声速（临界流）还是亚声速（次临界流）流动来确定其泄漏速率模型。当 时，气体流动属于音速流动（临界流），有：12kap（2.1）12qkordmRT