06 第二章 燃气的泄漏与扩散 2-2 泄露燃气的扩散.pptx

第1页：§2.2泄漏燃气的扩散

2.2 泄漏燃气的扩散：在化工、石油、染料以及其他行业中有许多有害物质，包括易燃易爆和毒性气体及液体（如液化石油气、氨、氯及硫化氢等），如果在生产或运输过程中由于操作失误或其他原因致使这些危险性物质泄漏出来，就会对居民和环境造成极大危害。为了预防事故的发生并为事故发生后提供积极补救措施，了解燃气的扩散特点很有必要。

第2页：重气扩散与浮性扩散

目前我国城镇管道燃气有液化石油气、天然气和人工燃气三种：

液化石油气

气态密度在1.9～2.5kg/m³之间，比空气重，泄漏之后属于重气扩散。重气由于自身密度大于空气，泄漏后向地面下沉，会有坍塌现象，并沿地面扩展形成低平气云，到一定距离之后继续被动气体扩散。

天然气与人工燃气

气态密度为0.4～0.8kg/m³，小于空气，为浮性气体，泄漏之后为浮性气体被动扩散。浮性气体密度比空气轻，泄漏以后受到大气夹带进行被动扩散并得到稀释，扩散过程中表现出上升的趋势。

第3页：吉林液化气厂泄漏案例

例（重气扩散）：1997年12月18日下午2时，吉林市液化石油气厂工人用水蒸汽熔化结冰的2号球罐底部排污阀时加热了球罐，使压力上升，致使这一400m³容积的球罐上部焊缝裂开。从裂口喷出的液化石油气沉积在地面，被二三级东南风吹向西北，5分钟后被距该球罐250米远的苗圃内的明火引燃，并将火传播回来，引起该厂大火和爆炸，直到次日凌晨4时才熄灭，伤亡86人。

第4页：上海煤气柜泄漏案例

例（浮性扩散）：比空气轻的燃气则不同，以气比重0.45的管道煤气为例：1978年的一天夜间，上海市西藏路的5.4万m³煤气柜因塔圈水封缺水漏气，几万立方米煤气顷刻间跑光。该煤气柜地处市区、距马路仅3米，下风向几千米范围内都闻到了煤气味，但没有发生着火爆炸或中毒事故。（比如现在居民用的天然气发生泄漏，若有窗户，就易扩散，不易导致中毒和爆炸）

第5页：扩散模型的影响因素

泄漏燃气的扩散模型与泄漏燃气物理性质、泄漏管道系统的周边环境和气候条件有极大的关系。泄漏燃气温度、密度与大气温度、密度的差异及风速和泄漏现场各类障碍物的存在，使泄漏燃气扩散模拟变得十分复杂。

例：若天然气密度较小、风力较强时扩散较快；在顺风方向扩散的距离最远，这个方向的火灾爆炸范围要比其他方向大很多倍。

第6页：闪蒸蒸发速度计算

2.2.1 泄漏液体的蒸发——1 闪蒸：液态燃气（如液化天然气、液化石油气）的沸点通常低于环境温度，当液态燃气从压力容器中泄漏出来时，由于压力突减，液态燃气会突然蒸发，闪蒸的蒸发速度按式（2.7）计算。

式中：F_V——闪蒸率；m——泄漏的液态燃气总量，kg；t——液态燃气的闪蒸时间，s；q_t1——液态燃气的闪蒸速度（即液体闪蒸的质量流量），kg/s。

第7页：热量蒸发速度计算

2 热量蒸发：如果闪蒸不完全，即 F_V<1 时，则发生热量蒸发，热量蒸发时液体的蒸发速度按式（2.8）计算。

式中：A_t——液池面积，m²；T₀——环境温度，K；T_b——液体沸点，K；l——液池的长度，m；α——热扩散率，m²/s；λ——导热系数，J/(m·s·K)；t——蒸发时间，s；Nu——努塞尔数。

第8页：热扩散率与导热系数取值

α和λ的取值：本页为图，给出热扩散率 α 与导热系数 λ 的取值表。源文件未提取到图中数值，建议对照原课件图片补充。

第9页：质量蒸发速度计算

3 质量蒸发：当地面向液体传热减少时，热量蒸发逐渐减弱；当地面传热停止时，由于液体分子的迁移作用使液体蒸发，这种场合液体的质量蒸发速度按式（2.9）计算。

式中：α₁——分子扩散系数，m²/s；Sh——宣乌特（Sherwood）数；A——液池面积，m²；l——液池长度，m；ρ₁——液体的密度，kg/m³；q_l3——质量蒸发速度，kg/s。

由于泄漏液体的物性不同，并非每种液体的蒸发都包含这3种蒸发，有些过热液体通过闪蒸或热量蒸发而完成气化。

第10页：射流扩散模型

2.2.2 射流扩散：燃气从压力管道或压力容器直接泄漏到大气中时，通常会在泄漏源附近形成紊流气体射流，因此燃气在泄漏口附近的浓度、速度分布可用气体射流模型计算。

• 自由射流模型——燃气泄漏到宽敞空间采用；
• 受限射流模型——泄漏到密闭空间采用。

第11页：绝热扩散过程

2.2.3 绝热扩散：闪蒸液体或加压气体瞬时释放时，假定该过程中泄漏物与周围环境之间没有热量交换，则该过程属于绝热扩散过程，泄漏气体（或液体闪蒸形成的蒸汽）呈半球形向外扩散。根据浓度分析情况，把半球分成2层：内层浓度均匀分布，具有50%的泄漏量；外层浓度呈高斯分布，具有另外50%的泄漏量。

绝热扩散过程分为2个阶段：首先气团向外扩散，压力达到大气压力；然后气团与周围空气掺混、范围扩大，当内层扩散速度 dR/dt 低到一定程度时（假设为1m/s），认为扩散过程结束。

第12页：气团半径与浓度变化

随着时间的推移，气团内层半径 R₁ 和浓度 C 的变化有一定规律。

其中：t——扩散时间，s；V₀——标准状态下气体体积，m³；K_d——紊流扩散系数；E——扩散能。

第13页：气体泄漏气团扩散能

(1) 气体泄漏气团的扩散能：E＝c_v(T₁−T₂)−p₀(V₂−V₁)

式中：c_v——气体的定容比热，J/(kg·K)；p₀——环境压力，Pa；T₁——气团初始温度，K；T₂——气团压力降低到大气压时的温度，K；V₁——气团初始体积，m³；V₂——气团压力降低到大气压力时的体积，m³。

第14页：液体闪蒸蒸汽团扩散能

(2) 液体泄漏闪蒸蒸汽团的扩散能：E＝H₁−H₂−(p−p₀)V₁−T_b(s₁−s₂)

式中：H₁——泄漏液体的初始质量焓，J/kg；H₂——泄漏液体的最终质量焓，J/kg；p——初始压力，Pa；p₀——环境压力，Pa；V₁——初始体积，m³；T_b——液体的沸点，K；s₁——液体蒸发前的质量熵，J/(kg·K)；s₂——液体蒸发后的质量熵，J/(kg·K)。

第15页：高斯烟羽与烟团模型

2.2.4 气团在大气中的扩散：燃气泄漏在泄漏源附近形成气团，气团在大气中的扩散通常采用高斯模型，分为2种：

• 高斯烟羽模型（Gaussian plume mode）——适用于连续泄漏；
• 高斯烟团模型（Gaussian puff mode）——适用于瞬时泄漏。

第16页：高斯模型的假设条件

高斯模型有如下假设：

1. 定常态；
2. 不考虑重力及浮力的作用，不发生化学反应；
3. 扩散气体到达地面完全反射，没有任何吸收；
4. 平均风速不小于1m/s（静风时风速取1m/s）；
5. 坐标系x轴方向与流动方向相同，y方向和z方向（垂直方向）的流动分速度为0；
6. 扩散气体的性质与空气相同；
7. 地面水平。

第17页：高斯烟羽模型计算式

(1) 高斯烟羽模型的密度分布计算式

式中：C(x,y,z,H)——扩散气体在点(x,y,z)处的密度，kg/m³；q_m——泄放质量流量，kg/s；H——有效源高，即泄漏源在内压作用下达到的射流高度，m；ū——平均风速，m/s；σ_y、σ_z——y、z方向的扩散系数（高斯分布的标准差），m。

适应范围：泄漏气体相对密度小于及接近1的连续泄漏。

第18页：高斯烟团模型计算式

(2) 高斯烟团模型的密度分布计算式

式中：C——扩散气团在点(x,y,z)和在时间t时的密度，kg/m³；Q——瞬时泄放的燃气质量，kg；σ_x——x方向扩散参数，m。

第19页：扩散参数的确定

扩散参数的确定：扩散参数与大气稳定度、风速、太阳辐射等级和地表有效粗糙度Z₀等因素有关，可实测或由经验公式确定。我国的环境影响评价技术导则中推荐：当使用常规气象资料时，大气稳定度等级可采用修订的帕斯奎尔（Pasquill）稳定度分级法（简记P.S），分为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定六级，分别表示为A、B、C、D、E、F。确定等级时，首先由云量与太阳高度角（日高角）查出太阳辐射等级数，再由太阳辐射等级数与地面风速确定稳定度等级。

第20页：日高角的定义

日高角：太阳高度角（或日高角）是指当时当地太阳实际照射到水平面上的角度。在当地真太阳时正午12点日高角h_θ、太阳倾角δ（赤纬角）和当地纬度角φ之间存在相互关系。

第21页：日高角几何关系页

本页源文件仅提取到页码标识，页面主体为日高角几何关系图，位于「日高角定义」与「日高角计算式」两节之间，建议对照原课件图片补充。

第22页：日高角的计算式

由天球的球面三角形关系，任一时刻日高角 h_θ 的计算式为：

Sinh_θ＝Sinφ·Sinδ＋Cosφ·Cosδ·Cosω

其中：Sinh_θ＝Cosα＝Cos(φ−δ)。由于太阳到地球的距离远远大于地球半径，因此 α≈φ−δ（当地纬度角−太阳倾角）；ω——时角。

第23页：太阳辐射等级表

由日高角和云量求辐射等级：云量观测包括总云量、低云量，总云量是指观测时天空被所有的云遮蔽的总成数，低云量是指天空被低云族的云所遮蔽的成数，均记整数。

说明：原文数值连续粘连，本表按日高角区间与云量区间对应关系还原，建议对照原图核对。

第24页：大气稳定度等级划分表

由辐射等级和地面风速求稳定度：

说明：表头为辐射强度等级，原文数值按等级由高到低连续提取，本表按标准分级法对应还原。

第25页：帕斯奎尔吉福德扩散曲线

扩散参数的确定：帕斯圭尔和吉福德根据常规气象观测资料确定稳定度级别，在大量扩散试验的数据和理论分析的基础上，总结出每一种稳定度级别的扩散参数随距离变化的经验曲线，解决了扩散参数的取值问题。这一经验曲线一般称为帕斯圭尔—吉福德扩散曲线，简称P—G扩散曲线。我国的「环境影响评价技术导则」采用扩散参数的幂函数表达式数据（取样时间0.5h）。

第26页：扩散参数幂函数数据表

扩散参数幂函数表达式数据（取样时间0.5h）：下表给出各稳定度等级的 γ₁、α₁ 与 γ₂、α₂ 取值。

说明：原文该表数值高度粘连，本表按稳定度等级与下风距离分段对应还原；C级γ₂、α₂原文缺失下风距离区间，暂按0～1000m列出，建议对照原图核对。

第27页：重气扩散与箱式模型

2.2.5 重气扩散：对于液化石油气等密度比空气大很多的气体泄漏，在重力作用下，使用高斯模型计算的结果会是泄漏燃气扩散速度快、泄漏源附近的浓度偏小。为了模拟重气扩散，国外研究人员开发了许多重气扩散模型，这里只介绍其中一种：箱式模型。

箱式模型最早由 Van Uden 提出，对于瞬时重气释放，将重气云团当作初始半径为 R₀ 的圆柱形箱，在重力作用下气云下沉、半径增大、高度减少，该过程用方程描述为气云扩散速度。

第28页：箱式模型扩散速度式

2.2.5 重气扩散——箱式模型气云扩散速度式

式中：ρ_a——空气密度；ρ_r——参考密度，可取空气或气云—空气混合气密度；k——常数。

第29页：重气云团空气卷吸

气云下沉的同时卷吸周围的空气，卷吸的空气质量随时间的变化按下式计算。

式中：m_a——卷吸空气的质量；α*——侧面卷吸常数；U_c——顶部卷吸速率。

随着重气扩散的不断进行，气云重力不再是主要影响扩散的因素，而大气紊流扩散占主要，此时便应用高斯模型计算泄漏燃气的扩散。