城镇燃气泄漏、扩散模型及其研究进展

摘 要：本文以天然气为主要研究对象，分析了国内外相关燃气泄漏及扩散模型的适用条件和缺陷，并简单介绍了国内相关模型研究进展情况，并指出了今后的重点研究方向。

关键词：城镇燃气 泄漏 扩散 模型

随着“川气东输”工程的投运，城镇燃气（本文仅指天然气，不包含人工煤气和液化石油气，以下简称燃气，）作为一种新型气体燃料，越来越得到广大居民的认可。然而，随着安全事故灾害数量不断上升，燃气在给人们带来现代化便利的同时，也在我们的身边埋下了巨大隐患。

燃气泄漏是燃气储存、输配及使用过程中最典型的事故。在燃气的储存、输配及使用过程中，由于人为或自然原因导致泄漏，燃气泄漏后在空气等介质中扩散并积聚，当达到一定浓度时遇到火源会产生爆炸并引起火灾。燃气泄漏后果的严重程度主要取决于泄漏量和扩散范围，而泄漏量又与泄漏源强度及泄漏时间有关。因此，燃气的泄漏强度和扩散范围是分析泄漏与扩散以及预测评价事故后果的基础和参考依据。本文针对城市燃气泄漏模型和扩散模型进行分析。

一、燃气泄漏模型

根据泄漏源大小，可以分为小孔泄漏模型、管道泄漏模型和其它泄漏模型。

1.小孔泄漏模型

小孔泄漏模型适用于穿孔泄漏的情形，穿孔泄漏是指管道或设备由于腐蚀等原因形成小孔，燃气从小孔泄漏。常见的穿孔直径在10mm以下，对于穿孔直径在20mm以下的泄漏可以使用该模型。小孔泄漏一般是长时间持续稳定泄漏且具有泄漏点多、不易察觉、潜在危险大的特点。

计算泄漏前，应先判断燃气的流动性质：声速流动或亚声速流动。

式中各符号意义同上。

在进行后果分析时，只要燃气状态确定，则T、P0就可以确定。小孔面积A也可以根据实际情况换算成等效面积。对于瞬时泄漏或者泄漏的流速较小时，气体压强可看着不变，否则必须考虑压力变化对泄漏流量的影响。

2.管道泄漏模型

管道泄漏模型适用于开裂泄漏的情形。开裂泄漏的原因通常是由于外力干扰或超压破裂，属于大面积泄漏，泄漏口面积通常为管道截面积的80%～100%。开裂泄漏瞬时泄漏量大，导致管道或设备中的压力明显降低。假设在来气方向上距管道泄漏点长度为L处设有调压装置或阀门，且认为沿程阻力系数不变，便得到管道泄漏模型的泄漏强度计算公式：

燃气管道由于第三方破坏等原因造成的大面积断裂或全部断裂，此时发生的泄漏量可使用管道泄漏模型进行计算。

3.其它泄漏模型

由于小孔和管道泄漏模型分别只适用于小孔泄漏和管道大面积泄漏，而对于介于两者之间的大孔泄漏（孔径为20～80mm）就不再适用了。燃气运输事故、超压爆炸等原因造成储存容器或设备的破裂，在短时间内有大量燃气泄漏出来，这样的大孔泄漏在实际工程中常见。一些专家根据连续性方程，在假设气体为理想气体的前提下，得到了适用于各种孔径的泄漏模型，其泄漏强度的计算公式如下：

式中参数意义同前。

此公式解决了大孔泄漏的模型问题，但由于是在理想气体的前提下推导的，因此该公式只适用于中低压（此时容器内的燃气可视为理想气体）的情况，而不适用于高压的情况。

以上各泄漏模型适用于燃气从管道或设备中直接泄漏到大气中的情形。而对于埋地管道或设备，燃气泄漏后在土壤中渗透再泄漏到大气中，该类泄漏应按照渗透泄漏来处理，此时若使用这些公式会使计算出的泄漏量偏大。然而渗透泄漏考虑的因素很多，计算相当复杂。因此，可以在上述公式计算结果的基础上酌量减少以符合实际情况。

二、燃气扩散模型

国内外学者对气体扩散规律进行了大量研究，提出了很多扩散模型。其中高斯扩散模型建立较早，试验数据充分，计算结果与试验值能较好吻合，因而最为常用。高斯模型的基本形式是在如下的假设条件下推导出来的：假定燃气在扩散的过程中没有沉降、化合、分解及地面吸收的 发生；燃气连续均匀地排放；扩散空间的风速、大气稳定度都均匀、稳定；在水平和垂直方向上都服从正态分布。

高斯模型包括Gaussian烟羽模型和Gaussian烟团模型，其中烟羽模型适用于连续点源的扩散，烟团模型适用于短时间点源泄漏的扩散 （即突发性瞬时泄漏或泄漏时间小于扩散时间的泄漏）。

三、国内其他燃气泄漏及扩散模型研究进展

李又绿等通过分析高斯模型等常见气体扩散数学模型在模拟天然气泄漏扩散过程中的局限性，结合天然气泄漏扩散过程的特殊性，在同时考虑输孔口泄露过程的射流作用和膨胀效应，以及重力作用和水平风速对天然气扩散的影像效果的基础上，建立起了适合天然气泄露特点的扩散模型，其扩散区域随时间逐渐增大，由于风的作用逐渐向顺风方向偏移，受浮升力的作用逐渐上浮，射流作用逐渐减弱，扩散作用逐渐增强。该模型从考虑因素的合理性和气体泄漏边界条件的选取上都更加符合天然气泄漏扩散过程的实际情况。

徐泽等研究建立了燃气泄漏扩散模型，该模型考虑的边界条件更加符合实际，但没有考虑大气温度、大气压、风向、孔口形状（扁平射流模型）等因素的影响，需要进一步修正。

孟志鹏等在可爆性气体泄漏扩散是湍流场的数值模拟中，运用了基于k～ε湍流模型，对可爆性气体扩散进行了三维数值模拟，并用风洞试验对质量浓度场的数值模拟结果进行了验证，误差在20%左右。

四、结语

使用燃气泄漏模型可以计算出燃气泄漏的理论量，此量为扩散计算提供基础数据，可以依据此量分析泄漏后的扩散范围以及预测评价事故后果。使用扩散模型可以对燃气泄漏后的危险区域进行预测。但值得指出的是：燃气泄漏及其扩散模拟研究仍是一项非常艰巨的任务，国内外众多学者对燃气稳态及瞬态泄露率的计算进行了一定的研究，但是所建立的模型仍然存在一定的缺陷，燃气泄漏扩散的影响因素较多，对其进行扩散模拟非常的复杂。今后的研究重点应主要集中在较简单的气体扩散模型的建立以及三维计算模型和湍流统计、湍流模式理论的深入应用上。

参考文献：

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4. 于畅，田贯三.城市燃气泄漏强度计算模型的探讨[J].山东建筑大学学报，2007，22（6）：541-545.

作者简介：余运波，男，注册安全工程师，1979年生，本科，从事安全评价工作11年。