◇中石油遼河油田安全環(huán)保技術監(jiān)督中心 沈凌云

液化氣體泄漏之后，容易引發(fā)中毒、火災、爆炸等事故，不但會污染環(huán)境，而且會造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，本文以含硫天然氣為例，使用Gaussian煙羽模型對液化氣體泄漏擴散進行了數(shù)值模擬。結果表明：Gaussian煙羽模型可以有效模擬含硫天然氣泄漏之后的擴散情況，并且可以快速劃分氣體泄漏擴散的影響區(qū)域，進而給事故應急救援工作提供科學的指導，從而最大限度地減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

近些年以來，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對于液化天然氣、液化氨氣、液化氯氣等液化氣體的需求量逐年遞增。這些液化氣體均屬于危險化學品，具有易燃、易爆、毒性大等特點，為了方便存儲和運輸，一般都是將其進行壓縮液化處理。在實際生產(chǎn)、使用等過程中，很多因素都會導致液化氣體發(fā)生泄漏，雖然偶有發(fā)生，但是所造成的危害極大，容易引發(fā)中毒、火災以及爆炸等事故，輕則造成環(huán)境污染、生態(tài)破壞，重則造成財產(chǎn)損失和人員傷亡[1-2]。一旦液化氣體發(fā)生泄漏，如果可以快速預測其擴散趨勢和濃度分布范圍，就可以準確地劃分泄漏氣體的危險區(qū)域，給事故應急救援工作提供科學的指導，從而最大限度地減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，如何快速和準確地模擬液化氣體泄露的擴散規(guī)律，從而預測泄漏事故的影響范圍，是目前人們關注的熱點和難點。本文以含硫天然氣為例，使用高斯（Gaussian）煙羽模型對液化氣體擴散進行了數(shù)值模擬。

1 液化氣體泄漏擴散模型

在液化氣體泄漏之后，由于受到多種因素的影響，其擴散規(guī)律比較復雜，通常都是利用相應的氣體泄漏擴散模型對液化氣體泄漏的規(guī)律進行數(shù)值模擬。經(jīng)過幾十年的研究，目前常用的氣體泄漏擴散模型有7種：①BM模型；②SLM模型；③Sutton模型；④Gaussian模型；⑤UDM模型；⑥CFD模型；⑦FEM3模型，每種模型都有相應的適用條件和優(yōu)缺點，具體情況見表1[3-5]。在上述幾種模型中，由于Gaussian模型具有操作簡單、計算量較小、實用性強等特點，被廣泛應用于氣體擴散領域。

表1 不同氣體泄漏擴散模型對比

Gaussian模型主要有2種：①Gaussian煙團模型；②Gaussian煙羽模型。前者適用于大規(guī)模短時間泄漏的氣體模擬，后者適用于大規(guī)模長時間泄漏氣體模擬。由于很多有毒氣體都是輕氣及中性氣體，而且氣體泄漏時間較長，因此本文選用Gaussian煙羽模型進行介紹和分析。

由于Gaussian煙羽模型是在很多假設的基礎上推導出來的，具有一定的局限性，通常適用于以下5種情況：

（1）模擬單一氣體泄漏的擴散情況。

（2）氣體泄漏速度比較穩(wěn)定，風速恒定，湍流均勻。

（3）氣體泄漏之后的化學轉化過程以及沉降過程可以忽略不計。

（4）環(huán)境風速應該大于或等于1m/s。

（5）與泄漏源的距離應該約束在3000米范圍之內（如果地形比較平坦，距離應該更短一些）。

在實際應用Gaussian煙羽模型進行氣體泄漏擴散模擬的過程中，最關鍵的一點就是計算擴散系數(shù)，而擴散系數(shù)與大氣穩(wěn)定度關系密切。根據(jù)天氣情況以及泄漏點的地形條件等因素，可以將大氣穩(wěn)定度分為A、B、C、D、E、F等6個級別，其對應的擴散系數(shù)，如表2所示[2,6]。

表2 不同大氣穩(wěn)定條件下的擴散系數(shù)方程

2 液化氣體泄漏擴散影響區(qū)域劃分

一般情況下，當壓力容器和管道等設施中發(fā)生液化氣體泄漏時，在其泄漏點的下風向周圍將會形成一定范圍的影響區(qū)域。如果氣體中含有H2S、Cl2、NH3等有毒氣體，則擴散之后可以劃分4個影響區(qū)域：①安全區(qū)域；②吸入反應區(qū)域；③致傷區(qū)域；④致死區(qū)域，如圖1所示。這些區(qū)域的臨界濃度可以分為3個：①輕傷濃度；②重傷濃度；③致死濃度。

圖1 液化氣體泄漏擴散危險區(qū)域劃分示意圖

3 含硫天然氣泄漏擴散模擬

如果氣井生產(chǎn)的天然氣中含有一定量的H2S，需要通過集輸站處理，達到相應的標準之后，才能夠輸入管網(wǎng)之中，然后輸送給客戶使用。H2S是一種酸性氣體，腐蝕性比較強，長時間生產(chǎn)之后，會對管道和壓力容器造成一定的破壞，容易引發(fā)泄漏事故。另外，H2S是一種劇毒性氣體，一旦含硫天然氣發(fā)生泄漏，容易引發(fā)中毒、火災甚至爆炸等事故，不但會對企業(yè)造成不可估量的經(jīng)濟損失，而且可能危及工作人員以及周圍居民的生命安全。

圖2 H2S泄漏擴散濃度分布圖

圖3 H2S泄漏擴散危險區(qū)域劃分圖

4 結論

（1）高斯煙羽模型可以有效地模擬液化氣體泄漏的情況，根據(jù)模擬的結果可以準確劃分泄漏擴散的危險區(qū)域，進而為應急事故救援及危害評估提供一定科學依據(jù)，從而盡可能地減少人員傷亡和經(jīng)濟損失。

（2）本文僅是采用一種模型進行氣體泄漏擴散模擬，存在一定的局限性，而且考慮的影響因素較少，沒有進行深入地研究，在未來的研究中，應該采用多種模型進行對比分析，找到最合適的模型。

（3）高斯煙羽模型比較簡單，只是考慮壓力容器以及管道等暴露在空氣中的情況，并不能模擬埋藏在土壤中的容器或管道氣體泄漏的情況，因此在今后的研究中，應該加強這方面的研究，并建立適用于液化氣體土壤中的泄漏擴散模型。