放空立管放空时可燃气体扩散过程研究

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摘要：放空立管在放空的过程中，可燃性气体在扩散区域内一旦被意外点燃，可能发生火灾甚至爆炸。研究放空立管放空时气体扩散的规律及影响因素，对于安全管理、事故调查分析、工程设计、应急措施及风险评估具有重要的意义。运用SAFER TRACE软件，对放空立管出口处可燃性气体的扩散过程进行了定量模拟，得出可燃性气体扩散浓度范围以及对周围人口的影响。

关键词：放空立管；气体扩散；SAFER TRACE

1 引 言

长输天然气管道发生事故或设备检修时，通常需要放空管道内的天然气。为避免将天然气放空对环境造成影响，以及天然气在大气中形成气团所带来的危险，一般在长输天然气管道沿线的各个输气站场、阀室设置放空火炬或放空立管。如果在放空区域形成可燃混合物，将给放空带来极大的安全隐患，一旦可燃性气体扩散范围区域内被意外点燃，可能发生火灾甚至爆炸，因此为了预防此类事故的发生并为事故发生后提供积极补救措施，对气体的扩散规律及影响因素进行深入的研究具有重要意义[1]。

2 气体泄漏扩散模型

国外学者从20世纪60年代就开始了对危险气体泄漏扩散的试验和理论研究，并提出了许多计算模型，如高斯模型、BM模型、FEM3模型、箱及相似模型、三维现象传递模型、浅层模型等，国内学者在国外研究的基础上不断修正，提出了板块模型，所有的这些模型都能够较好地模拟出气体泄漏扩散，但是仍存在一定的缺陷。

高斯模型建模简单、易于理解、运算量小，可模拟连续性泄漏和瞬时泄漏两种泄漏方式，且由于提出的时间比较早，实验数据多，因而较为成熟，但它只适用于中性气体，模拟精度较差；BM模型只适用于重气的扩散，而且只能用作基准的筛选模型，不能适用于超出其导出范围之外的情形，对于喷射或二相释放的近源区也不合适；FEM3模型适用于处理连续源泄漏及有限时间的泄漏，但其计算量很大、模拟较为困难，且只适用于重气体的扩散；箱及相似模型概念清晰、计算量较小，特别适合危险评价，但模型应用条件存在固有的局限性，因此在模拟一些特殊的扩散过程时具有很大的不确定性。三维现象传递模型建模复杂，需要专业人员才能计算，且也是只能适用于重气的扩散[2]。

调研来看，几乎所有的模型都有其适用范围和局限性，本文采用美国SAFER SYSTEMS公司开发的SAFER TRACE软件的扩散分析模型对气体的扩散过程及影响因素进行研究。

3 SAFER TRACE软件简介

SAFER TRACE软件是美国SAFER SYSTEMS公司开发的危害评估综合软件，它是一种可用于分析有毒、可燃和爆炸性化学物质外泄至大气的影响。通过TRACE，可进行全面科学的合理分析，然后输出符合要求的结果形式。该软件内嵌了多种计算模式，包括扩散分析、火灾分析、爆炸分析、敏感度分析和微粒度分析等五大主要功能。它可以对化学品扩散，火灾，爆炸以及粒子模型进行深入地分析。内含储存了700多种化学品性质的资料库，采用导向方式建立模拟，其中包含化学品和气象情景，兴趣点分析和人口数据。在某个具体的项目中，将各个模块的研究组合起来形成分析结论。输出的形式有：报告，图表，等值线图，兴趣点图表和对大众的影响评价。

4 放空立管气体扩散的计算实例

放空立管设计表面上看，工艺流程简单，设计参数较少，但是放空气体在大气空间的运动实际上是一个非常复杂的气体扩散过程，而且很难像其他工艺设备一样通过实验手段进行测定。对可燃气体非点火放空，虽然GB 50183 -2004规定可能存在点火源的区域内不应形成爆炸性气体混合物，但未给出可燃性气体扩散影响区域的定量计算方法[3]。本文以广西液化天然气（LNG）项目输气管道工程山背岭阀室为例，采用SAFER TRACE软件对放空立管出口处可燃性气体的扩散过程进行了定量模拟，给出了可燃性气体扩散浓度范围以及对周围人口的影响。

4.1 基本计算参数

大气稳定度是评价空气层垂直对流程度的指标。在研究大气扩散规律时，大气稳定度的划分间接地反映了大气的湍流特征。大气稳定度的确定是十分复杂的，但一般都将其分为A～F六类。Pasquill - Gifford 根据风速的大小和白天阳光辐射的强弱或夜晚云层的覆盖程度对大气稳定度进行了划分。A为非常不稳定；B为不稳定；C为中等不稳定；D为中等；E为中等稳定；F为稳定。

表面粗糙度：表面粗糙度是所在地区的障碍物平均高度的大约十分之一，非常少见表面粗糙度大于1米的。

4.2 气体扩散模拟

根据以上基本计算参数，模拟广西液化天然气（LNG）项目输气管道工程山背岭阀室放空立管放空时气体扩散过程，得出浓度范围分析结果，即：放空时天然气浓度为47000ppm（爆炸下限）范围内，最大影响距离为39m，高度为60m。天然气浓度为98000ppm范围内，最大影响距离为15m，高度为48m。天然气浓度为149000ppm（爆炸上限）范围内，最大影响距离为8m，该位置高度为42m。扩散的天然气全部位于放空立管的上方。

5 结 论

本文运用SAFER TRACE软件模拟天然气长输管道阀室放空立管放空时可燃气体扩散规律，得到了气体扩散的浓度范围、浓度与距离之间的关系、时间与浓度的分析、室内外浓度随时间变化分析、人口影响。本文的结论可以为天然气长输管道发生事故或设备检修时，站场、阀室放空立管放空管道内的天然气扩散规律的研究提供借鉴，也可为放空立管与站场、阀室间距以及和周围居民、建筑物的安全间距的设计起到指导作用。

参考文献

[1] 齐建波，孙立刚等.西气东输二线阀室放空系统设置.油气储运，2009.28（9）：63-65.

[2] 于明，狄彦，帅健.输气管道泄漏率计算与扩散模拟方法述评.管道技术与设备，2007.4：15-18.

[3] 石油天然气工程设计防火规范.GB50183-2004.