采用高斯模型分析輸氣管道泄漏后氣體的擴(kuò)散

1、2010年第14期內(nèi)蒙古石油化工49采用高斯模型分析輸氣管道泄漏后氣體的擴(kuò)散程勇,于林,姚安林(西南石油大學(xué),四川成都610500)摘要:在深入分析輸氣管道泄露氣體擴(kuò)散的基礎(chǔ)上,根據(jù)天然氣擴(kuò)散本身的特征和研究問題的需要,采用高斯模型確定了泄漏源有效高度,:泄漏源抬升高度與擴(kuò)散氣體的初始速度和方向、初始溫度、泄漏口直徑、構(gòu)、離地面高度、地面粗糙度、;關(guān)鍵詞:;中圖分類號(hào):文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10067981(2010)14004903氣團(tuán)在大氣中的擴(kuò)散情況與氣團(tuán)自身性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)氣團(tuán)密度小于空氣密度時(shí),氣團(tuán)將向上擴(kuò)散而不會(huì)影響下面的居民;當(dāng)氣團(tuán)密度大于空氣密度時(shí),氣團(tuán)將沿著地面擴(kuò)散,危害很大。

2、在本文分析中,我們僅考慮其密度接近于或大于空氣密度的氣團(tuán)的擴(kuò)散。除了氣團(tuán)本身性質(zhì)外,氣團(tuán)的擴(kuò)散還受大氣穩(wěn)定度(反映地表地形、建筑物影響風(fēng)流局部紊流情況的參數(shù))等因素影響,呈現(xiàn)十分復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。天然氣的密度與空氣的密度相差比較小,故可以采用高斯模型計(jì)算氣體的擴(kuò)散。1高斯模型基本假設(shè)1.1模型的基本表達(dá)式高斯模型除了須滿足Z軸垂直向上延伸,如圖所示。平板模型中的一般假設(shè)外,還需要滿足如下假設(shè):氣云在平整、無障礙物的地面上空擴(kuò)散;氣云中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和相變反應(yīng),也不發(fā)生液滴沉降現(xiàn)象;氣體泄漏速率不隨時(shí)間變化,即為穩(wěn)定泄漏;風(fēng)向?yàn)樗椒较?風(fēng)速和風(fēng)向不隨時(shí)間、地點(diǎn)和高度變化,云團(tuán)中心的移動(dòng)速度或云羽

3、軸向蔓延速度等于環(huán)境風(fēng)速;氣云和環(huán)境之間無熱量交換。云團(tuán)內(nèi)部或云羽橫截面上濃度、密度等參數(shù)服從高斯分布(即正態(tài)分布)。1.2高斯模型計(jì)算公式根據(jù)高斯模型,以泄漏源為原點(diǎn),風(fēng)向方向?yàn)檩S的空間坐標(biāo)系中一點(diǎn)(x,y,z)處的濃度為:C(x,y,z,H)=×exp-2󰃖Vyx222y2×exp-+22z2exp-22z3式中:C(x,y,yz)空間點(diǎn)處的濃度,kg󰃗m;Q0泄漏源強(qiáng),kg󰃗s;高斯模型示意圖V風(fēng)速,m󰃗s;高斯模型用來描述危險(xiǎn)物質(zhì)泄漏形成的非重氣云擴(kuò)散行為,或描述重氣云在重力作用消失后的遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散行為。為

4、了便于分析,建立如下坐標(biāo)系OXYZ:其中原點(diǎn)O是泄漏點(diǎn)在地面上的正投影,Xx下風(fēng)向擴(kuò)散系數(shù),m;y側(cè)風(fēng)向擴(kuò)散系數(shù),m;z垂直風(fēng)向擴(kuò)散系數(shù),m;H有效源高,m,它等于泄漏源高度軸沿下風(fēng)向水平延伸,Y軸在水平面上垂直于X軸,與抬升高度之和,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;內(nèi)蒙古石油化工2010年第14期表2天空云層情況天空云量為4󰃗8,或高空有薄云云量5𘀕

5、5;87󰃗8,云層高度21344877m云量5󰃗87󰃗8,云層高度日照強(qiáng)度的確定日照角H抬升高度,由抬升模型求得。2泄漏源有效高度的確定日照角日照角泄漏源有效高度是指泄漏氣體形成的氣云基本上變成水平狀時(shí)氣云中心的離地高度。在大多數(shù)問題中,泄漏源有效高度難以與泄漏源實(shí)際高度相一致。它應(yīng)該等于泄漏源實(shí)際高度加泄漏源抬升高度。影響泄漏源抬升高度的因素很多,主要包括:擴(kuò)散氣體的初始速度和方向、初始溫度、泄漏口直徑、環(huán)境風(fēng)速及風(fēng)速隨高度的變化率、氣溫度。處采用20世紀(jì)80H=2.4VSV強(qiáng)中等中等弱弱弱弱弱低于213433󰃗8的天空有云層日

6、照角是指當(dāng)?shù)靥柟饩€與地平線之間的夾度。例如,陽光垂直照射地面時(shí)的日照角為90°。通常,隨著大氣穩(wěn)定度的增加,擴(kuò)散系數(shù)減小。對(duì)于開闊農(nóng)村地區(qū),化學(xué)危險(xiǎn)品事故泄漏擴(kuò)散系數(shù)與大氣穩(wěn)定度類型和下風(fēng)向距離間的關(guān)系如表3所示。表3大氣穩(wěn)定度類型ABCDE式中:H泄漏源抬升高度(m);Vs氣云出口速度(m󰃗s);d出口直徑(m);V環(huán)境風(fēng)速(m󰃗s)。擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)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此公式適合于出口噴射方向豎直向上,噴射路徑上無障礙物的情況。當(dāng)泄漏后擴(kuò)散的氣云為液池蒸發(fā)的蒸氣時(shí),蒸氣是自然向空氣中擴(kuò)散,可以認(rèn)為氣云的出口速度為零,此時(shí)無抬升高度。計(jì)算出泄漏源的抬升高度后,將泄漏源抬升高度與泄漏源實(shí)際高度相加就得到了泄漏源有效高度。3擴(kuò)散系數(shù)的確定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說明:100m<x<10km,抽樣時(shí)間間隔1060min,平坦地面。4風(fēng)速變化的確定基本風(fēng)壓系以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面上離地高10m統(tǒng)計(jì)所得的30年一遇10min平均最大風(fēng)速v02(m󰃗確定的風(fēng)壓值。s)為標(biāo)準(zhǔn),按F0=1600風(fēng)速與風(fēng)壓成正比關(guān)系,其關(guān)系可由下式確定:F=v󰃗1600式中:計(jì)算點(diǎn)風(fēng)壓,kN󰃗m;擴(kuò)散系數(shù)的大小與大氣湍流結(jié)構(gòu)、離地面高度、地面粗糙度、泄漏持續(xù)時(shí)間、抽樣時(shí)間間隔、風(fēng)速以及離開泄漏源的距離等因數(shù)有關(guān)。大氣湍流結(jié)構(gòu)和風(fēng)速在大氣穩(wěn)定度中考慮。大氣穩(wěn)定度由10m高度上的風(fēng)速、白天的太

9、陽輻射或夜間的云量等參數(shù)決定。隨著氣象條件穩(wěn)定度的增加,大氣穩(wěn)定度分為A、B、C、D、E和F六類,其確定方法見表3-1。從Av計(jì)算點(diǎn)風(fēng)速,m󰃗s。到F大氣的穩(wěn)定性依次增強(qiáng)。表1地面風(fēng)速(m󰃗s)<2233446>6Pasquill大氣穩(wěn)定度的確定而風(fēng)壓與基本風(fēng)壓的關(guān)系又可以用下式描述:F=zF0式中:F0基本風(fēng)壓,kN󰃗m;白天日照強(qiáng)AABBC中等ABBBCCD弱BCCD夜間條件陰天且云層薄,天空云量或低空云量為4󰃗8-EDDz風(fēng)壓高度變化系數(shù)。故風(fēng)速與基本風(fēng)速的關(guān)系為:v=為3󰃗8-FEDzϗ

10、254;v0對(duì)于風(fēng)壓高度變化系數(shù),應(yīng)根據(jù)地面粗糙度類別按下表確定。地面粗糙度可分為A、B、C三類:A類:近海海面、海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū);B類:田上表中日照強(qiáng)度由表3-2中規(guī)定確定。© 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輸氣管道泄漏后氣體的擴(kuò)散野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的中小城鎮(zhèn)和大城市郊區(qū);C類:有密集建筑群的大城市市區(qū)。表4離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代入公式得到風(fēng)速與高度的關(guān)系如下:0<h10mv=v010m<h<350mv=風(fēng)壓高度變化系數(shù)地面粗糙度類別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結(jié)論計(jì)算出泄漏源的抬升高度后,將泄漏源抬升。通過分析得到風(fēng)壓高度變化系數(shù)和高度的關(guān)系曲線,進(jìn)而得到了高度和風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系。參考文獻(xiàn)1部石生,黃志盤,高衄斌.輕烴擴(kuò)散系數(shù)研究盈天然氣運(yùn)聚動(dòng)平相原理J.石油學(xué)報(bào).1991,12(3),1724.2郭石生,黃志龍楊家琦1著天然氣運(yùn)聚動(dòng)平衡及應(yīng)用M1北京:石油工業(yè)出版牡.1994,33.5.3費(fèi)祥麟1高等流體力學(xué)M1西安:西安交通輸氣管道主要經(jīng)過一些田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵之類的地形區(qū)域,故選用B類地面粗糙度,根據(jù)上表的數(shù)據(jù),繪出和的關(guān)系曲線。并對(duì)曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得到風(fēng)壓高度變化系數(shù)和高度的函數(shù)關(guān)系如下:0<h

13、10mz=110m<h<350mz=0.478hj0.3201h350mz=3.12大學(xué)出版社,1986.4李華,鄧?yán)^勇1用高斯模型計(jì)算大氣中放射性核素云團(tuán)的擴(kuò)散J,2006,(3).5余常照1紊動(dòng)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