采用高斯模型分析输气管道泄漏后气体的扩散

1、2010年第14期内蒙古石油化工49采用高斯模型分析输气管道泄漏后气体的扩散程勇,于林,姚安林(西南石油大学,四川成都610500)摘要:在深入分析输气管道泄露气体扩散的基础上,根据天然气扩散本身的特征和研究问题的需要,采用高斯模型确定了泄漏源有效高度,:泄漏源抬升高度与扩散气体的初始速度和方向、初始温度、泄漏口直径、构、离地面高度、地面粗糙度、;关键词:;中图分类号:文献标识码:A文章编号:10067981(2010)14004903气团在大气中的扩散情况与气团自身性质有关。当气团密度小于空气密度时,气团将向上扩散而不会影响下面的居民;当气团密度大于空气密度时,气团将沿着地面扩散,危害很大。

2、在本文分析中,我们仅考虑其密度接近于或大于空气密度的气团的扩散。除了气团本身性质外,气团的扩散还受大气稳定度(反映地表地形、建筑物影响风流局部紊流情况的参数)等因素影响,呈现十分复杂的函数关系。天然气的密度与空气的密度相差比较小,故可以采用高斯模型计算气体的扩散。1高斯模型基本假设1.1模型的基本表达式高斯模型除了须满足Z轴垂直向上延伸,如图所示。平板模型中的一般假设外,还需要满足如下假设:气云在平整、无障碍物的地面上空扩散;气云中不发生化学反应和相变反应,也不发生液滴沉降现象;气体泄漏速率不随时间变化,即为稳定泄漏;风向为水平方向,风速和风向不随时间、地点和高度变化,云团中心的移动速度或云羽

3、轴向蔓延速度等于环境风速;气云和环境之间无热量交换。云团内部或云羽横截面上浓度、密度等参数服从高斯分布(即正态分布)。1.2高斯模型计算公式根据高斯模型,以泄漏源为原点,风向方向为轴的空间坐标系中一点(x,y,z)处的浓度为:C(x,y,z,H)=×exp-2󰃖Vyx222y2×exp-+22z2exp-22z3式中:C(x,y,yz)空间点处的浓度,kg󰃗m;Q0泄漏源强,kg󰃗s;高斯模型示意图V风速,m󰃗s;高斯模型用来描述危险物质泄漏形成的非重气云扩散行为,或描述重气云在重力作用消失后的远场扩散行为。为

4、了便于分析,建立如下坐标系OXYZ:其中原点O是泄漏点在地面上的正投影,Xx下风向扩散系数,m;y侧风向扩散系数,m;z垂直风向扩散系数,m;H有效源高,m,它等于泄漏源高度轴沿下风向水平延伸,Y轴在水平面上垂直于X轴,与抬升高度之和,即H=HS+H;收稿日期:2010-04-06© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 50HS泄漏源高度,m;内蒙古石油化工2010年第14期表2天空云层情况天空云量为4󰃗8,或高空有薄云云量5𘀕

5、5;87󰃗8,云层高度21344877m云量5󰃗87󰃗8,云层高度日照强度的确定日照角H抬升高度,由抬升模型求得。2泄漏源有效高度的确定日照角日照角泄漏源有效高度是指泄漏气体形成的气云基本上变成水平状时气云中心的离地高度。在大多数问题中,泄漏源有效高度难以与泄漏源实际高度相一致。它应该等于泄漏源实际高度加泄漏源抬升高度。影响泄漏源抬升高度的因素很多,主要包括:扩散气体的初始速度和方向、初始温度、泄漏口直径、环境风速及风速随高度的变化率、气温度。处采用20世纪80H=2.4VSV强中等中等弱弱弱弱弱低于213433󰃗8的天空有云层日

6、照角是指当地太阳光线与地平线之间的夹度。例如,阳光垂直照射地面时的日照角为90°。通常,随着大气稳定度的增加,扩散系数减小。对于开阔农村地区,化学危险品事故泄漏扩散系数与大气稳定度类型和下风向距离间的关系如表3所示。表3大气稳定度类型ABCDE式中:H泄漏源抬升高度(m);Vs气云出口速度(m󰃗s);d出口直径(m);V环境风速(m󰃗s)。扩散系数的计算方法x和y(m)0.22x(1+0.0001x)-0.16x(1+0.0001x)-0.11x(1+0.0001x)-0.08x(1+0.0001x)-0.06x(1+0.0001x)-0.04()-1

7、󰃗21󰃗21󰃗21󰃗21󰃗21󰃗2此公式适合于出口喷射方向竖直向上,喷射路径上无障碍物的情况。当泄漏后扩散的气云为液池蒸发的蒸气时,蒸气是自然向空气中扩散,可以认为气云的出口速度为零,此时无抬升高度。计算出泄漏源的抬升高度后,将泄漏源抬升高度与泄漏源实际高度相加就得到了泄漏源有效高度。3扩散系数的确定z(m)0.20x0.12x0.08x(1+0.0002x)-0.06x(1+0.0015x)-0.03x(1+0.0003x)-0.016()-1󰃗21󰃗21ϗ

8、255;21󰃗2说明:100m<x<10km,抽样时间间隔1060min,平坦地面。4风速变化的确定基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地高10m统计所得的30年一遇10min平均最大风速v02(m󰃗确定的风压值。s)为标准,按F0=1600风速与风压成正比关系,其关系可由下式确定:F=v󰃗1600式中:计算点风压,kN󰃗m;扩散系数的大小与大气湍流结构、离地面高度、地面粗糙度、泄漏持续时间、抽样时间间隔、风速以及离开泄漏源的距离等因数有关。大气湍流结构和风速在大气稳定度中考虑。大气稳定度由10m高度上的风速、白天的太

9、阳辐射或夜间的云量等参数决定。随着气象条件稳定度的增加,大气稳定度分为A、B、C、D、E和F六类,其确定方法见表3-1。从Av计算点风速,m󰃗s。到F大气的稳定性依次增强。表1地面风速(m󰃗s)<2233446>6Pasquill大气稳定度的确定而风压与基本风压的关系又可以用下式描述:F=zF0式中:F0基本风压,kN󰃗m;白天日照强AABBC中等ABBBCCD弱BCCD夜间条件阴天且云层薄,天空云量或低空云量为4󰃗8-EDDz风压高度变化系数。故风速与基本风速的关系为:v=为3󰃗8-FEDzϗ

10、254;v0对于风压高度变化系数,应根据地面粗糙度类别按下表确定。地面粗糙度可分为A、B、C三类:A类:近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区;B类:田上表中日照强度由表3-2中规定确定。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2010年第14期程勇等采用高斯模型分析输气管道泄漏后气体的扩散野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区;C类:有密集建筑群的大城市市区。表4离地面或海平面的高度()5101520304050607080901001

11、50200250300350>=400A1.171.381.521.631.801.922.032.22.342.402.642.832.993.123.123.1251代入公式得到风速与高度的关系如下:0<h10mv=v010m<h<350mv=风压高度变化系数地面粗糙度类别B0.801.001.141.251.421.561.1.952.022.092.382.612.802.973.123.12C0.540.710.840.941.1124.361.1.551.641.721.792.112.362.582.782.963.12zv0=0.69h0.16v03.1

12、2v0=1.77v0h350mv=5结论计算出泄漏源的抬升高度后,将泄漏源抬升。通过分析得到风压高度变化系数和高度的关系曲线,进而得到了高度和风速的函数关系。参考文献1部石生,黄志盘,高衄斌.轻烃扩散系数研究盈天然气运聚动平相原理J.石油学报.1991,12(3),1724.2郭石生,黄志龙杨家琦1著天然气运聚动平衡及应用M1北京:石油工业出版牡.1994,33.5.3费祥麟1高等流体力学M1西安:西安交通输气管道主要经过一些田野、乡村、丛林、丘陵之类的地形区域,故选用B类地面粗糙度,根据上表的数据,绘出和的关系曲线。并对曲线进行数据拟合,得到风压高度变化系数和高度的函数关系如下:0<h

13、10mz=110m<h<350mz=0.478hj0.3201h350mz=3.12大学出版社,1986.4李华,邓继勇1用高斯模型计算大气中放射性核素云团的扩散J,2006,(3).5余常照1紊动射流M1北京:高等教育出版社,1993.GaussianModelUsedGasPipelineaftertheGasLeakSpreadCHENGYongAbstract:In-depthanalysisofgaspipelineleakageonthebasisofgasdiffusion,gasdiffusioninac2cordancewiththecharacteristics

14、oftheirownquestionsandresearchneeds,theuseofGaussianmodeltodeterminethesourceofleakageeffectiveheight,gasdiffusioncoefficient,therelationshipbetweenheightandwindspeed.Pointedout:ahighdegreeofleakageofthesourceofupliftandthespreadoftheinitialgasspeedanddirection,theinitialtemperature,diameterleakage,theenvironmentoftherelationshipbe2tweenwindspeed;diffusioncoefficientofthesizeandstructureofatmosphericturbulencefromgroundheight,groundroughness,thedurationofleakage,samplingtimeinterval,thewindspeedandthedis2tancetoleavetheleaksource,suchastherelationshipbetwe