山東工商學(xué)院管理科學(xué)與工程學(xué)院

基于開裂面積的管輸LPG泄漏擴(kuò)散模擬

劉剛孫玉峰陳章良史俊偉李立峰馮述虎李貴炳

山東工商學(xué)院管理科學(xué)與工程學(xué)院

為了確定管道泄漏參數(shù)對(duì)泄漏過程的影響規(guī)律，基于管道開裂面積，結(jié)合管道和輸送介質(zhì)的基本性質(zhì)，以編制的計(jì)算模擬軟件為基礎(chǔ)，進(jìn)行管輸LPG泄漏擴(kuò)散模擬研究。采用控制變量法，將開裂孔口形狀簡(jiǎn)化為圓形，改變孔徑從而改變開裂面積，研究不同開裂面積下LPG泄漏規(guī)律。研究結(jié)果表明，開裂面積越大，泄漏持續(xù)時(shí)間越短，泄漏過程中初始泄漏速率就越大，且達(dá)到平緩泄漏所用的時(shí)間越短。

LPG；開裂面積；泄漏；擴(kuò)散；數(shù)學(xué)模型；救援

液化石油氣簡(jiǎn)稱LPG，安全性是LPG儲(chǔ)存與運(yùn)輸過程需考慮的首要因素，LPG泄漏已造成多起安全事故。LPG泄漏事故對(duì)安全生產(chǎn)和事故現(xiàn)場(chǎng)周邊居民的生活有非常大的影響[1-3]，因此針對(duì)LPG泄漏過程進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)其事故預(yù)防及應(yīng)急救援技術(shù)進(jìn)行研究具有重要的意義。

大部分LPG泄漏模擬將管輸介質(zhì)流動(dòng)簡(jiǎn)化為等溫流動(dòng)[4]，忽略管道內(nèi)壓力和流態(tài)瞬態(tài)變化的泄漏模型近似于壓力容器泄漏模型，與真實(shí)LPG管輸泄漏過程相差較大[5]。FEM3模型可應(yīng)用于大型瞬時(shí)泄漏擴(kuò)散事故的三維模擬計(jì)算，雖然用該模型計(jì)算泄漏初始階段的結(jié)果并不完全準(zhǔn)確，但是對(duì)重氣云團(tuán)塌陷過程濃度變化的預(yù)測(cè)卻較為直觀[6]。

為了解LPG泄漏過程的機(jī)理，完善描述泄漏過程的基本模型，必須深入研究泄漏過程中各因素的影響規(guī)律，從而更全面地揭示LPG泄漏擴(kuò)散本質(zhì)，本文基于開裂面積對(duì)管輸LPG泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬研究。

1　LPG泄漏擴(kuò)散過程

LPG泄漏形成的云團(tuán)為重氣云團(tuán)，重氣云團(tuán)的擴(kuò)散比非重氣云團(tuán)的擴(kuò)散復(fù)雜，通常將重氣云團(tuán)的擴(kuò)散分為四個(gè)階段：重力沉降階段、空氣卷吸階段、云團(tuán)加熱階段，及向非重氣擴(kuò)散轉(zhuǎn)變階段，各階段特征如圖1所示[7]。

圖1　重氣云團(tuán)泄漏過程各階段特征

管道內(nèi)溫度和壓力在管道開裂并造成LPG泄漏后迅速達(dá)到熱力學(xué)臨界點(diǎn)，開裂處壓力急劇下降，導(dǎo)致液態(tài)LPG劇烈沸騰，從而使管內(nèi)的部分液態(tài)LPG氣化，形成氣液兩相流。由于兩相流的泄漏量遠(yuǎn)大于單相介質(zhì)的泄漏量，因此開裂處前后的壓力發(fā)生突變，形成較大的壓差，介質(zhì)在壓差作用下從高壓處流向開裂孔口，導(dǎo)致LPG泄漏擴(kuò)散[8]。

風(fēng)速、泄漏點(diǎn)地理位置、周圍溫度等環(huán)境因素，管道長度、口徑、表面粗糙度等管道參數(shù)及輸送介質(zhì)性質(zhì)、流量等運(yùn)行參數(shù)均對(duì)LPG泄漏過程有很大影響。管道開裂后在多種因素作用下形成局部?jī)上嗔?，開裂處至管道末端的壓力降至管道起點(diǎn)至開裂處壓力的5%～50%，且介質(zhì)流速的改變甚至?xí)斐闪鲃?dòng)停滯。

2　數(shù)學(xué)模型及軟件驗(yàn)證

2.1數(shù)學(xué)模型

為準(zhǔn)確建模，對(duì)LPG穩(wěn)態(tài)輸送和泄漏過程做如下假設(shè)：介質(zhì)溫度、流速沿管道軸向和徑向均不同，同一空間點(diǎn)上不同相態(tài)的介質(zhì)溫度、流速相同；忽略開裂孔口形狀對(duì)泄漏的影響，只考慮開裂面積對(duì)泄漏的影響；忽略管道切斷閥響應(yīng)時(shí)間的影響，將泄漏總量簡(jiǎn)化為有限元素；忽略風(fēng)速瞬時(shí)變化的影響，泄漏初始階段有效擴(kuò)散區(qū)域附近風(fēng)速一定；管道的質(zhì)量流量mT從兩相區(qū)與液相區(qū)界面處至孔口處呈線性變化；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)LPG的泡點(diǎn)壓力為 pb，開裂處節(jié)流壓力為 pc。根據(jù)假設(shè)條件可得到泄漏總量的數(shù)學(xué)模型[8]。

管道軸向壓力分布計(jì)算模型為

式中 F1(p)為軸向管道內(nèi)部壓力（kPa）； υf、υg為液態(tài)、氣態(tài)介質(zhì)的比容； Sp為速度滑移比；pb為介質(zhì)的泡點(diǎn)壓力（kPa）； pc為開裂處節(jié)流壓力（kPa）；x為質(zhì)量含氣率（%）；Dp為管道內(nèi)徑（m）； Ap為管道內(nèi)截面面積（m2）； f為管道內(nèi)壁摩擦因數(shù)，由Serghides摩擦因數(shù)計(jì)算式[9]求得； zi為兩相區(qū)和液相區(qū)界面空間位置；m˙c、m˙i為對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的質(zhì)量流量。

為計(jì)算泄漏的總質(zhì)量，首先需計(jì)算管道內(nèi)氣態(tài)介質(zhì)所占體積。

通過管道內(nèi)氣態(tài)介質(zhì)體積可以計(jì)算出管道破裂后泄漏介質(zhì)的總質(zhì)量，即LPG泄漏總質(zhì)量計(jì)算模型為

式中α為體積含氣率（%）；Vα為管道氣相部分所占體積（m3）。

由于對(duì)輸送條件和泄漏過程做了條件性假設(shè)，因此，管道軸向壓力和泄漏總質(zhì)量計(jì)算模型的適用范圍也受到一定限制。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)管道內(nèi)介質(zhì)溫度在LPG沸點(diǎn)與臨界溫度之間，管道內(nèi)壓力高于LPG的飽和蒸汽壓。管道開裂處前后高差較大時(shí)該計(jì)算模型不適用；管道開裂處風(fēng)場(chǎng)流向與流速大幅度改變時(shí)該計(jì)算模型不適用。

2.2有效性驗(yàn)證

在Windows7環(huán)境下，以快速可視化集成開發(fā)平臺(tái)C++Builder為平臺(tái)進(jìn)行LPG泄漏模擬軟件的開發(fā)。為了驗(yàn)證軟件計(jì)算結(jié)果的有效性和計(jì)算精度，以谷島實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為計(jì)算基礎(chǔ)，將軟件計(jì)算結(jié)果和谷島實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，應(yīng)用編制的LPG泄漏模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算數(shù)據(jù)與谷島實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2　軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由于實(shí)驗(yàn)時(shí)風(fēng)速、溫度等環(huán)境參數(shù)并非穩(wěn)態(tài)，隨著LPG泄漏過程的進(jìn)行發(fā)生一定變化，而該軟件編制過程中未考慮泄漏過程環(huán)境溫度和風(fēng)速的變化，因此計(jì)算結(jié)果和實(shí)際泄漏過程存在一定誤差。由圖2可以看出，軟件計(jì)算結(jié)果與谷島實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果分布規(guī)律基本一致。通過數(shù)據(jù)分析表明，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上有一定差距，但是誤差在可接受范圍內(nèi)，因此該軟件計(jì)算結(jié)果有效。

3　計(jì)算結(jié)果與分析

為準(zhǔn)確模擬LPG泄漏過程，對(duì)管道條件和輸送運(yùn)行參數(shù)取值做了一定假設(shè)：假設(shè)管道開裂位置處于管道的上部，開裂的孔口形狀為圓形，孔口面積由裂孔的直徑?jīng)Q定。管道長度為120m，管道內(nèi)徑為0.15m，管道內(nèi)表面粗糙度為0.05mm。管輸運(yùn)行參數(shù)：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)管道內(nèi)壓力為1.4MPa，運(yùn)行溫度為20℃，LPG輸送流量為20kg/s，泄漏點(diǎn)周圍風(fēng)速為3m/s，周圍大氣溫度為10℃，大氣壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

3.1開裂面積對(duì)有效泄漏耗時(shí)的影響

采用控制變量法模擬研究開裂面積對(duì)有效耗時(shí)的影響，規(guī)定從泄漏開始到泄漏總質(zhì)量增長幅度接近0時(shí)所消耗的時(shí)間為有效耗時(shí)。通過改變孔口直徑調(diào)節(jié)開裂面積大小，孔口直徑依次取值40、60、80、90、100、110、130和150mm，有效耗時(shí)與開裂面積的關(guān)系如圖3所示。

圖3　有效泄漏耗時(shí)與開裂面積關(guān)系曲線

由圖3可以看出，有效泄漏耗時(shí)隨著開裂面積的增大而減小，且有效耗時(shí)與開裂面積并非呈線性關(guān)系，隨著開裂面積的增大，有效泄漏耗時(shí)的減小速率先快后慢。開裂面積越大，LPG從孔口外泄的阻力越小，從而有效耗時(shí)越小。當(dāng)開裂面積大于某一值時(shí)，氣液兩相空間相變速率降低，從而使得有效泄漏耗時(shí)的減小速率先快后慢。

3.2開裂面積對(duì)泄漏總質(zhì)量的影響

保持其他參數(shù)不變，改變開裂面積，模擬計(jì)算LPG泄漏總質(zhì)量。依次計(jì)算開裂孔口直徑為40、80 和130mm時(shí)的泄漏總質(zhì)量，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4　泄漏總質(zhì)量與開裂面積關(guān)系曲線

由圖4可以看出，泄漏總質(zhì)量隨著開裂面積的增大而增大，泄漏總質(zhì)量基本不變時(shí)的時(shí)間與圖3中的有效泄漏耗時(shí)是相吻合的。開裂面積增大，使得LPG從孔口外泄的阻力減小，從而導(dǎo)致管道內(nèi)氣液兩相的相變速率增大且相變更加充分，因此，泄漏總質(zhì)量隨之增大。

3.3開裂面積對(duì)泄漏速率的影響

保持其他參數(shù)不變，改變開裂面積，模擬研究開裂面積對(duì)泄漏速率的影響。依次計(jì)算開裂孔口直徑為40、80和130mm時(shí)的LPG泄漏速率，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5　泄漏速率與開裂面積關(guān)系曲線

由圖5可以看出，初始泄漏速率隨著開裂面積的增大而明顯增大，開裂面積對(duì)外泄末期的泄漏速率影響不大，泄漏過程中的平均泄漏速率隨著開裂面積的增大而增大。開裂面積增大，使得LPG從孔口外泄的阻力減小，從而加快了LPG相變與泄漏擴(kuò)散速率。外泄末期階段可泄漏LPG的質(zhì)量基本相同且量較小，因此，開裂面積對(duì)有限時(shí)間內(nèi)的泄漏速率影響較小。

4　應(yīng)急救援措施

（1）建立健全應(yīng)急體系。應(yīng)急工作應(yīng)堅(jiān)持預(yù)防與處置并重的原則，突破事故發(fā)生后再進(jìn)行應(yīng)急救援的傳統(tǒng)觀念，使應(yīng)急工作關(guān)口前移。首先，應(yīng)采用本質(zhì)安全化的設(shè)計(jì)、設(shè)備和設(shè)施；其次，建立和維護(hù)LPG泄漏監(jiān)測(cè)和預(yù)警體系；最后，制定政府和企業(yè)層面的LPG泄漏事故應(yīng)急預(yù)案體系，并定期組織演練，確保事故發(fā)生時(shí)應(yīng)急救援工作響應(yīng)迅速且有條不紊[10]。

（2）封鎖現(xiàn)場(chǎng)，轉(zhuǎn)移群眾。對(duì)LPG的擴(kuò)散研究及實(shí)際泄漏事故均表明：由于重氣效應(yīng)的影響，LPG泄漏后在氣流底端順風(fēng)向擴(kuò)散，當(dāng)局部空間的石油氣濃度達(dá)到爆炸范圍時(shí)很可能發(fā)生爆炸事故;因此，發(fā)現(xiàn)LPG泄漏后，應(yīng)迅速將周圍群眾轉(zhuǎn)移到上風(fēng)向的海拔較高位置，以減少人員傷亡。同時(shí)，應(yīng)沿LPG擴(kuò)散方向封鎖現(xiàn)場(chǎng)，防止點(diǎn)火源的出現(xiàn)。

（3）切斷泄漏管段兩端控制閥。模擬研究結(jié)果表明，瞬時(shí)泄漏的泄漏量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于連續(xù)泄漏時(shí)的泄漏量，連續(xù)泄漏更容易使石油氣濃度達(dá)到爆炸極限。因此，為了減小LPG泄漏量，確定泄漏點(diǎn)后應(yīng)立即關(guān)閉該管段兩端的切斷閥，將泄漏量控制在最小范圍內(nèi)，從而最大程度地降低事故損失。

（4）確定泄漏點(diǎn)并實(shí)施有效堵漏和消防控制措施?，F(xiàn)代LPG管道大部分建立了運(yùn)行監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，通過壓力、溫度及流量等參數(shù)可以判斷LPG開裂位置，此外，液態(tài)LPG泄漏時(shí)伴隨的結(jié)霜甚至結(jié)冰現(xiàn)象也有助于迅速判斷管道開裂位置。確定泄漏點(diǎn)并切斷管段兩端控制閥后，可以采用浸水軟棉帶包裹管道等措施迅速堵漏，以減小石油氣泄漏量；同時(shí)，啟動(dòng)消防泡沫滅火設(shè)施，對(duì)泄漏的液化石油氣進(jìn)行覆蓋，隔絕空氣的接觸。

（5）利用便攜式檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。事故發(fā)生后，LPG運(yùn)營單位應(yīng)配合應(yīng)急救援力量全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)石油氣濃度及擴(kuò)散范圍。目前，XH-B100A、GW-XCD、SQJ-IA等型號(hào)的便攜式液化氣檢測(cè)儀受到燃?xì)獗O(jiān)測(cè)單位的青睞，該設(shè)備也為實(shí)現(xiàn)全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了有利條件[11]。

5　結(jié)論

以LPG泄漏過程為研究對(duì)象，分析了泄漏的重力沉降、空氣卷吸、云團(tuán)加熱和向非重氣擴(kuò)散轉(zhuǎn)變4個(gè)階段的特征，并結(jié)合熱力學(xué)和流體力學(xué)基本定律建立了LPG輸送管道開裂后壓降與泄漏量計(jì)算模型。研究結(jié)果表明：

（1）有效泄漏耗時(shí)隨著開裂面積的增大而減小，且有效耗時(shí)與開裂面積并非呈線性關(guān)系，隨著開裂面積的增大，有效泄漏耗時(shí)的減小速率先快后慢。

（2）泄漏總質(zhì)量隨著開裂面積的增大而增大。開裂面積增大，使得LPG從孔口外泄的阻力減小，從而導(dǎo)致管道內(nèi)氣液兩相的相變速率增大且相變更加充分，因此泄漏總質(zhì)量隨之增大。

（3）初始泄漏速率隨著開裂面積的增大而明顯增大，開裂面積對(duì)外泄末期的泄漏速率影響不大，泄漏過程中的平均泄漏速率隨著開裂面積的增大而增大。（4）應(yīng)建立健全應(yīng)急體系，發(fā)生泄漏時(shí)封鎖泄漏現(xiàn)場(chǎng)，轉(zhuǎn)移群眾，切斷泄漏管段兩端控制閥，確定泄漏點(diǎn)并實(shí)施有效堵漏措施和消防控制措施，利用便攜式檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)全方位實(shí)時(shí)泄漏監(jiān)測(cè)。

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（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.007

基金論文：國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局安全生產(chǎn)科技項(xiàng)目(shandong-0142-2015AQ)，山東能源經(jīng)濟(jì)協(xié)同創(chuàng)新中心（山東省2011計(jì)劃）資助項(xiàng)目(2014SDXT014)。

劉剛：碩士，2005年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)管理科學(xué)與工程專業(yè)，山東工商學(xué)院講師。

2015-04-23