劉鵬 黃維和 李玉星 王武昌 楊昊

中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院

 

摘 要：天然氣管道事故發(fā)生后，會(huì)因事故處理不當(dāng)以及應(yīng)急方案不完善導(dǎo)致事故進(jìn)一步擴(kuò)大，造成巨大的人員傷亡與國家財(cái)產(chǎn)損失。為了給天然氣管道事故發(fā)生后的救援及應(yīng)急方案制定提供參考，基于地理信息系統(tǒng)，以ArcGIS為開發(fā)平臺(tái)，采用Python語言，將事故模型進(jìn)行編程，形成天然氣管道事故分析工具箱，實(shí)現(xiàn)基于GIS的天然氣管道泄漏后果定量分析，并通過瞬時(shí)泄漏案例，說明工具箱的實(shí)際應(yīng)用和效果。

關(guān)鍵詞：天然氣；泄漏后果；地理信息系統(tǒng)；定量分析

 

“十三五”以來，天然氣的發(fā)展迎來歷史性機(jī)遇。隨著天然氣管道大規(guī)模建設(shè)，天然氣管道發(fā)生失效事故所帶來的后果問題也得到廣泛關(guān)注。泄漏的天然氣濃度過高容易導(dǎo)致人員窒息，泄漏天然氣接觸到明火之后很容易發(fā)生爆炸、燃燒，使得事故影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，造成巨大人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失[1-6]。因此，如何快速準(zhǔn)確地定量確定天然氣管道事故危害范圍、危害程度、事故演變情況，從而及時(shí)采取有效的應(yīng)急方案，保障生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)天然氣管道事故后果處理具有重大意義。

1 理論計(jì)算模型

1.1 天然氣擴(kuò)散模型

高斯模型是目前較為廣泛采用的氣體擴(kuò)散模型，其基于統(tǒng)計(jì)理論的正態(tài)分布假設(shè)來推算氣體的擴(kuò)散模式，分為高斯煙羽模型和高斯煙團(tuán)模型[7]。

1.1.1 高斯煙羽模型

若管道泄漏口為小孔，可認(rèn)為泄漏為連續(xù)泄漏源，采用高斯煙羽模型模擬計(jì)算該泄漏氣體的濃度分布，其表達(dá)式由式（1）給出：

 

式中： Q，泄漏速率， m3/s； C，泄漏氣體的濃度，kg/m3； u，平均風(fēng)速， m/s； σy，氣體的側(cè)向擴(kuò)散系數(shù)，m； σz，氣體的縱向擴(kuò)散系數(shù)， m； z，距離地面的高度， m； H，泄漏源距離地面的高度， m。

1.1.2 高斯煙團(tuán)模型

若天然氣管道完全斷裂，則管道內(nèi)氣體將瞬時(shí)泄放。可采用高斯煙團(tuán)模型模擬計(jì)算瞬時(shí)泄漏氣體的濃度分布，其表達(dá)式由式（2）給出：

 

式中： m ，總泄漏量， kg； t ，泄漏時(shí)間， s；σx，下風(fēng)向氣體擴(kuò)散系數(shù)， m。

1.2 天然氣爆炸模型

天然氣泄漏到環(huán)境中，在未點(diǎn)火情況下，將與空氣混合形成天然氣—空氣混合氣團(tuán)（以下簡稱混合氣團(tuán)），一旦遇到火源，將引燃?xì)鈭F(tuán)發(fā)生爆炸。 TNT當(dāng)量法是將一定質(zhì)量的天然氣的燃燒熱當(dāng)量計(jì)算為TNT質(zhì)量，根據(jù)TNT的藥量來衡量爆炸事故導(dǎo)致的破壞程度，通過這種換算，將天然氣和爆炸危害范圍建立關(guān)系。其模型公式由式(3)(4)(5)(6)給出：

 

式中： WTNT ，天然氣爆炸事故的當(dāng)量TNT質(zhì)量， kg； Wf ，參與爆炸的天然氣質(zhì)量，一般取泄漏天然氣質(zhì)量的10%， kg； Qf ，天然氣燃燒熱， J/kg；QTNT ， TNT爆炸熱，一般為4.12～4.69 MJ/kg； z ， 爆炸特征長度； Pi ，爆炸超壓峰值。

1.3 天然氣燃燒模型

天然氣管道瞬時(shí)泄漏后，形成的混合氣團(tuán)處于可燃范圍內(nèi)時(shí)被引燃將發(fā)生瞬態(tài)燃燒，即為火球[8]。

火球半徑計(jì)算公式由式(7)給出：

 

火球持續(xù)時(shí)間計(jì)算公式由式(8)給出：

 

式中： W，參與燃燒的泄漏氣體質(zhì)量， kg； R，火球半徑， m； T，火球持續(xù)時(shí)間， s。

熱輻射計(jì)算公式由式(9) (10)給出：

 

式中： Q ，火球總輻射量， J； Hc，燃料的燃燒熱， J/kg； Q，熱輻射， W/m2； Tc，熱傳導(dǎo)系數(shù)，取1.0； L，目標(biāo)距離火球中心的距離， m。

2 事故危害范圍準(zhǔn)則

2.1 天然氣擴(kuò)散危害準(zhǔn)則

天然氣主要由甲烷等烷烴類組成，其自身無毒無害，當(dāng)濃度超過10%（體積分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，由于空氣中氧氣濃度下降，會(huì)導(dǎo)致人體因?yàn)槿毖醵�不適。此外，5%～15%天然氣濃度為爆炸極限區(qū)，該濃度范圍內(nèi)遇到明火將極易發(fā)生燃爆事故。

2.2 天然氣爆炸危害準(zhǔn)則

天然氣爆炸事故危害主要來源于爆炸產(chǎn)生的爆炸超壓波，主要危害對(duì)象為建筑物，超壓波對(duì)建筑物的危害準(zhǔn)則如表 1所示。

　　　　　　　　　　　　

2.3 天然氣燃燒危害準(zhǔn)則

天然氣在開始泄漏時(shí)與空氣混合并不完全，如果泄漏口附近有明火，將直接導(dǎo)致天然氣燃燒。燃燒主要危害來源于燃燒產(chǎn)生的熱輻射，熱輻射可致人體燒傷，使樹木或其他可燃物發(fā)生燃燒。熱輻射對(duì)人體的傷害準(zhǔn)則如表 2所示。

3 天然氣管道事故分析工具箱

基于ArcGIS，利用其空間分析和可視化技術(shù)，采用Python語言，將已有的擴(kuò)散、燃燒、爆炸等數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程，形成天然氣管道事故后果分析工具箱，將數(shù)學(xué)模型的定量分析結(jié)果直接呈現(xiàn)于GIS，實(shí)現(xiàn)管道泄漏事故后果的區(qū)域化和可視化，結(jié)合GIS不同圖層，將更加直觀、方便地進(jìn)行天然氣管道泄漏事故的后果分析。

以中緬管道某處瞬時(shí)泄漏為例，說明工具箱的使用效果。

設(shè)泄漏事故點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)為（101.8， 25），該處天然氣管道發(fā)生斷裂，應(yīng)急部門反應(yīng)迅速，短時(shí)間內(nèi)將斷裂點(diǎn)上下管線閥門關(guān)閉。中緬管道兩個(gè)閥室之間的距離取20 km，當(dāng)?shù)卮髿鈮汉蜏囟认绿烊粴饷芏热?.6 kg/m3，則該段管線存氣量175.6萬m3（標(biāo) 方，下同），可認(rèn)為本次事故總天然氣量為175.6萬m3，去除管線內(nèi)部存留的天然氣1.6萬m3，管道瞬時(shí)泄漏天然氣174.0萬m3，環(huán)境風(fēng)速為2 m/s，風(fēng)向自西向東。

3.1 未發(fā)生燃爆情況分析

以10%天然氣濃度（窒息危險(xiǎn)濃度）為濃度邊界，時(shí)間點(diǎn)分別取10 s、 100 s、 200 s、 400 s，運(yùn)行天然氣管道事故后果分析工具箱中的高斯煙團(tuán)模型，不同時(shí)間點(diǎn)混合氣團(tuán)覆蓋區(qū)域如圖 1所示。

　　　　　　　　　　　　

不同時(shí)間點(diǎn)混合氣團(tuán)定量危害范圍如表 3所示。

混合氣團(tuán)的位置隨時(shí)間延長不斷向東移動(dòng)，移動(dòng)過程中以10%濃度為界的混合氣團(tuán)不斷擴(kuò)大，混合氣團(tuán)危害范圍也不斷延伸。泄漏后100 s，混合氣團(tuán)逼近斷裂點(diǎn)附近的羅川鎮(zhèn)； 400 s時(shí)，混合氣團(tuán)離開羅川鎮(zhèn)，覆蓋羅川村。

將混合氣團(tuán)模擬時(shí)間點(diǎn)取至200 s，運(yùn)行高斯煙團(tuán)模型，得到混合氣團(tuán)整個(gè)運(yùn)動(dòng)危害范圍，見圖2。

圖 2中混合氣團(tuán)整個(gè)擴(kuò)散過程中的覆蓋面積為34.5 km2，周長38.1 km。據(jù)計(jì)算，混合氣團(tuán)在2.5 h后天然氣濃度已經(jīng)低于10%，即對(duì)人已經(jīng)沒有窒息危險(xiǎn)。此次瞬時(shí)泄漏表現(xiàn)為混合氣團(tuán)的位置不斷移動(dòng)，影響范圍隨時(shí)間變化，同濃度的混合氣團(tuán)尺寸先擴(kuò)大然后減小，安全部門須及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急方案，提前根據(jù)模擬結(jié)果預(yù)測位置，安排人員疏散，并消除可能的火源。人員緊急撤離等待混合氣團(tuán)移動(dòng)過后，方可恢復(fù)正常生活。

3.2 發(fā)生爆炸情況分析

設(shè)200 s時(shí)，有明火引燃混合氣團(tuán)爆炸，假設(shè)泄漏的天然氣全部參與爆炸，以天然氣爆炸極限濃度5%～15%為邊界，運(yùn)行爆炸模型，得到爆炸極限范圍，如圖 3所示。

圖 3爆炸極限區(qū)域覆蓋面積19 552 m2，在該區(qū)域一旦出現(xiàn)明火，將直接導(dǎo)致混合氣團(tuán)爆炸，爆炸產(chǎn)生的超壓沖擊波將會(huì)造成更大范圍傷害。在當(dāng)?shù)貕毫�和溫度下，天然氣密度�?.6 kg/m3，則泄漏的天然氣質(zhì)量為72 000 kg。以點(diǎn)火源為爆炸中心，燃燒熱取甲烷的燃燒熱55 600 kJ/kg， TNT爆炸熱取4 500 kJ/kg，假設(shè)泄漏的天然氣全部參與爆炸，則根據(jù)表 1中沖擊波超壓值運(yùn)行爆炸模型，爆炸超壓波影響建筑物范圍如圖 4所示。

該爆炸事故對(duì)建筑物定量危害范圍如表 4所示。

3.3 發(fā)生火球燃燒情況分析

設(shè)200 s時(shí)，出現(xiàn)一處引燃點(diǎn)引燃混合氣團(tuán)變成火球，假設(shè)泄漏的天然氣全部參與形成火球，由于噴射火的危害主要是熱輻射，故參照熱通量傷害準(zhǔn)則表 2，運(yùn)行火球模型，影響人體熱輻射范圍如圖 5所示。

　　　　　　　　　　　　

火球定量危害范圍如表 5所示。

4 總結(jié)與展望

將已有的天然氣管道事故模型與地理信息系統(tǒng)相 結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于GIS的對(duì)天然氣事故泄漏后果的定量分析，對(duì)天然氣管道事故已造成的后果范圍以及接下來的演化范圍進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，從而為已受災(zāi)區(qū)域的救援以及應(yīng)急方案的制定提供參考。

天然氣管道泄漏事故模型僅采用目前比較成熟的理論計(jì)算模型，但是每個(gè)模型與實(shí)際情況的差距還有待考量，針對(duì)現(xiàn)實(shí)中的地形、建筑等障礙物，由于缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)，都沒有納入計(jì)算范圍，因此更加精確、貼合實(shí)際的理論計(jì)算模型還需要添加不同條件進(jìn)行修正。目前，該天然氣管道事故后果定量分析工具箱對(duì)事故的分析僅在二維層面，沒有上升到三維空間，其仍處于雛形，后期還需不斷完善以提高模擬精度，從而對(duì)現(xiàn)實(shí)事故的后果定量分析提供更有價(jià)值的參考。

 

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：國家重大研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0802104）；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017GSF220007）；山東省自然科學(xué)基金聯(lián)合專項(xiàng)（ZR2017LEE003）。

作者：劉鵬，男， 1995年生，博士研究生。 

2019年第4期（總第47期）