天然气管线泄漏事故模拟计算

天然气管线泄漏事故模拟计算天然气管道破裂后，导致大量的天然气泄漏，如果立即遇到点火源，则在破裂处形成喷射火焰，其主要危害为热辐射；如果泄漏一段时间后，在遇到点火源，则会发生爆炸或闪燃，同时在泄漏口持续喷射燃烧。如果泄漏的天然气在无限制的空气中扩散，则可能发生蒸气云爆炸。天然气管线直径为1016mm，运行压力为10MPa，本次假设天然气管线发生破裂泄漏，裂口面积为0.025血，泄漏时间为30s和60s，分别通过泄漏模型、喷射火伤害模型和蒸气云爆炸模型，进行事故后果模拟计算。一、泄漏模型计算管道中气体泄漏质量流量与其流动状态有关，对于天然气管道，一般属于音速流动，其特征可用临界流(最大出口速度等于声速或亚临界流)来描述。Perry等人用如下的关系式作为临界流的判断准则：当式(1)成立时，气体流动属音速流动；当式(2)成立时，气体流动属亚音速流动。P—0>PP—0>Pk+1(2)式中，P°为环境大气压力(Pa)；P为容器内压力(Pa)；k为气体的绝热指数，即定压比热cp和定容比热cv之比。k+1k+1k-1=CAP气体呈亚音速流动时，其泄漏量为：、、k±1(4)Q=YC(4)式中，Q是气体泄漏速率（kg/s）；Cd为气体泄漏系数，当裂口形状为圆形时取1.00，三角时取0.95,长方形时取0.90；A为裂口面积（m2）；M是气体相对分子质量；R是普适气体常数（8.31436Jmol-iK-i）；T是气体的储存温度（K）；Y为气体膨胀因子；按式（5）计算。(5)2丫k+1)M

k-i7V2(5)上述考虑的为理想气体的不可逆绝热扩散过程。此外，没有考虑气体泄漏速率随时间的变化，因此使用初始储存条件会导致保守的结果。本次配水管线穿越天然气管线直径为1016mm，运行压力为10MPa，本次安全评估假设导致天然气管线发生破裂，进行计算。取值如下：P=101325Pa0P=10000000Pak=8.31436Cd=0.95A=0.025m2M=19.5R=8.31436Jmol-1K-1T=288K由（1）〜（5），通过中国安全科学研究院《危险源定量风险计算分析》软件计算结果如下：气体呈气体属亚音速流动泄漏量:Q=1702kg/s。危险源定量风险计算分析如下图所示。天然气管线泄漏率计算示意图二、喷射火伤害模型计算加压的天然气泄漏时，形成射流，如果在泄漏口出被点燃，则形成喷射火。喷射火计算方法是一种包括气流效应在内的喷射扩散模型的扩展。将整个喷射火看成是沿喷射中心线上的全部点热源组成，每个点热源的热辐射通量相等。点热源的热辐射通量按照下式计算:q=nQ0HC （6）式中：q—一点热源热辐射通量，W；Hc——燃烧热，J/kg；n——热辐射系数，可取为0.35；射流轴线上某点热源I到目标点X处的热辐射强度为:式中：Ij——点热源I至目标点X处的热辐射强度，W/tf；X——点热源至目标点的距离，m；t——热辐射系统，取0.2；某一目标点处的入射辐射强度等于喷射火全部点热源对目标的热辐射强度的总和。―削" ⑻式中：n 计算时选取的热点源数。理论上，喷射火焰长度等于从泄漏口到可燃混合气燃烧下限(LFL)的射流轴线上。对表面火焰热通量，则集中在LFL/1.5处。对危险评价分析而言，取热点书n=5即可。代入数值计算可得，天然气泄漏损坏、伤害半径。天然气泄漏损害、伤害半径一览表入射通量(kw/m2)对设备的损害对人的伤害损害、伤害半径(m)37.5操作设备全部损坏1%死亡/10s,100%死亡/1min117.925在无火焰、长时间辐射下，木材燃烧的最小能量重大烧伤1/10s，100%死亡/1min144.512.5在有火焰时，木材燃烧，塑料熔化的最低能量1度烧伤/10s,1%死亡/min204.34.0/20s以上感觉疼痛，未必起泡361.11.6/长期辐射无不舒服感572.4有上述计算结果可知，当天然气管道泄漏发生喷射火，在热辐射危害的死亡半径(117.9m)以内，一旦发生事故必将造成严重的伤亡和财产损失。三、蒸汽云爆炸模型计算天然气是易燃易爆的气体，在空气中只需较小的点燃能量就会燃烧。天然气以气态的形式在管道内流动，一旦泄漏，则可与空气形成可燃气云，当该气云达到爆炸极限时，遇火源就会发生燃爆。本次风险评估假设天然气管线发生泄漏，形成蒸汽云发生爆炸，采用蒸气云爆炸模型进行定量评价。蒸气云爆炸时一类经常发生且后果十分严重的爆炸事故。采用TNT当量法估计蒸气云爆炸的严重程度。用TNT当量法预测蒸气云爆炸严重程度的原理：假定一定百分比的蒸气参与了爆炸，对形成的冲击波有实际贡献，并以TNT当量来表示蒸气云爆炸的威力。计算公式如下：W 二2^& (1)TNT QTNT式中：叩侦为当量TNT质量（kg）a为可燃气体蒸气云当量系数（一般为0.0002〜0.159,统计平均值为0.04）Wf为泄漏到空气中的燃料质量（kg）；Qf^参与蒸气云爆炸事故的燃料燃烧热值（MJ/kg）。颇为TNT爆热值，取为4.52（MJ/kg）w=W^Q^ (2)pQp式中：Wp为蒸气云中燃料当量甲烷质量（kg）；Qp为蒸气云中燃料的燃烧热值（MJ/kg）。根据爆炸事故伤害效应指标的分析，取在爆炸波作用下头部撞击致死半径为死亡半径，在爆炸波作用下50%耳鼓膜破裂半径为重伤半径，在爆炸波作用下1%耳鼓膜破裂半径为轻伤半径。

TOC\o"1-5"\h\z死亡半径R1(m):R1=1.98W0.447 (3)重伤半径R2(m):R2=9.187W「333 (4)轻伤半径R3(m):R3=17.877Wp0.333 (5)本次风险评估取值如下：a=0.04Wf=51060.9kg、102120kgQf=55MJ/kgQTNT=&TNT爆热值MJ/kg由（1）〜（5）通过《危险源定量风险计算分析》软件计算：当天然气管线泄漏30s时，泄漏到空气中的质量为51060.9kg,计算可得伤亡半径为261.99m。当天然气管线泄漏60s时，泄漏到空气中的质量为102120kg，计算可得伤亡半径为651.75m。危险源定量风险计算分析如下图所示:天然气管线泄漏30s蒸气云爆炸计算结果示意图爆导出.（Word文档）虹也二-i-.r-W£-K212('死**=44i.荒鸵