劉鵬 黃維和 李玉星 王武昌 楊昊

中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院

 

摘 要：天然氣管道事故發生后，會因事故處理不當以及應急方案不完善導致事故進一步擴大，造成巨大的人員傷亡與國家財產損失。為了給天然氣管道事故發生后的救援及應急方案制定提供參考，基于地理信息系統，以ArcGIS為開發平臺，采用Python語言，將事故模型進行編程，形成天然氣管道事故分析工具箱，實現基于GIS的天然氣管道泄漏后果定量分析，并通過瞬時泄漏案例，說明工具箱的實際應用和效果。

關鍵詞：天然氣；泄漏后果；地理信息系統；定量分析

 

“十三五”以來，天然氣的發展迎來歷史性機遇。隨著天然氣管道大規模建設，天然氣管道發生失效事故所帶來的后果問題也得到廣泛關注。泄漏的天然氣濃度過高容易導致人員窒息，泄漏天然氣接觸到明火之后很容易發生爆炸、燃燒，使得事故影響范圍進一步擴大，造成巨大人員傷亡與財產損失[1-6]。因此，如何快速準確地定量確定天然氣管道事故危害范圍、危害程度、事故演變情況，從而及時采取有效的應急方案，保障生命財產安全，對天然氣管道事故后果處理具有重大意義。

1 理論計算模型

1.1 天然氣擴散模型

高斯模型是目前較為廣泛采用的氣體擴散模型，其基于統計理論的正態分布假設來推算氣體的擴散模式，分為高斯煙羽模型和高斯煙團模型[7]。

1.1.1 高斯煙羽模型

若管道泄漏口為小孔，可認為泄漏為連續泄漏源，采用高斯煙羽模型模擬計算該泄漏氣體的濃度分布，其表達式由式（1）給出：

 

式中： Q，泄漏速率， m3/s； C，泄漏氣體的濃度，kg/m3； u，平均風速， m/s； σy，氣體的側向擴散系數，m； σz，氣體的縱向擴散系數， m； z，距離地面的高度， m； H，泄漏源距離地面的高度， m。

1.1.2 高斯煙團模型

若天然氣管道完全斷裂，則管道內氣體將瞬時泄放。可采用高斯煙團模型模擬計算瞬時泄漏氣體的濃度分布，其表達式由式（2）給出：

 

式中： m ，總泄漏量， kg； t ，泄漏時間， s；σx，下風向氣體擴散系數， m。

1.2 天然氣爆炸模型

天然氣泄漏到環境中，在未點火情況下，將與空氣混合形成天然氣—空氣混合氣團（以下簡稱混合氣團），一旦遇到火源，將引燃氣團發生爆炸。 TNT當量法是將一定質量的天然氣的燃燒熱當量計算為TNT質量，根據TNT的藥量來衡量爆炸事故導致的破壞程度，通過這種換算，將天然氣和爆炸危害范圍建立關系。其模型公式由式(3)(4)(5)(6)給出：

 

式中： WTNT ，天然氣爆炸事故的當量TNT質量， kg； Wf ，參與爆炸的天然氣質量，一般取泄漏天然氣質量的10%， kg； Qf ，天然氣燃燒熱， J/kg；QTNT ， TNT爆炸熱，一般為4.12～4.69 MJ/kg； z ， 爆炸特征長度； Pi ，爆炸超壓峰值。

1.3 天然氣燃燒模型

天然氣管道瞬時泄漏后，形成的混合氣團處于可燃范圍內時被引燃將發生瞬態燃燒，即為火球[8]。

火球半徑計算公式由式(7)給出：

 

火球持續時間計算公式由式(8)給出：

 

式中： W，參與燃燒的泄漏氣體質量， kg； R，火球半徑， m； T，火球持續時間， s。

熱輻射計算公式由式(9) (10)給出：

 

式中： Q ，火球總輻射量， J； Hc，燃料的燃燒熱， J/kg； Q，熱輻射， W/m2； Tc，熱傳導系數，取1.0； L，目標距離火球中心的距離， m。

2 事故危害范圍準則

2.1 天然氣擴散危害準則

天然氣主要由甲烷等烷烴類組成，其自身無毒無害，當濃度超過10%（體積分數，下同）時，由于空氣中氧氣濃度下降，會導致人體因為缺氧而不適。此外，5%～15%天然氣濃度為爆炸極限區，該濃度范圍內遇到明火將極易發生燃爆事故。

2.2 天然氣爆炸危害準則

天然氣爆炸事故危害主要來源于爆炸產生的爆炸超壓波，主要危害對象為建筑物，超壓波對建筑物的危害準則如表 1所示。

　　　　　　　　　　　　

2.3 天然氣燃燒危害準則

天然氣在開始泄漏時與空氣混合并不完全，如果泄漏口附近有明火，將直接導致天然氣燃燒。燃燒主要危害來源于燃燒產生的熱輻射，熱輻射可致人體燒傷，使樹木或其他可燃物發生燃燒。熱輻射對人體的傷害準則如表 2所示。

3 天然氣管道事故分析工具箱

基于ArcGIS，利用其空間分析和可視化技術，采用Python語言，將已有的擴散、燃燒、爆炸等數學模型進行編程，形成天然氣管道事故后果分析工具箱，將數學模型的定量分析結果直接呈現于GIS，實現管道泄漏事故后果的區域化和可視化，結合GIS不同圖層，將更加直觀、方便地進行天然氣管道泄漏事故的后果分析。

以中緬管道某處瞬時泄漏為例，說明工具箱的使用效果。

設泄漏事故點經緯度坐標為（101.8， 25），該處天然氣管道發生斷裂，應急部門反應迅速，短時間內將斷裂點上下管線閥門關閉。中緬管道兩個閥室之間的距離取20 km，當地大氣壓和溫度下天然氣密度取0.6 kg/m3，則該段管線存氣量175.6萬m3（標 方，下同），可認為本次事故總天然氣量為175.6萬m3，去除管線內部存留的天然氣1.6萬m3，管道瞬時泄漏天然氣174.0萬m3，環境風速為2 m/s，風向自西向東。

3.1 未發生燃爆情況分析

以10%天然氣濃度（窒息危險濃度）為濃度邊界，時間點分別取10 s、 100 s、 200 s、 400 s，運行天然氣管道事故后果分析工具箱中的高斯煙團模型，不同時間點混合氣團覆蓋區域如圖 1所示。

　　　　　　　　　　　　

不同時間點混合氣團定量危害范圍如表 3所示。

混合氣團的位置隨時間延長不斷向東移動，移動過程中以10%濃度為界的混合氣團不斷擴大，混合氣團危害范圍也不斷延伸。泄漏后100 s，混合氣團逼近斷裂點附近的羅川鎮； 400 s時，混合氣團離開羅川鎮，覆蓋羅川村。

將混合氣團模擬時間點取至200 s，運行高斯煙團模型，得到混合氣團整個運動危害范圍，見圖2。

圖 2中混合氣團整個擴散過程中的覆蓋面積為34.5 km2，周長38.1 km。據計算，混合氣團在2.5 h后天然氣濃度已經低于10%，即對人已經沒有窒息危險。此次瞬時泄漏表現為混合氣團的位置不斷移動，影響范圍隨時間變化，同濃度的混合氣團尺寸先擴大然后減小，安全部門須及時啟動應急方案，提前根據模擬結果預測位置，安排人員疏散，并消除可能的火源。人員緊急撤離等待混合氣團移動過后，方可恢復正常生活。

3.2 發生爆炸情況分析

設200 s時，有明火引燃混合氣團爆炸，假設泄漏的天然氣全部參與爆炸，以天然氣爆炸極限濃度5%～15%為邊界，運行爆炸模型，得到爆炸極限范圍，如圖 3所示。

圖 3爆炸極限區域覆蓋面積19 552 m2，在該區域一旦出現明火，將直接導致混合氣團爆炸，爆炸產生的超壓沖擊波將會造成更大范圍傷害。在當地壓力和溫度下，天然氣密度為0.6 kg/m3，則泄漏的天然氣質量為72 000 kg。以點火源為爆炸中心，燃燒熱取甲烷的燃燒熱55 600 kJ/kg， TNT爆炸熱取4 500 kJ/kg，假設泄漏的天然氣全部參與爆炸，則根據表 1中沖擊波超壓值運行爆炸模型，爆炸超壓波影響建筑物范圍如圖 4所示。

該爆炸事故對建筑物定量危害范圍如表 4所示。

3.3 發生火球燃燒情況分析

設200 s時，出現一處引燃點引燃混合氣團變成火球，假設泄漏的天然氣全部參與形成火球，由于噴射火的危害主要是熱輻射，故參照熱通量傷害準則表 2，運行火球模型，影響人體熱輻射范圍如圖 5所示。

　　　　　　　　　　　　

火球定量危害范圍如表 5所示。

4 總結與展望

將已有的天然氣管道事故模型與地理信息系統相 結合，實現了基于GIS的對天然氣事故泄漏后果的定量分析，對天然氣管道事故已造成的后果范圍以及接下來的演化范圍進行準確預測，從而為已受災區域的救援以及應急方案的制定提供參考。

天然氣管道泄漏事故模型僅采用目前比較成熟的理論計算模型，但是每個模型與實際情況的差距還有待考量，針對現實中的地形、建筑等障礙物，由于缺乏實際數據，都沒有納入計算范圍，因此更加精確、貼合實際的理論計算模型還需要添加不同條件進行修正。目前，該天然氣管道事故后果定量分析工具箱對事故的分析僅在二維層面，沒有上升到三維空間，其仍處于雛形，后期還需不斷完善以提高模擬精度，從而對現實事故的后果定量分析提供更有價值的參考。

 

參考文獻：

[1] 王大慶, 高惠臨. 天然氣管線泄漏擴散及危害區域分析[J]. 天然氣工業, 2006, 26(7):120-122.

[2] 徐亞博, 錢新明, 劉振翼. 天然氣輸送管道泄漏事故危害定量分析[J]. 中國安全科學學報, 2008,18(1):146-149.

[3] 宋兆勇, 趙云峰, 蘇奇,等. 管道輸送天然氣泄漏危害的定量分析[J]. 石油工業技術監督, 2014,30(1):47-49.

[4] 張冀東. 天然氣管道泄漏爆炸后果的定量分析[J].內蒙古石油化工, 2012(14):66-67.

[5] 付珍. 基于GIS的城市燃氣管道事故后果分析[D].西南石油大學, 2012.

[6] 周茂林. 城市燃氣GIS系統的應用研究及軟件開發[D]. 重慶大學, 2006.

[7] 王新. 天然氣管道泄漏擴散事故危害評價[D]. 哈爾濱工業大學, 2010.

[8] 王文和, 徐志勝, 易俊,等. 天然氣管道泄漏火球事故后果模擬評價[J]. 中國安全生產科學與技術, 2012,08(1):18-21.

 

基金項目：國家重大研發計劃（2016YFC0802104）；山東省重點研發計劃（2017GSF220007）；山東省自然科學基金聯合專項（ZR2017LEE003）。

作者：劉鵬，男， 1995年生，博士研究生。 

2019年第4期（總第47期）