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蔽图漏1磁怕液化石油气泄遵漏扩散模型的帖结构框图扯影响扩散的因献素芒2.献1模泄放状态饿镜熟泄放状态包括艇泄漏源的位置刻、泄漏气体的棉物性等条件，赵对于泄漏气云酷团的扩散有很羡大的影响。勇液化石油气的爸主要组分盈为胜C贸3裤、海C路4模，在相同条件开下亚,妇根对于不同组分脾的液化石油气撇，其捕中救C礼3荒的组分越大，朵泄漏速度越大动，泄漏气云团县扩散越远，危锈险区域就越大控。在相同条件档（坚2社0俭℃蓝，者400m兴3辈球罐线，陷70咏%拼充装量，罐底盐有尚5c炊m使直径泄漏孔）形，无任何堵漏午措施情况下，元不同组分的液煌化石油气的泄汽漏速度如超图惹2徒。母图阅2皱缺不同组分与泄旺漏速度的关系博图刃气体的扩散性隔受自身密度的娇影响。泄漏气肆体相对于空气折密度的大或小蜻，分别表现出值在扩散中以重镇力作用为主，匠或是以浮力作豪用为主。一般逆地说，当泄漏己气体与空气的风混合物密度相段对于空气密散度茧≥文1.星1谣时，该混合物傍可能沿地面流齿动，并可能在据低洼处积累。承液化石油气的过比重约为空气轧的猜1.胡5隔～懒2.河0行倍，当发生泄朗漏时，泄漏气克体在重力作用四下，发生沉降恢，使地面浓度浑增加，但这种士下沉趋势会因涌空气的不断稀初释作用而减弱裳，最终在地面水上形酿成葵1仙m晃～米2洲m拨或是更高的雾而层。龟地面泄漏源的更高度和喷射方灰向会影响扩散走至地面的气体见浓度。当泄漏仍源处于离地较骑高的位置时，眉泄漏的气云团罢扩散至地面的艇垂直距离较大占，在相同的泄孝漏源强度、泄盏放状态和气象瓜条件下，扩散被至地面的同等省距离处的气体讯浓度会降低。短若泄漏发生在歇容器上部，即没泄漏气体向上夺喷射，泄漏气否体具有向上的轻初始动能，其趟作用效果与处扩于较高位置的捷泄漏源类似。洞2.2劳无气象条件梦风速、大气稳谊定度、气温、冤太阳辐射强度恭等因素对液化换石油气的泄漏把扩散有着不同狱程度的影响。狼风速对气体扩芦散的影响由理燕论分析可知，且气体在扩散过驱程中，主风向最的平流输送作肃用占主导地位角，风向决定了豆泄漏气云团扩暂散的主要方向筑。风速影响泄交漏气云团的扩叛散速度和被空煌气稀释的速度孟。风速大，大失气的湍流越强粮，空气的稀释筹作用越强，风诉的输送能力也枣越强。在巴静风条件下，奴对于地面泄漏遵源，泄漏气体杜以理想的条件剩扩散成半球状墙在地面分布，瓶其边缘可能达篮到较高的浓度叫，但危险区域下较小；在有一足定风速时，泄底漏气云团向下屡风向迁移，并盲不断卷吸空气备，使危险区域仇扩大。当风速彻处于微风状态心时，有利于泄嫁漏气体扩散，吴又不利于泄漏臭气体与空气的钩混合稀释，对责于现场处置和筝抢险救援来说乞，将处于最不漠利的状态。堪大气湍流在气爹体扩散中起到观重要的作用。假湍流扩散速度记比分子扩散速弯度典快闯10名5成～掩10黑6音倍，由于大气洒垂直方向温度天不均匀引起的墨热力湍流，其灰强度主要取决积于大气稳定度赏。大气稳定度歌表示空气是否沙易于发生垂直缎运动，是评价此空气层垂直对谣流稳定程度的切指标，泄漏气熊体的扩散与大贝气稳定情况密仪切相关，大气断越稳定，泄漏鄙气云团越不易麻向高空消散，顿而是贴近地表拘扩散；大气越嫌不稳定，空气充垂直对流运动浴越强，泄漏气芹云团消散得越咱快。这是因为率当大气不稳定你时，湍流运动馅加哨剧魂,娇湍流扩散作用策增堤大查,桥使气云团浓度袜下歇降竿,倚同时湍流运动庄的加剧也使得华气云团与周围夫环境的热交换撑变得剧这烈艰,欢使扩散的液化登石油气温度上葛升禾,棚气云团密度下艺降菠,秋在风的作用下埋更易于扩凝散孕,职导致气云团浓港度下降。欧气温或是太阳耳辐射强弱主要览是通过影响大答气垂直对流运表动而对泄漏气工体的扩散发生怜影响。温度越劈高，太阳辐射盗越强，则有利将于泄漏气体的退扩散；大气湿哲度对液化石油有气泄漏扩散也息有影响，一般签来说，湿度越档大，越不利于寒泄漏气云团的对扩散。涛2.狸3岔地表情况上在大气边界层缴内，由于地面某摩擦等因素的然影响，风速随饶着高度的增加象而变大。地表扶情况对风速梯业度的影响随高爷度变化，建筑史、树木等会加饼强地表的湍流站程度，即加强纺了混合稀释作湿用；而开阔平亲坦地、湖泊等痒则相反。一般垒情况下城市梯票度风比近郊梯顿度风大，近郊暮梯度风比平坦疤农村梯度风大肺。屈液化石油气的堆泄漏往往发生区在装置区内，遍这使得烟羽在换水平运动的过算程中常常会遇快到构筑物的阻谅碍，气流在流抽经构筑物时，馆由于构筑物摩发擦力的作用和爆上、下空气的瘦动量交换，可货形成新生边界戴层，从而使得从原有气流的动语力状况发生改碌变，同时构筑危物周围空气流鸽涡动加剧，气圈流的扩散能力扔加强。商图曲3磁滥装置区对扩散择的影响谁图问4指渣装置区在泄漏放源下风向一侧伸的影响情况然装置区内的构乳筑物大多为框瓶架结构，分布拘着高度参差不影齐的塔、炉等铁设备，这使装吩置区内的粗糙逗程度远大于装挂置区外的，由宫此增强了该区隐域的大气扩散项参数并对风速慰产生了一定影疫响。从累图熔3骗、星图宇4菜可知，装置区送的存在对气体睛扩散最大的影欢响是缩短了下茶风向最大影响彼距离。甜液化石油气发换生泄漏时，易尽在低洼处形成呆液池。液化石箱油气的气化强偿度在一定程度辨上决定泄漏气跃体的扩散范围槽。发生在不同所介质表面的泄候漏，会因为介钢质特性的不同温而对气体气化姥强度产生影响浩。气化强度值签会随着时间的闸增长而急剧减诞少，其原因是殃，随着时间的零延长，发生泄些漏的固体表面按温度降低；气策化强度值随着钩环境温度的升冠高和气化区域格的减少而增大厨，这是因为液短体和周围空气假的热对流强度针增大。饱图近5著金气化强燕度犹w今与气化区御域锋s计的关系卷风影速购0.4~2.兴0m/s习轧材料表面为沙腥子，环境温生度闻1啄9坟℃励(良1)s=0.尿16m徐2扔(2)s粪=0.01门m陈2指(3)斑s=0.04乓m怎2旁图丘6候姓气化强娱度育W令与气化面捕积感s狂、风蔑速芝v版、温兼度允T社a庸的关系尊材料表面为钢计板熊倍(孩1)s=0.踪16m额2蚊v=0.计4~1.0m递/s素Ta=纹2倦℃允(料2)s=0驾.16m粪2敞v=0.雁4~1.0m临/sT鼻a=2瓜0站℃剪(京3)s=0路.01m煮2败v=1.幻0m/s蜡T浓a=3推1草℃裁(础4)s=0波.01m猛2届v=0.值1~0.2m砍/sT里a=1捷9孤℃停扩散模型的建镇立伐滥案例：猾西安市煤气公叨司液化石油气烧管理所是西安理市煤气公司液叼化石油气的储串存罐区，地处肤城技区咱西南郊顽，豆199蚕8解年劝3颤月灾5僻日香1滨6暗点半左慨右，一视个双400m购3填的球罐根部阀砌门损坏，骗导致黎大量液化气从导阀门口泄漏稀，绞球罐内压强为斥２０个大气压道力菊，当时天气晴哥，风速约为２阅ｍ期/滴s爬，太阳辐射强爆度弱，试利用诉气体扩散模型址预测，从其发但生泄漏到消防阔部门到达现场资的纪2哄5亏分钟内，形成貌的气体爆炸危呆险区范围。底3.扑1嫩基本假设遍低层大气的流塔动为湍流运动饭，泄漏气体在贤流动大气中的个扩散遵守质量肉守恒定律，其潮扩散行为可用氏湍流扩散微分撇方程描述；捡湍流是不规则鞠运动，风速和其泄漏气体的浓壤度都是时间和勤空间的随机变皂量，取直角坐蜓标系送的递X响轴方向为平均镜风速的方向催，丛Z居轴为铅直向上货；做旨各方向上的湍征流扩散系数为晕常数。六在上述假设基句础上，根据质渡量守恒定理，瘦可以导出泄漏慢气体浓度变化轿的湍流扩散方篮程资喘箱批矮墙（厅1里）典式桨中齐c哄为泄漏气体的梯瞬时浓度航（利kg/m窜3初）恨,陡t览为扩散时间次（挤s秧）吸，勒u尽为风速慈（匀m/酷s借）息K否x蜡、雅K但y看、毒K男z暂分别绑为次x狼、孩y饱、击z晋轴方向上的湍闹流扩散系数运（绣m/鸟s灵），式毒（行1睁）等号左边为防局地扩散和对竹流扩散项，而躺右边为湍流扩溉散项。炒3.止2吼扩散模型穴考虑泄漏源种葵类和有风、无遭风状态，以及触地面对扩散的纪影响，确定求玩解式爹（妄1堆）的限定条件答，对式膜（植1泡）的求解得到塑的泄漏气体扩哄散浓度分布式刻，从而建立相饲应的扩散模型及。浆无风时求，虑u=醉0吹，则式千（崖1茶）为关科女被估糠（队2荐）丛杀其初始条件柴：井t=御0缺，泄漏源处奖（承x=y=z=馋0雹）范，武c你→还∞帽。边界条件政：骑t店→拘∞蜓,帐c鼓→低0恶。对于泄漏量牲为纹Q胳（悔k秩g领）的瞬时量，躬求解式基（援2昼），得到的泄迈漏气体在空气悼中扩散的浓度社分布为慢丧叛肺夫（域3贺）凉动有风时，因泄副漏气云团随风找移动，并在空丛气的稀释作用霞下不断膨胀览，适t丰时刻时气云团尘的中心点坐标宇为溪（谎u国t相，没0粱，撤0摇），则式刷（鸟3梅）经坐标变换碗，即可得万到夸u跌≠雾0啊时泄漏气体在拥空气中扩散的贼浓度分布圈寨饿楼立两（个4局）飘在考虑地面对敌扩散的影响时征，通常按照全浆反射的原理，塑采参用冒“歇像源呆法睡”援处理。当泄漏讨气体沿地表扩秋散时，地面对插扩散的气体由扶屏挡作用，可掀认为地面对于触泄漏气体既不液吸收也不吸附软，使被屏挡的含扩散气体全部央反射到地面上密的空气中。因汤此认为地面上代任意一点的浓变度是两部分作梁用之和：一部纱分是不存在地蝇面时此点应具眯有的浓度；另辞一部分是存由焰格于地面全反射喊而增加的浓度岂。对于地面泄航漏源，任意一狼点浓祥度扭c谷地粘（抗x剪，晒y偏，暮z烟）为无界条件话下萝的术2面倍，即司提垂真挨议（月5正）赢3.波3脑地面连续泄漏音源气体扩散模滩型步坟飞带压容器，管幅道等小孔泄漏恐，在泄漏开始铜的一段较长时颈间内气体泄漏摄的流罩量甚Q曾（疲kg/住s队）视为常数；思泄漏气体扩散阿的流场达到稳金定宝时聪,欺扩散空间的某虾一点的浓度应愿是恒定的，不削随时间变化，灰即异当上述假定条练件成立时，对蓄于无风状态，衫即独u=才0旋，则式秀（咸1至）可简化核为原宽挺规纵合坦浑凳青氏赶（琴6盐）室其初始条件始：圾t=辜0物，泄漏源处鼓（许x=y=z=浙0我）杜，舍c弃→溪∞绍。边界条件秆：挤t乎→采∞帽,愿c廉→铜0得。对于泄漏量餐为狼Q耐（驳k理g呜）的瞬时量，丝求解式污（渡2愿），得到的泄维漏气体在空气丹中扩散的浓度杠分布为港宿俱节途（抖7猾）槐有风盟（括u>1m/绘s急）时，因风力臣产生的平流输绢送作用远大于乌水平方向的分编子扩散作用，扭式蛙（店1训）可简化为钥晌概影南病（想7倚）械其初始条件和星边界条件与无驴风时的式冰（票5世）相同。对式肌（良7骗）求解，可得摸到有风连续源匆泄漏气体在空相中浓度分布劝器买受乓哈叙（拌8恒）酒当泄漏气体沿奔地面扩散时，肉因地面对扩散逮气体的全反射圣作用，由式朵（桃4僵）可得，无风锹时地面连续源顽泄漏气体在地吹面上的扩散浓枪度分布是空中锐扩散浓度分布卧的两倍。贺3.侧4增泄漏流量的确译定脸晓饼要估算气体的怀扩散范围，首台先要确定泄漏限流量。对于储爹罐气体点泄漏宵源，可以通过捉经小孔泄漏的诊源模式计算出迁泄漏质量流量畅。本文采用由牢重庆消防网和垃中国消防人网衣站中提供的数额据，估算泄漏困速度板为驻2.5kg/铁s锣。阳3.5与加大气稳定度和让扩散系数的确男定恋泄漏气体扩散普浓度分布式的欺应用，需要确驻定式中的湍流川扩散系染数酿K送x用，冠K照y参，贿K留z呈的值。目前，节湍流扩散系数乖常过扩散参数骄来确定。扩散大参胸数知δ抵x童、棵δ济y形、通δ访z宪与扩散系数之您间的关系为猫扩散系数可以辽由现场测定，跌也可以在风洞作中进行模拟试构验来确定，或渔是根据经验公蚀式或图算法来俯估算。目前运屿用较多的估算倚法西是疲P-员G匀扩散曲线法。苹本文亦采用此抽法确定扩散系信数。卧地面风速浆m/s怜白天太阳辐射梦阴天的白天或籍夜晚辟有云的夜晚卖强晌中希弱红薄云遮天活低姿云配≥陶5/10栗云量可<全4/10朱<船2刺A拳A~B辛B核D俗2~3逮A~B筝B艇C润D存E蜂F躁3~5纺B荒B~C尽C南D蚁D则E超5~6我C逗C~D迅D痛D惰D虑D偿>伯6百C杜D阶D醋D蒙D淘D鬼表笑1罚炮大气稳定度级团别划分表弓P-尼G驶扩散曲线法根动据云量、云状脉、太阳辐射情陪况和地面风速纳，将大气的扩碰散能力从强不萌稳定到稳定划魔分乞为闪A防到迈F系六个级别。具已体分类方法如般表浴1协。教反P-晃G侧扩散曲线图根犯据常规所能观厅测到的气象资抗料划定大气稳封定度级别，再卸利京用烦P-婆G剑扩散曲线图直迹接查出下风向樱距界离搞x躬上的扩散系舰数废δ好y准、蠢δ飞z奇。吨P-沃G疗扩散曲线图根刷据气体扩散模寺式分为烟团扩彻散和烟羽扩散隆参数曲线图，蛙图中不同的曲呢线反映了大气鹅稳定度的影响相。计算搬结合实际情况插，建立相合适跨的扩散模型。吗根据案例的天作气情况，风速巴为霜2m/留s睬，查记表文1塘可知，大气稳牢定度食为恢D利级。由于液化鹅石油气的密度段比空气大很多出，其扩散参数哑应用烟团模式陪扩散曲雷线弱(浮如绸图傅7需、做图乔8惯)雷来确定。窃图练7骑瞎烟团模式的水衫平扩散参数曲薯线图常图巨8续雪烟团模式的垂睬直扩散参数曲随线图株无风时泄漏气恰体是以泄漏处双为圆点向四周式扩散的，而有沈风时主要考虑洒下风向的扩散记距离，故计算熟本案例泄漏的筝液化石油气的迷爆炸危险区范篮围，应计算下他风向的范围内淹的危险区域。滴液化石油气在盖空气中的爆炸捕下仅限聚2蔽%钉，平均分子量教为秘51g/mo架l禁,毫由理想气体方养程，求出液化错石油气在空气隐中达到爆炸极帽限时的质量浓暮度：kg/m3爷以液化石油气区爆炸浓度下限壮的蹦50蠢%剪为爆炸危险区哀边界浓度，则庄求宜当国c摸地蒸（猎x蔬，乡0焦，态0存）稼=0.5c奴下限翅时的泄漏距趴离葡x贺。书应用有风时连灶续泄漏源模型耕，肯令赏y=z=宫0蜻，由式滩（秩3盘）和式泡（权4同）可得：挺利用试差法对努方程求解，假惕定径x撑值分别粒为阔0.1k首m章，顺0.2k漠m湿，谋由就P-摘G铲扩散曲线啄值表，查出相洽应的舱值，代入上式裤计算，可得幅表蹲2碌/m案0.1我4.19让2.33逮9.76匠0.2悦7.91羊4.80歇37.97榴表毫2泼除线性插值法计戴算表狮在利用内插法漆求沿x处的值竖即在液化石油柏气法发生泄漏凭扩散的下风滥向笨13羊4旺米范围内，属丙于燃烧爆炸危沈险区域。5．结束语蛮对于液化石油语气的泄漏扩散县过程，利用高腹斯扩散模型，很借助称于悲P-帽G找扩散参数曲线快图，分析不同奥泄漏源模式和除扩散模式下的弹气体沿地面扩洽散的浓度分布羊情况，用于估沫算液化石油气文泄漏扩散危险梨区域范围，对店于现场处置、行抢险救援、设对立警戒区、确猾定人员疏散范