安全工程专业毕业论文煤气泄漏的危害后果计算方法研究.doc

郑州大学力学与工程科学学院2016届本科毕业论文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 目 录摘要01 绪论1 1.1 选题背景和意义1 1.2 气体泄漏国内外研究现状1 1.3 气体泄漏研究的主要方法及本文的研究方法2 1.4 主要工作22 煤气泄漏扩散模拟的理论基础3 2.1 煤气泄漏事故的危害性3 2.2 煤气泄漏模型的分类4 2.3 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276.4 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32 7.3 应急结束328 结论33致谢34参考文献35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 response361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 王志鹏.氨气泄漏数值模拟及应急响应措施研究D.北京：中国地质大学，2013。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。（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2030361.2碳氢化合物20.5一氧化碳582730263160703438氢气55601.51.891052氮气785557554二氧化碳33.58121.53.08.2发热量（）3900440085095014001700180022002737重度（）0.450.551.2951.081.25燃点6006507007006500700600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）。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。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： （2.1） 当时，气体流动属于亚音速流动（亚临界流），有： （2.2） 其中，-环境压力，pa； P-管道内气体压力,pa； K-气体的等熵指数； -气体的泄漏速率，kg/s； -气体泄漏系数，当裂口形状为圆形时取1.00，为三角形时取0.95，长方形时取0.90； -泄漏孔的面积，； M-气体摩尔质量，Kg/Kmol； R-摩尔气体常数，取； T-气体温度，K； 管道压力降低影响泄漏速率时，这种模型就不适用了。（2） 小孔泄漏模型 图2.1为煤气管道泄漏示意图。其中，位置1位管道输气起点中心点，2位泄漏口中心点，3为泄漏口。 12 3输气起点 泄漏口 外界环境图2.1 煤气管道泄漏示意图Tab2.1 The sketch map of gas flue 小孔泄漏模型假设：泄漏口是一个非常小的孔，管道是一个足够大的容器，管道内的压力不受泄漏影响，位置1和2气体状态相同，气体膨胀过程等熵，因此泄漏速率恒定，泄漏速率等于起始最大泄漏速率，即： 当时，孔口气体泄漏为临界流，泄漏速率为： （2.3） 当时，孔口泄漏为亚临界流，泄漏速率为： （2.4） （3）大孔泄漏模型 当管道泄漏孔径较大时就需要用大孔泄漏模进行计算，此时气体流动状态就十分重要。 对于高压输气管道，气体流动状态主要有2种： 孔径较小，泄漏口中心压力略小于起点压力,且远大于临界压力，此时的泄漏过程为管道内是亚临界流，泄漏口为临界流的等熵膨胀过程，求解方程为： （2.5）其中，-管道摩擦系数； -管道当量长度（m）； D-管道直径（m）； -管道横截面积（）； -气体质量流速； ，为i位置的马赫数；其他符号同上。随着孔径进一步增大，远小于,但仍然大于临界压力，此时的泄漏过程为管道内与泄漏口均为临界流的等熵膨胀过程求解方程如下： （2.6）（4） 管道模型 管道模型是泄漏孔径和管径相近时采用的模型，此时，代入公式（2.5）即可得到管道模型的求解公式。 对与泄漏模型的选择，许多学者也做过很多研究，为了更精确合理的计算本文采用如下方式来选择泄漏模型：当时采用小孔泄漏模型计算，当采用大孔泄漏模型计算 冯文兴，王兆芹，程五一.高压输气管道小孔与大孔泄漏模型的比较分析J.安全与环境工程，2009，16（04）：108-110.。2.3 煤气扩散数学模型的选取 可以通过扩散模型来估算泄漏物质的影响区域范围以及影响程度，例如在多大的范围内为中毒区域，多大的范围内为无毒区域等，可以为泄漏事故后危险区域的划分、危险程度的判别等提供参考依据。 表2.3列出了几种主要的扩散模型，包括高斯烟羽模型，高斯烟团模型，BM模型，Sutton模型，以及FEM3模型等。表2.3 各模型特性比较Tab.2.3 The comparision of model features模型名称适用对象适用范围难易程度计算量精度高斯烟羽模型 中性气体 大规模 长时间较易 少一般高斯烟团模型 中性气体大规模 长时间较易 少一般BM 模型中性、重性气体大规模 长时间较易 少好Sutton 模型 中性气体大规模 长时间较易 少一般FEM3 模型 重性气体 无限制 较难少较好 结合煤气泄漏的特性本论文选择高斯气体扩散模型，原因如下：（1）煤气相对密度小于或接近空气，属于中性气体适合用非重气高斯模型处理；（2）高斯模型即可模拟瞬时泄漏又可模拟连续泄漏，而且具有瞬时及连续扩散的有风及静风方程，相对于其他模型更为全面。（3)查阅文献发现在相关问题的研究上，国内外专家均采取高斯模型，可见高斯模型较为成熟且具有一定的普遍性。本章小结： 本章通过对泄漏事故的统计分析，总结出了煤气泄漏事故的发生机理，讨论了煤气泄漏的燃烧爆炸以及毒性危害的后果，并且介绍了危化气体泄漏的几种常见模型。本章还通过比较5种常见气体扩散模型，最终选择高斯模型作为本论文研究煤气泄漏危害后果计算方法的数学模型。3 Fluent理论基础及研究方法3.1 软件介绍 Fluent 软件是目前国际上比较流行的商用 CFD 软件包，只要是和热传递、流场和化学反应等有关的工业问题均可使用。采用Fluent来解决问题时首先要用前处理软件Gambit建立起与实际问题想适应的物理模型，然后再在软件中设置边界条件等相关参数，最后选择求解器在Fluent中进行计算得出结果。具体的过程如图3.1所示所示：图3.1 Fluent软件求解过程Fig.3.1 The solution procedure of Fluent3.2 控制方程煤气泄漏并在大气中扩散可以将连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及组分运输方程作为控制方程。连续性方程： （3.1） 动量守恒方程： （3.2）能量守恒方程： （3.3）组分运输方程： （3.4）其中在上述公式中：为所处环境的静压力，为该种物质在扩散中的净含量，是扩散通量，为离散项。3.3 湍流模型 本文选用标准模型，模型为双方程模型，该方程基于湍动能和湍动耗散率，为半经验方程，是目前使用最为广泛的湍流模型。标准双方程的湍动能方程和方程如下所示：方程： （3.5）方程：（3.6）在上述公式中，、在 Fluent 中分别为默认值 1.44、1.92、0.99，是经验常数；、在 Fluent 中分别为默认值 1.0、1.3 表示湍动能和湍东耗散率对应的普朗特数； 表示平均速度梯度引起的湍动能； 表示浮力引起的湍动能；为热膨胀系数，为湍动马赫数；为声速。 标准模型忽略分子粘性的影响并假设流动为完全湍动。4 煤气管道泄漏扩散的数值模拟4.1 扩散模型的基本假设条件 完全模拟气体泄漏扩散过程是十分困难的，为了便于对煤气的泄漏扩散进行数值模拟，特作如下基本假设和简化：（1）设置初始状态时，假设管道周边环境温度与管道内初始温度相同； （2）在泄漏发生后，泄漏口大以及泄漏气体速度恒定，不随时间的改变而改变； （3）泄漏过程中所涉及气体都作为理想气体考虑； （4）在泄漏过程中,不发生任何相变反应和化学反应； （5）考虑风速影响时，风速方向与地面平行，且速度不随时间、地点和高度的改变而改变； （6）在扩散过程中，温度恒定且与外界无热量交换； （7）重力加速度恒定，不随高度的改变而改变。4.2 模拟背景模型的建立 （1）建立几何模型参照某集输气管道工程，选取管道直径为600mm，考察长度为两截断阀间距（5km）,考察段管道起点压力3.5，煤气年均输量取，外界最高气温38，最低-10，平均气温16，煤气的年平均气温20。取一个足够大的泄漏空间（泄漏半径50m，高50m），研究煤气泄漏在此空间内的扩散情况。泄漏口采用二维孔口模型，口径分别为0.06m（d/D=0.1）,0.3m(d/D=0.5),0.6m(d/D=1)。模型简图如图4.1所示：50m风50m-d/250m-d/2d煤气泄漏口图4.1 煤气泄漏模型简图Fig.4.1 The model of gas leakage leakage 用Gambit软件建立的几何模型如图4.2所示：图4.2 煤气管道泄漏几何模型Fig.4.2 The geometric model of gas leakage（2） 网格划分 泄漏气体一般在喷口附近流速较高，速度梯度较大，所以有必要将计算区域划分为几块，并且泄漏口上方的区域要网格细分。图4.3是计算模型的网格划分情况。图4.3 计算区域网格划分情况Fig.4.3 The meshing of geometric model（3） 边界条件的设定 正确的边界条件能够保证计算结果的精确性，也是模拟结果收敛的必要条件。在Gambit和Fluent中都可以设定初始边界条件煤气泄漏口定义为速度入口（VELOCITY_INLET）,名称为in；将左侧边定义为速度进口（VELOCITY_INLET），名称为wind-in；将计算区域最上边从右往左的3条线定义为压力出口（PRESSURE_OUTLET），名称分别为top-1，top-2，top-3；将右侧定义为压力出口，命名为right-out。定义好的边界类型如图4.4所示。图4.4 边界类型Fig.4.4 The boundary types 4.3 Fluent中求解的设置（1） 启动能量方程选择湍流模型（考虑全浮力影响），如图4.6所示。（2） 材料的选择 用 Fluent 读入 Gambit 中建立好的计算模型，然后定义材料，一氧化碳（CO）属于 Fluent 材料库中自带的气体，直接读取一氧化碳数据如图 4.7所示。 （3） 计算环境的设置 考虑重力的影响，在设置计算环境将重力选项打开，如图4.8所示。 （4） 定义边界条件并设置求解参数，求解参数如图4.9所示。 4.4 模拟结果分析 本论文用控制变量法针对风速、泄漏孔径和泄漏线速度三个因素进行讨论分析，风速分为轻风2m/s、微风4m/s、和风6m/s、清风8m/s、中强风10m/s、强风12m/s，泄漏孔径分为0.06m、0.3m、0.6m，泄漏线速度分为100m/s、200m/s。(1)泄漏孔径为0.06m不同风速和泄漏线速度的比较。 泄漏线速度100m/s 泄漏线速度200m/s2m/s4m/s6m/s8m/s10m/s12m/s(2) 泄漏孔径为0.3m不同风速和泄漏线速度的比较。 泄漏线速度100m/s 泄漏线速度200m/s 2m/s4m/s6m/s8m/s10m/s12m/s(3) 泄漏孔径为0.6m不同风速和泄漏线速度的比较。 泄漏线速度100m/s 泄漏线速度200m/s2m/s 4m/s6m/s8m/s10m/s12m/s（4） 结论由于一氧化碳的分子量为 28，接近于空气的平均分子量，所以空气浮力对于一氧化碳的扩散起一定的动力作用。泄漏的煤气所形成的气云在空气浮力、风力和初始动量的作用下，向斜上方运动。 小孔（）泄漏时当风速在较低的范围内，随着风速的增加，煤气扩散范围增大，风速是煤气气扩散的主要动力。 随着风速的增大风速在较高的范围时，从浓度分布图中可以看出泄漏气体运动一定时间后同一位置的一氧化碳浓度反而有所降低，此时风速对其的主要作用变为稀释，小孔泄漏对地面影响较大。大孔（）泄漏时，随着风速的增加扩散范围逐渐变大，但大孔泄漏对地面的影响较小。当环境风速较小时，对下风向的影响较弱；当达到一定临界值后，环境风速对下风向的影响起主导作用。环境风速越大，越不利于煤气向高空扩散，会导致煤气向下风向扩散。泄露孔径越大泄漏后一氧化碳在空气中的浓度越大，范围也越广，后果也就越严重。5 煤气泄漏事故后果模拟由于煤气是有多种气体组成的混合气体，不同种类煤气的一氧化碳含量不同，本文按照一氧化碳急性中毒对人体的危害程度来划分一氧化碳毒害浓度范围。划分为致死区外边界浓度值，重伤区外边界浓度值和轻伤外边界浓度值 贾世国.工业产所煤气泄漏的数值模拟D.北京：首都经济贸易大学，2007：42-24.。 将上述浓度值转化为一氧化碳在空气中的百分比得到：，本章主要分析了不同风速、泄漏孔径以及泄漏速度下煤气毒害范围以及安全区域的变化规律。5.1 环境风速对毒害范围的影响规律 （1）泄漏孔径为0.3m泄漏线速度为100m/s时不同风速对煤气毒害范围的影响 图5.1 一氧化碳毒害区域图Fig.5.1 The poisioning area of co 可以看出随着风速的逐渐增大煤气扩散范围也随之增大，致死区和重伤区的范围也逐渐扩大，并且随着风速的增大在逐渐向下风向偏移。图5.2 一氧化碳毒害区域图Fig.5.2 The poisioning area of co 通过对比可知，随着风速的增大轻伤区的范围也在变大且随着风向移动，安全区范围逐渐变小，并且在上风向处安全区域面积逐渐变大，下风向安全区域逐渐变小。 通过控制变量法比较不同风速下的煤气毒害范围的变化得到如下结论：小结：风速的变大会加剧煤气扩散，使煤气毒害范围变大，下风向的危险范围相对增大。 风速越大越有助于加长泄漏气体的输送距离。5.2 泄漏孔径对毒害范围的影响规律 （1）环境风速为6m/s，泄漏线速度为100m/s时不同泄漏孔径（d/D=0.1，d/D=0.5,d/D=1）对煤气泄漏毒害范围的影响。 图5.3 一氧化碳毒害区域图Fig.5.3 The poisioning area of co 泄漏孔径越大单位时间内泄漏气体量也越大，径向速度也越大，射流主流的长度也更大气体向上喷射的高度也更大（泄漏孔径0.3m和0.6m的实际高度远远高于图示高度）。随着泄漏孔径的变大风速对煤气泄漏毒害范围的影响变小。图5.4 一氧化碳毒害区域图Fig.5.4 The poisioning area of co 随着泄漏孔径的变大轻伤区和安全区逐渐变得对称（关于泄漏口），手风速的影响变小径向传输距离变大。小结：泄漏孔径越大毒害危险区域受风向的影响越小。泄漏孔径越大煤气径向传输距离也越大。泄漏孔径越大泄漏口上方同一高度处煤气浓度也越大。5.3 泄漏线速度对毒害范围的影响规律 （1）泄漏孔径为0.3m，环境风速为6m/s，不同泄漏线速度（管道压力）对煤气毒害范围的影响。图5.5 一氧化碳毒害区域图Fig.5.5 The poisioning area of co图5.6 一氧化碳毒害区域图Fig.5.6 The poisioning area of co可以得出如下结论：泄漏线速度增大（也即管道压力增大）使气体泄漏扩散范围增大，危害范围增大，事故后果也更严重。泄漏场所同一点泄漏气体浓度增大泄漏线速度越大，泄漏气体越关于泄漏口径向方向对称。 本章小结：本章对煤气泄漏事故后果进行了模拟，比较了不同环境风速、泄漏孔径以及泄漏线速度（即管道压力）对煤气毒害范围的影响，得出如下结论:风速的变大会加剧煤气扩散，使煤气毒害范围变大，下风向的危险范围相对增大； 风速越大对泄漏气体的稀释也作用越强，也越有助于加长泄漏气体的输送距离；风速越小混合气体在泄漏口附近积聚，浓度变大，爆炸风险变大。 泄漏孔径越大毒害危险区域受风向的影响越小，煤气径向传输距离也越大，泄漏口上方同一高度处煤气浓度也越大。 泄漏线速度越大气体扩散影响区域也越大，危险系数也随之增大。6 微机数值模拟与计算结果的比较 本章选择扩散模式用高斯烟羽扩散模型来对煤气泄漏事故后果进行数值模拟，与微机数值模拟进行了比较，分析了2者各自的优势和不足。6.1 煤气泄漏扩散基础参数的选择煤气的泄漏量的计算：由于煤气种类不同，因此煤气中一氧化碳的含量以及组成成分也有所不同，为了方便讨论和计算本文选择高炉煤气进行分析，具体分析如下：（1） 高炉煤气的主要成分： CO：30% ,：2% ,：58% ,：10% 气体平均分子量： 气体标况密度： 0=（2） 煤气泄漏量的计算假定泄漏线速度恒定不变，本文泄漏线速度为100m/s和200m/s，泄漏口面积 因此泄漏量为： （6.1）V=100m/s时，将,带入式6.1得到：6.2 煤气泄漏后不同风速毒害范围的计算 选择泄漏口d2=0.3m，泄漏线速度100m/s，比较风速分别为2m/s，6m/s，10m/s下的毒害范围。 由于煤气还有多种气体组成的混合气体，不同种类煤气的一氧化碳含量不同，本文按照一氧化碳急性中毒对人体的危害程度还划分一氧化碳毒害浓度范围。划分为致死区外边界浓度值，重伤区外边界浓度值和轻伤去外边界浓度值。 （6.2）式中，是煤气的浓度，C是CO的浓度，是CO在煤气中的体积分数，是煤气平均分子量。 将=29.08g/mol，=30%，以及，分别代入上式得到高炉煤气致死、重伤及轻伤的浓度值：本文采用高斯烟羽扩散模型中有界点源烟羽模型，计算煤气泄漏的浓度分布。其计算公式为： （6.2）式中，C（x,y,z）为下风向空间任意一点处的浓度，Q为泄漏源强（kg/s），分别为y、z方向的铅直扩散参数。 （大气稳定度为类）简化后得到。将，y=0,z=0， ，u=2m/s，代入式6.2得： 解得：u=2m/s时 同理解得：u=6m/s时 u=10m/s时其中，Rs、Rz、Rq分别为致死半径、重伤半径和轻伤半径。 由以上计算可以得到泄漏线速度为100m/s泄漏孔径为0.3m下不同风速条件下的煤气泄漏的伤害半径，详见表6.1。 表6.1：煤气泄漏后不同环境风速下的伤害半径Tab.6.1 The damage radius of gas leak in different wind风速（m/s）伤害半径R（m）致死半径重伤半径轻伤半径2m/s274.1548.161225.76m/s158.24316.48707.6710m/s122.57245.14548.16 可以看出随着风速的增大致死、重伤、轻伤半径都逐渐减小，即风速越大越有利于煤气的扩散，环境风主要起到了稀释的作用，相反的如果风速过小，出现静风情况时则不利于煤气的扩散，更容易形成高浓度的煤气气云，危害后果严重。6.3 煤气泄漏后不同泄漏孔径毒害范围的计算 环境风速为6m/s，泄漏线速度为100m/s时不同泄漏孔径（d/D=0.1，d/D=0.5,d/D=1）下煤气泄漏毒害范围的计算。将u=6m/s，代入式6-2（其余参数同6.2煤气泄漏后不同风速毒害范围的计算）得到： 解得： 由以上计算可以得到环境风速为6m/s，泄漏线速度为100m/s时下不同泄漏孔径下的煤气泄漏的伤害半径，详见表6.2。表6.2：煤气泄漏后不同泄漏孔径下的伤害半径Tab.6.2 The damage radius of gas leak in dfferent aperture 泄漏面积（孔径）伤害半径R（m）致死半径重伤半径轻伤半径31.6563.30141.54158.24316.48707.67304.14632.961415.34 由表中数据可以看出伤害半径的比值近似等于对应泄漏孔径的比值，泄漏孔径成倍增加对应的伤害半径也成倍增加。6.4 煤气泄漏后不同泄漏线速度毒害范围的计算 环境风速为6m/s，泄漏孔径为0.3m时不同泄漏线速度下煤气泄漏毒害范围的计算。 将，代入公式6-1得到： 将u=6m/s，代入式6-2（其余参数同6.2煤气泄漏后不同风速毒害范围的计算）得到： 解得时 时 由以上计算可以得到环境风速为6m/s，泄漏孔径为0.3m时不同泄漏线速度下煤气泄漏的毒害范围，详见表6.3。表6.3 煤气泄漏后不同泄漏线速度下的伤害半径Tab.6.3 The damage radius of gas leak in dfferent speed 泄漏线速度（m/s）伤害半径R（m）致死半径重伤半径轻伤半径100158.24316.48707.67200223.76447.531000.7 可以看出泄漏线速度增大（管道压强增大）毒害半径也随之变大，泄漏线速度是影响煤气泄漏后毒害范围的一个重要因素。6.5 两种数值模拟方法的比较1.环境风速对煤气泄漏毒害范围的影响（1）微机数值模拟得出：风速的变大会加剧煤气扩散，使煤气毒害范围变大，下风向的危险范围相对增大。 风速越大越有助于加长泄漏气体的输送距离。（2）扩散模式计算得出： 随着风速的增大致死、重伤、轻伤半径都逐渐减小，风速越大越有利于煤气的扩散，环境风起到了稀释的作用。（3）两种模拟结果不一致的原因： 由于微机数值模拟中建立的模型空间过小，从模拟结果中并不能得到全部的扩散情况，在图中看到的只是局部区域泄漏扩散情况（即泄漏口附近的扩散情况）所以得出的结论受到了模型的限制。（4）综合比较两种模拟结果可以得出如下结论： 环境风有助于煤气的扩散，使更多的空气混入煤气中起到了稀释的作用，有利于减小死亡、重伤、轻伤半径，减小了煤气毒害范围，但是环境风却使得下风向成为“重灾区”，大大增加了下风向的危险系数，所以居民区以及人员密集地区应该建立在工厂的全年主导风向风的上风或全年最小风频向的下风向位置，工厂也不应该建在窝风地带。2. 泄漏孔径对煤气泄漏毒害范围的影响（1）微机数值模拟得出： 泄漏孔径越大毒害危险区域受风速的影响越小。 泄漏孔径越大煤气径向传输距离也越大。 泄漏孔径越大泄漏口上方同一高度处煤气浓度也越大。（2)扩散模式计算得出： 泄漏孔径成倍增加对应的伤害半径也成倍增加（3）两种模拟结果的比较分析： 由于微机数值模拟受到模型、网格划分的限制，并不能完整的预报出真实泄漏过程浓度场的分布；而数值模拟计算仅仅反应出下风向的毒害范围，不能反应出泄漏扩散的过程以及煤气径向浓度的分布。 （4）综合比较两种模拟结果可以得出如下结论： 泄漏孔径增大相应的毒害范围也会增大，煤气径向传输距离也会增加，泄漏场所同一位置的煤气浓度也会增大。3. 泄漏线速度对煤气泄漏毒害范围的影响（1）微机数值模拟得出： 泄漏线速度增大（也即管道压力增大）气体泄漏扩散范围增大，危害范围增大。泄漏场所同一点泄漏气体浓度增大。泄漏线速度越大，泄漏气体越关于泄漏口径向方向对称。（2）扩散模式计算得出：泄漏线速度增大（管道压强增大）毒害半径也随之变大，泄漏线速度是影响煤气泄漏后毒害范围的一个重要因素。（3）两种模拟结果的比较分析：微机数值模拟可以直观的看出泄漏场所气体浓度的分布，以及由泄漏速度引起的浓度分布的变化趋势，而数值模拟计算仅仅得出毒害半径的变化。（4）综合比较两种模拟结果可以得出如下结论：泄漏线速度越大煤气毒害半径也越大，泄漏场所同一点处煤气的浓度也升高，增大了煤气泄漏的危害范围和危险系数。6.6 两种数值模拟方法的优劣1.微机数值模拟 微机数值模拟可以直观的得出煤气泄漏后浓度场的分布，以及了解泄漏扩散的过程，对有毒气体泄漏事故的预测和气体泄漏扩散规律的研究有非常大的帮助，但是由于微机数值模拟十分依赖尚未完善的湍流模型，以及事故现场的复杂多变性就