液化石油气泄漏扩散

液化石油气泄漏扩散研究【摘要】：对液化石油气的泄漏扩散进行了初步研究。通过对地面泄漏源模式，泄漏气体扩散模式的分析，利用气体湍流扩散微分方程，对不同泄漏源建立相应的气体扩散模型，同时考察了风速、泄放速率、气体密度、周围环境等主要因素对气体扩散过程的影响，用于确定其泄漏范围及危险性，为液化石油气泄漏扩散事故的预防及事故发生后的应急措施提供理论依据。【关键词】：液化石油气；泄漏源模式；气体扩散模式；危险区预测引言液化石油气发生泄漏后，在外部因素和内部浓度梯度的作用下沿地表扩散，形成具有燃烧爆炸危险性的扩散区域。液化石油气由于其特殊组分，与其他单一组分物质的泄漏扩散相比，过程较为复杂，包括多种泄漏形态、闪蒸、蒸发、绝热扩散、重气体扩散和大气扩散，气体扩散范围由于气象条件、地表情况、泄放条件等因素的影响导致的不确定性，为消防部队进行现场抢险救援工作增加了难度。本文利用传质学、流体力学、大气扩散学的基本原理，对液化石油气的泄漏扩散行为模化，对事故建立相应的气体扩散浓度分布模型，用于解决泄漏气体沿地面扩散危险区域范围预测中的问题。泄漏扩散模式1.1泄漏扩散基本过程液化石油气，特别是压力液化石油气多为C3、C4的混合物，物性与单一组分不同，它的物性情况直接影响泄漏扩散过程。液化石油气的泄漏扩散过程一般可以分为以下几个阶段：源泄漏排放，包括与瞬时和连续；初始冲淡，包括闪蒸及绝热扩散过程，形成低温气团，云团浓度分布不均匀；重气体扩散，高浓度（超过爆炸极限）、低高度（1m左右）云团的浓度分布逐渐趋于均匀；从重气到大气扩散的转变，浓度逐渐降低，但仍在爆炸极限浓度范围内，云团高度逐渐抬高；大气扩散云团高度进一步抬高，云团浓度将稀释降到爆炸浓度下限以下，最终消散。1.2泄漏源模式根据泄漏形式，泄漏源分为连续源和瞬时源。由于反应器、储罐、管道损坏或者是阀门、法兰等处密封失效，导致的气体连续释放的泄漏源为连续源，连续源的主要特点是形成长时间较小流量的稳定性泄漏；由于大管径的管道破裂或是容器爆炸引起的，在泄漏瞬间能使泄漏气体形成一定半径和高度的气团的泄漏源为瞬时源，瞬时源具有短时大量泄漏释放的特点。1.3扩散模式根据泄漏气体泄漏类型，气体的扩散模式可以分为烟团扩散和烟羽扩散两种模式。泄漏量较大且密度比空气的密度大较多的气体扩散表现为烟团扩散，瞬时泄漏源和部分的连续泄漏源易形成烟团扩散，其特点是泄漏的气云团在较长时间内不易被空气稀释。液化石油气储罐爆炸破裂形成的气体扩散即属于烟团扩散；若泄漏气体的密度与空气接近或是经过很短时间的空气稀释后密度与空气接近时，其泄漏气体的扩散属于烟羽式扩散，大部分较小流量的连续泄漏源易形成烟羽扩散。泄漏源模式、散模式和事故型的相互关系如图1气象和环境状况泄放容器及泄放孔特性泄放物组分计算泄放物质特性液体泄放速度模式闪蒸模式蒸发池输出结果：一定时间的等浓度线下风向中心线的最大浓度某一点的浓度泄放物质及特性泄放状态气象条件地表情况气象和环境状况泄放容器及泄放孔特性泄放物组分计算泄放物质特性液体泄放速度模式闪蒸模式蒸发池输出结果：一定时间的等浓度线下风向中心线的最大浓度某一点的浓度泄放物质及特性泄放状态气象条件地表情况液体泄放液体泄放压力液化压力液化稳态烟羽扩散模式液池形成稳态源烟团扩散模式稳态烟羽扩散模式液池形成稳态源烟团扩散模式构筑物修订模式构筑物影响构筑物修订模式构筑物影响图1液化石油气泄漏扩散模型的结构框图影响扩散的因素2.1泄放状态泄放状态包括泄漏源的位置、泄漏气体的物性等条件，对于泄漏气云团的扩散有很大的影响。液化石油气的主要组分为C3、C4，在相同条件下, 对于不同组分的液化石油气，其中C3的组分越大，泄漏速度越大，泄漏气云团扩散越远，危险区域就越大。在相同条件（20℃，400m3球罐，70%充装量，罐底有5cm直径泄漏孔），无任何堵漏措施情况下，不同组分的液化石油气的泄漏速度如图2。图2不同组分与泄漏速度的关系图气体的扩散性受自身密度的影响。泄漏气体相对于空气密度的大或小，分别表现出在扩散中以重力作用为主，或是以浮力作用为主。一般地说，当泄漏气体与空气的混合物密度相对于空气密度≥1.1时，该混合物可能沿地面流动，并可能在低洼处积累。液化石油气的比重约为空气的1.5～2.0倍，当发生泄漏时，泄漏气体在重力作用下，发生沉降，使地面浓度增加，但这种下沉趋势会因空气的不断稀释作用而减弱，最终在地面上形成1m～2m或是更高的雾层。地面泄漏源的高度和喷射方向会影响扩散至地面的气体浓度。当泄漏源处于离地较高的位置时，泄漏的气云团扩散至地面的垂直距离较大，在相同的泄漏源强度、泄放状态和气象条件下，扩散至地面的同等距离处的气体浓度会降低。若泄漏发生在容器上部，即泄漏气体向上喷射，泄漏气体具有向上的初始动能，其作用效果与处于较高位置的泄漏源类似。2.2气象条件风速、大气稳定度、气温、太阳辐射强度等因素对液化石油气的泄漏扩散有着不同程度的影响。风速对气体扩散的影响由理论分析可知，气体在扩散过程中，主风向的平流输送作用占主导地位，风向决定了泄漏气云团扩散的主要方向。风速影响泄漏气云团的扩散速度和被空气稀释的速度。风速大，大气的湍流越强，空气的稀释作用越强，风的输送能力也越强。在静风条件下，对于地面泄漏源，泄漏气体以理想的条件扩散成半球状在地面分布，其边缘可能达到较高的浓度，但危险区域较小；在有一定风速时，泄漏气云团向下风向迁移，并不断卷吸空气，使危险区域扩大。当风速处于微风状态时，有利于泄漏气体扩散，又不利于泄漏气体与空气的混合稀释，对于现场处置和抢险救援来说，将处于最不利的状态。大气湍流在气体扩散中起到重要的作用。湍流扩散速度比分子扩散速度快105～106倍，由于大气垂直方向温度不均匀引起的热力湍流，其强度主要取决于大气稳定度。大气稳定度表示空气是否易于发生垂直运动，是评价空气层垂直对流稳定程度的指标，泄漏气体的扩散与大气稳定情况密切相关，大气越稳定，泄漏气云团越不易向高空消散，而是贴近地表扩散；大气越不稳定，空气垂直对流运动越强，泄漏气云团消散得越快。这是因为当大气不稳定时，湍流运动加剧,湍流扩散作用增大,使气云团浓度下降,同时湍流运动的加剧也使得气云团与周围环境的热交换变得剧烈,使扩散的液化石油气温度上升,气云团密度下降,在风的作用下更易于扩散,导致气云团浓度下降。气温或是太阳辐射强弱主要是通过影响大气垂直对流运动而对泄漏气体的扩散发生影响。温度越高，太阳辐射越强，则有利于泄漏气体的扩散；大气湿度对液化石油气泄漏扩散也有影响，一般来说，湿度越大，越不利于泄漏气云团的扩散。2.3地表情况在大气边界层内，由于地面摩擦等因素的影响，风速随着高度的增加而变大。地表情况对风速梯度的影响随高度变化，建筑、树木等会加强地表的湍流程度，即加强了混合稀释作用；而开阔平坦地、湖泊等则相反。一般情况下城市梯度风比近郊梯度风大，近郊梯度风比平坦农村梯度风大。液化石油气的泄漏往往发生在装置区内，这使得烟羽在水平运动的过程中常常会遇到构筑物的阻碍，气流在流经构筑物时，由于构筑物摩擦力的作用和上、下空气的动量交换，可形成新生边界层，从而使得原有气流的动力状况发生改变，同时构筑物周围空气流涡动加剧，气流的扩散能力加强。图3装置区对扩散的影响图4装置区在泄漏源下风向一侧的影响情况装置区内的构筑物大多为框架结构，分布着高度参差不齐的塔、炉等设备，这使装置区内的粗糙程度远大于装置区外的，由此增强了该区域的大气扩散参数并对风速产生了一定影响。从图3、图4可知，装置区的存在对气体扩散最大的影响是缩短了下风向最大影响距离。液化石油气发生泄漏时，易在低洼处形成液池。液化石油气的气化强度在一定程度上决定泄漏气体的扩散范围。发生在不同介质表面的泄漏，会因为介质特性的不同而对气体气化强度产生影响。气化强度值会随着时间的增长而急剧减少，其原因是，随着时间的延长，发生泄漏的固体表面温度降低；气化强度值随着环境温度的升高和气化区域的减少而增大，这是因为液体和周围空气的热对流强度增大。图5气化强度w与气化区域s的关系风速0.4~2.0m/s材料表面为沙子，环境温度19℃(1)s=0.16m2(2)s=0.01m2(3)s=0.04m2图6气化强度W与气化面积s、风速v、温度Ta的关系材料表面为钢板(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℃扩散模型的建立案例：西安市煤气公司液化石油气管理所是西安市煤气公司液化石油气的储存罐区，地处城区西南郊，1998年3月5日16点半左右，一个400m3的球罐根部阀门损坏，导致大量液化气从阀门口泄漏，球罐内压强为２０个大气压力，当时天气晴，风速约为２ｍ/s，太阳辐射强度弱，试利用气体扩散模型预测，从其发生泄漏到消防部门到达现场的25分钟内，形成的气体爆炸危险区范围。3.1基本假设低层大气的流动为湍流运动，泄漏气体在流动大气中的扩散遵守质量守恒定律，其扩散行为可用湍流扩散微分方程描述；湍流是不规则运动，风速和泄漏气体的浓度都是时间和空间的随机变量，取直角坐标系的X轴方向为平均风速的方向，Z轴为铅直向上；各方向上的湍流扩散系数为常数。在上述假设基础上，根据质量守恒定理，可以导出泄漏气体浓度变化的湍流扩散方程（1）式中c为泄漏气体的瞬时浓度（kg/m3）,t为扩散时间（s），u为风速（m/s）Kx、Ky、Kz分别为x、y、z轴方向上的湍流扩散系数（m/s），式（1）等号左边为局地扩散和对流扩散项，而右边为湍流扩散项。3.2扩散模型考虑泄漏源种类和有风、无风状态，以及地面对扩散的影响，确定求解式（1）的限定条件，对式（1）的求解得到的泄漏气体扩散浓度分布式，从而建立相应的扩散模型。无风时，u=0，则式（1）为（2）其初始条件：t=0，泄漏源处（x=y=z=0），c→∞。边界条件：t→∞,c→0。对于泄漏量为Q（kg）的瞬时量，求解式（2），得到的泄漏气体在空气中扩散的浓度分布为（3）有风时，因泄漏气云团随风移动，并在空气的稀释作用下不断膨胀，t时刻时气云团的中心点坐标为（ut，0，0），则式（3）经坐标变换，即可得到u≠0时泄漏气体在空气中扩散的浓度分布（4）在考虑地面对扩散的影响时，通常按照全反射的原理，采用“像源法”处理。当泄漏气体沿地表扩散时，地面对扩散的气体由屏挡作用，可认为地面对于泄漏气体既不吸收也不吸附，使被屏挡的扩散气体全部反射到地面上的空气中。因此认为地面上任意一点的浓度是两部分作用之和：一部分是不存在地面时此点应具有的浓度；另一部分是由于地面全反射而增加的浓度。对于地面泄漏源，任意一点浓度c地（x，y，z）为无界条件下的2倍，即（5）3.3地面连续泄漏源气体扩散模型带压容器，管道等小孔泄漏，在泄漏开始的一段较长时间内气体泄漏的流量Q（kg/s）视为常数；泄漏气体扩散的流场达到稳定时,扩散空间的某一点的浓度应是恒定的，不随时间变化，即当上述假定条件成立时，对于无风状态，即u=0，则式（1）可简化为（6）其初始条件：t=0，泄漏源处（x=y=z=0），c→∞。边界条件：t→∞,c→0。对于泄漏量为Q（kg）的瞬时量，求解式（2），得到的泄漏气体在空气中扩散的浓度分布为（7）有风（u>1m/s）时，因风力产生的平流输送作用远大于水平方向的分子扩散作用，式（1）可简化为（7）其初始条件和边界条件与无风时的式（5）相同。对式（7）求解，可得到有风连续源泄漏气体在空中浓度分布（8）当泄漏气体沿地面扩散时，因地面对扩散气体的全反射作用，由式（4）可得，无风时地面连续源泄漏气体在地面上的扩散浓度分布是空中扩散浓度分布的两倍。3.4泄漏流量的确定要估算气体的扩散范围，首先要确定泄漏流量。对于储罐气体点泄漏源，可以通过经小孔泄漏的源模式计算出泄漏质量流量。本文采用由重庆消防网和中国消防人网站中提供的数据，估算泄漏速度为2.5kg/s。3.5大气稳定度和扩散系数的确定泄漏气体扩散浓度分布式的应用，需要确定式中的湍流扩散系数Kx，Ky，Kz的值。目前，湍流扩散系数常过扩散参数来确定。扩散参数δx、δy、δz与扩散系数之间的关系为扩散系数可以由现场测定，也可以在风洞中进行模拟试验来确定，或是根据经验公式或图算法来估算。目前运用较多的估算法是P-G扩散曲线法。本文亦采用此法确定扩散系数。地面风速m/s白天太阳辐射阴天的白天或夜晚晚有云的夜晚强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大气稳定度级别划分表P-G扩散曲线法根据云量、云状、太阳辐射情况和地面风速，将大气的扩散能力从强不稳定到稳定划分为A到F六个级别。具体分类方法如表1。P-G扩散曲线图根据常规所能观测到的气象资料划定大气稳定度级别，再利用P-G扩散曲线图直接查出下风向距离x上的扩散系数δy、δz。P-G扩散曲线图根据气体扩散模式分为烟团扩散和烟羽扩散参数曲线图，图中不同的曲线反映了大气稳定度的影响。计算结合实际情况，建立相合适的扩散模型。根据案例的天气情况，风速为2m/s，查表1可知，大气稳定度为D级。由于液化石油气的密度比空气大很多，其扩散参数应用烟团模式扩散曲线(如图7、图8)来确定。图7烟团模式的水平扩散参数曲线图图8烟团模式的垂直扩散参数曲线图无风时泄漏气体是以泄漏处为圆点向四周扩散的，而有风时主要考虑下风向的扩散距离，故计算本案例泄漏的液化石油气的爆炸危险区范围，应计算下风向的范围内的危险区域。液化石油气在空气中的爆炸下限2%，平均分子量为51g/mol,由理想气体方程，求出液化石油气在空气中达到爆炸极限时的质量浓度：kg/m3以液化石油气爆炸浓度下限的50%为爆炸危险区边界浓度，则求当c地（x，0，0）=0.5c下限时的泄漏距离x。应用有风时连续泄漏源模型，令y=z=0，由式（3）和式（4）可得：利用试差法对方程求解，假定x值分别为0.1km，0.2km，由P-G扩散曲线值表，查出相应的值，代入上式计算，可得表2/m0.14.192.339.760.27.914.8037.97表2线性插值法计算表在利用内插法求x的值即在液化石油气法发生泄漏扩散的下风向134米范围内，属于燃烧爆炸危险区域。5．结束语对于液化石油气的泄漏扩散过程，利用高斯扩散模型，借助于P-G扩散参数曲线图，分析不同泄漏源模式和扩散模式下的气体沿地面扩散的浓度分布情况，用于估算液化石油