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1 第二章燃气的泄漏与扩散 魏璠燃气教研室主楼606 TEL23085222 2 2 1燃气的泄漏 环境污染 资源浪费 爆炸 火灾 3 2 1 1泄漏的分类 气体泄漏 人工煤气 天然气 液体泄漏 重烃类 液化燃气 气液两相泄漏 LNG LPG 按泄漏流体分 管道泄漏管道设备泄漏 调压器 阀门 补偿器 排水器 计量装置等储气装置泄漏 储罐 钢瓶等 按泄漏构件分 4 持续泄漏 穿孔 渗透瞬时泄漏 开裂 按泄漏时间分 穿孔泄漏 由于腐蚀产生小孔引起 d 10mm开裂泄漏 由外力干扰或超压破裂引起 A 20 100 Ad渗透泄漏 由设备连接不严密产生 按泄漏模式分 化学腐蚀电化学腐蚀杂散电流腐蚀细菌腐蚀 5 化学腐蚀 原因土壤 空气或管道中的各种化学介质 如氧 硫化氢 二氧化碳等 与金属管道接触 发生化学反应而引起 特点管道的内 外壁均会发生 腐蚀比较均匀 防护方法预留腐蚀裕度 内外防腐涂层 6 电化学腐蚀 金属与电解质溶液接触时 由电化学作用引起的腐蚀 金属与电解质溶液形成了原电池 内壁 燃气含有水分时 水在管道的内壁形成亲水膜 燃气中的H2S CO2 O2溶于水中便会成为电解质 外壁 土壤本身就是电解质 由于钢管表面粗糙度图同等原因 使一部分金属容易电离 发生氧化还原反应 在阳极区带正电的金属离子与土壤中带负电的阴离子发生电化学作用 使阳极区的金属离子不断电离而受到腐蚀 钢管表面出现凹穴 以致穿孔 而阴极则保持完好 特点 局部腐蚀 防护方法 电保护法 7 杂散电流腐蚀 由于外界各种电器设备的漏电与接地 在土壤中形成杂散电流 危害最大的是直流电 主要是电气化铁路 有轨电车的钢轨 直流电焊机等 在电流离开钢管流入土壤处 管壁产生腐蚀 防护方法 排流保护 8 细菌腐蚀 厌氧条件下 硫酸盐还原菌能将硫酸根离子还原成二价硫离子 进而生成硫化氢 加速了钢管的腐蚀 防护方法 防腐绝缘层 9 2 1 2泄漏量的计算 液体泄漏利用流体力学的伯努利方程 式中 A 泄漏口面积 m2 Cdl 液体泄漏系数 与流体的雷诺数有关 完全紊流液体时 该系数为 0 6 0 64 推荐使用0 61 对于不明流体状况时取1 g 重力加速度 98m s2 h 泄漏口之上液位高度 m p 容器内介质压力 Pa p0 环境压力 Pa qml 液体泄漏的质量流量 kg s 液体的密度 kg m3 10 气体泄漏利用伯努利方程 考虑气体流动状态音速流满足 11 亚音速流满足 式中 Cdg 气体泄漏系数 与泄漏口的形状有关 圆形时取1 00 三角形时取0 95 长方形时取0 90 由内腐蚀形成的渐缩小孔取0 9 1 0 由外腐蚀或外力冲击所形成的渐扩孔 取0 6 0 9 气体绝热指数 也称比热比 双原子气体取1 4 多原子气体取1 29 单原子取1 66 燃气的分子量 kg mol 通用气体常数 8 3144J mol 气体的温度 12 两相流泄漏过热液体发生泄漏可出现气液两相流动均匀两相流泄漏 条件 13 式中 d 两相流泄漏系数 泄漏口面积 m2 m 两相混合物在容器内的压力 Pa C 临界压力 一般假设为0 55pm Pa m 两相混合物的平均密度 kg m3 g 液体蒸汽的密度 kg m3 l 液体的密度 kg m3 V 闪蒸率 即蒸发的液体占液体总量的比例 p 两相混合物的定压比热 J kg K 液体的储存温度 K b 液体在常压下的沸点 K V 液体的蒸发热 即液体的质量焓 J Kg 14 discussion Fv 1 Fv 1 Fv 1 液体与两相的划分 液体不会发生闪蒸 可按液体泄漏计算 泄漏液体蔓延遇防液堤形成液池 发生闪蒸 泄漏量按两相泄漏计算 泄漏液完全闪蒸 按气体泄漏计算 FV 0 2时 不会形成液池 按两相泄漏计算 15 例题 试计算高压天然气管道的泄漏量 条件如下 1 泄漏面积为1 0mm2圆形孔洞 2 泄漏时管线内绝对压力为1 7 106Pa 大气绝对压力为101325Pa 温度为25 天然气绝热指数1 316 3 从开始泄漏到发生爆炸时间分别为5min 10min 30min 1h 6h 12h 第一步 天然气泄漏时流动状态判断 流动属于音速流 流动属于亚音速流 16 气体泄漏属于音速流 第二步天然气泄漏量计算音速流的泄漏量可采用下式计算 qm 天然气泄漏量 kg s Cdg 气体泄漏系数 圆形裂口取1 A 裂口面积1 0mm2 M 天然气摩尔质量 取0 016kg mol R 摩尔气体常数 8 314J mol K T 天然气绝对温度 298KVm t时间内天然气总泄漏量 kg t 天然气持续泄漏时间 s 17 天然气总泄漏量 18 2 2泄漏燃气的扩散 模型有关因素燃气物理性质 泄漏管道系统的周边环境 气候条件决定性影响因素燃气温度 密度 大气温度 密度 风速 泄漏现场障碍物等 19 2 2 1泄漏液体的蒸发 障碍物 液池 低挥发性液池蒸发量小 池火灾 危害小高挥发性液池形成蒸气云 火灾 危害大 储罐 20 液池面积假设液体泄漏点为中心扁圆柱形扩散瞬时泄漏 30s之内 持续泄漏 10min以上 21 2 2 1泄漏液体的蒸发 分类 闪蒸 热量蒸发 质量蒸发 由于压力突然降低 使液体温度高于该压力下的沸点时的突然蒸发现象 闪蒸末端 由于向液体传热产生的蒸发 闪蒸及热量蒸发停止后 由于液体分子的迁移产生的蒸发 22 闪蒸蒸发速度计算 23 热量蒸发蒸发速度计算 24 质量蒸发蒸发速度计算 25 2 2 2射流扩散 紊流气体射流扩散模型分类宽敞空间 自由射流模型密闭空间 受限射流模型本节重点静止空气中自由紊流射流模型 26 静止空间自由射流 自由射流当气流由管嘴或孔口喷射到充满静止介质的无限大空间时 形成的气流 理想 层流 紊流 27 射流特点分子微团的横向脉动 引起射流与周围介质之间质量和动量交换 产生内摩擦 使周围介质被卷吸 存在紊流核心区 其内速度恒等于泄漏速度u0 出口到核心区末端的长度为起始段长度s0 射流边界外为纯空气 核心区内为纯燃气 边界层区为混合气体 28 紊流射流模型 泄漏速度起始段长度极点深度r0 泄漏孔口半径 a 紊流结构系数0 07 0 08 29 圆断面射流沿程射流半径衰减规律R 圆断面射流半径 S 截面到泄漏孔口的距离 30 射流轴心速度um沿程衰减模型圆射流任一截面上无因次流量与距离的关系 31 射流轴心浓度沿程衰减模型截面浓度分布与速度分布关系 32 紊流射流卷吸率等温射流非等温射流 33 思考 射流火焰长度的计算 条件 产生火焰时 燃气的浓度与空气的浓度比例等于化学当量比 已知泄漏口直径d 30mm 燃气燃烧需要的理论空气量V0 3 07Nm3 Nm3 燃气密度1 25kg m3 燃气向空气中泄漏 试计算火焰长度 34 35 2 2 3绝热扩散 闪蒸液体或高压气体瞬时释放而未与环境进行热交换 称为绝热扩散 50 泄漏量 50 泄漏量 TNO扩散模型 36 绝热扩散过程扩散阶段在压力作用下 气团首先向外扩散 直到压力降到与大气压一致 掺混阶段气团与周围空气掺混 混合气体范围继续扩大 当内层扩散速度dR dt低到一定程度时 假设为1m s 扩散过程结束 37 扩散能的计算 气体泄漏气团的扩散能 38 液体泄漏闪蒸蒸汽团的扩散能 39 气团内层半径Rl和浓度C随时间t的变化规律 式中 t 扩散时间 s V0 标准状态下气体体积 m3 Kd 紊流扩散系数 其计算公式为 式中 E 扩散能 40 中心扩散临界速度设扩散结束时扩散速度1m s 扩散结束时内层半径和浓度 41 外层半径 42 2 2 4气团在大气中的扩散 高斯模型假设定常态 不考虑重力及浮力的作用 不发生化学反应 扩散气体到达地面完全反射 无任何吸收 平均风速不小于1m s 坐标系x方向与流动方向相同 y及z方向分速度为0 扩散气体的性质与空气相同 地面水平 高斯烟羽模型 高斯烟团模型 连续泄漏气团扩散模拟 瞬时泄漏气团扩散模拟 43 高斯烟羽模型密度分布计算式 44 高斯烟团模型密度分布计算式 45 上式中扩散参数的确定 扩散参数与大气稳定度 风速 太阳辐射等级 地表有效粗糙度等有关 可实测或由经验公式确定 大气稳定度等级划分 ABCDEF 46 地表有效粗糙度划分 47 Z0 0 1m时 利用公式a0 g0按下表选取 y0 z0为修正系数 按下表选择 48 扩散参数的确定 49 瞬时排放时 应考虑实际排放时间修正扩散参数 50 2 2 5重气扩散 箱式模型气云下沉气云扩展速度 H0 R0 V0 H R 式中 a 空气密度 r 参考密度 可取空气密度或气云 空气混合气密度 K 常数 51 气云卷吸空气卷吸空气质量随时间的变化 式中 ma 卷吸空气的质量 kg 侧面卷吸常数 Uc 顶部卷吸率 它是Richardson数和纵向湍流速率Ul的函数 顶部卷吸速率常数 52 气云温度随时间的变化重气扩散末期 大气紊流扩散成主要影响因素 可利用高斯模型进行计算 53 2 2 6泄漏燃气扩散的数值模拟 数值模拟是指采用计算流体力学 CFD 方法 利用燃气泄漏的初始条件和边界条件 求解泄漏燃气运动的微分方程组 从而得出泄漏燃气的速度场和浓度场分布 数值模拟的优点在于可以求解任意特定场合的泄漏扩散 求解结果非常精确 分类 有限容积法 有限元法 有限差分法 54 建立模型模型离散化 方程离散化 图形离散化 建立微元体方程组引入边界条件或初始条件方程求解 55 燃气泄漏扩散模型图 56 例题 选取一个城市中燃气地下管道被第三方破坏 管道被挖断后时间较长未切断气源 暴露于地上 对泄漏后扩散情况进行计算 条件如下 设环境温度为25 地面平均风速为2m s 大气稳定度为D级 中性稳定 管径为60mm 管道内气源设为两种 天然气 压力为0 3MPa 成分为 CH491 5 C2H64 74 C3H82 59 液化石油气 压力为0 07MPa 成分为 C3H840 C4H1060 57 1 天然气泄漏扩散 天然气泄漏源强计算 天然气泄漏为声速流动 取气体泄漏系数Cdg 1 裂口面积A 0 0028m2 计算得到天然气泄漏源强qm 1484 12g s 58 天然气扩散范围计算 对于连续源 由于源持续排放 可以认为质量浓度处于定常状态 即质量浓度不随时间变化 仅是空间坐标的函数 选取模型的坐标系 下风向为x轴 竖直高度为z轴 与下风向垂直方向为Y轴 由于高斯模型的连续解沿Y方向呈正态分布 当Y 0时的扩散距离最大 化简 59 天然气扩散范围立面图 天然气扩散范围平面图 60 2 液化石油气泄漏扩散 液化石油气泄漏源强计算 泄漏属于亚音速流 计算得液化石油气泄漏源强qm 1051 42g s 61 液化石油气扩散范围计算 采用箱式模型 该模型分为两个阶段 第一阶段是泄漏后的重气扩散阶段 第二阶段是重气效应消失后的被动气体扩散阶段 可采用高斯模型 其中第一阶段又可分为4个阶段 即重力下沉 卷吸空气 气云受热及转变成中性状态阶段 其中气云受热主要是指低温气体 对于本问题可忽略不计 第一阶段 重气扩散 a 重力下沉假设燃气喷射分布形状为半径r 高h的圆柱体 其变化用下式来描述 62 b 卷吸空气假设空气同时在气云边缘及顶部被卷吸 则 63 ma 被卷吸的空气质量 kgUc 顶部卷吸速度 m s 边缘卷吸空气速度的控制参数 由实验确定 一般在动量射流区为0 56 在浮力羽流区为0 085 卷吸常数 0 1Ul 轴向湍流速度 m sRi 理查逊数la 湍流长度 mU 摩擦速度 m sUl U 的值见下表 U U取决于表面粗糙度 一般取其典型值为0 1 64 随着高度的增加 Uc有一极限值近似等于Ul 这可看作是一个转变标准 即Uc Ul 或者满足关系 c一 a 0 001kg m3 就认为是已转变为中性阶段 根据上述公式 计算得重气扩散阶段R为27 59m 第二阶段 被动扩散 当液化石油气转变到中性阶段以后 以高斯分布形式进行扩散 结合第二阶段扩散 得到的下风向y 0中线上的扩散范围图 65 2 3有毒燃气泄漏扩散的中毒效应 2 3 1燃气中的有毒成分及危害CO中毒CO与人体内血红蛋白结合 造成人体缺氧 引发内脏出血 水肿及坏死 CO中毒可以分为 轻度中毒 中度中毒和重度中毒 轻度中毒主要表现为头晕 眼花 剧烈头痛 耳鸣 恶心 呕吐 心悸 四肢无力 短暂的昏厥 脱离中毒现场 吸入新鲜空气后 症状迅速消失 中度中毒除上述症状外 可有多汗 烦躁 步态不稳 皮肤和黏膜呈樱桃红色 意识模糊 甚至虚脱或昏迷 如能及时抢救 能较快清醒 数日内恢复 一般无后遗症状 重度中毒患者可能昏倒 并常发脑水肿 肺水肿 心肌损伤 心律紊乱 高热或惊厥 皮肤 黏膜出现苍白或青紫 有的患者四肢皮肤可出现大水疱或水肿 病人牙关紧闭 强直性全身痉挛 大小便失禁等 如果不及时抢救 则很快死亡 重症病人经抢救苏醒后 仍有可能出现神经系统受损的症状 66 H2S和SO2中毒H2S是无色有特殊臭鸡蛋气味的气体 中毒的主要途径为吸入和接触 皮肤吸收 急性中毒的主要症状为患者意识不清 过度呼吸迅速转向呼吸麻痹 并很快死亡 亚急性中毒的症状为患者出现头痛 胸部压迫感 乏力及眼 耳 鼻 咽黏膜灼痛 以及呼吸困难 咳嗽 胸痛等 慢性中毒一般为眼角膜的损伤 如瘙痒 疼痛 肿胀 或明显炎症 角膜糜烂 SO2是无色有刺激性臭味气体 引起中