高壓天然氣管道泄漏事故噴射火危害分析

王莉莉，王夢(mèng)珠，呂　妍，齊晗兵，李　棟

(1.東北石油大學(xué) 黑龍江省高校防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318;2.大慶石化公司 信息技術(shù)中心，黑龍江 大慶 163318)

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高壓天然氣管道泄漏事故噴射火危害分析

王莉莉1，王夢(mèng)珠1，呂妍2，齊晗兵1，李棟1

(1.東北石油大學(xué) 黑龍江省高校防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318;2.大慶石化公司 信息技術(shù)中心，黑龍江 大慶 163318)

針對(duì)高壓天然氣管道泄漏后產(chǎn)生的噴射火事故，建立氣體泄漏速率模型，計(jì)算分析噴射火危害半徑并對(duì)其進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，管道破裂時(shí)，管道壓力達(dá)到0.7 MPa后，對(duì)氣體泄漏速率影響很小；不同泄漏孔徑下，噴射火的危害半徑隨管道壓力增強(qiáng)而不斷增加；當(dāng)管道破裂孔徑為1.0 m、管道壓力為1.0 MPa時(shí)，噴射火熱輻射對(duì)人員的傷害半徑為152 m。該研究結(jié)果可為天然氣管道泄漏噴射火事故的預(yù)防與應(yīng)急救援提供參考。

天然氣泄漏；噴射火；氣體泄漏速率；熱輻射；危害半徑

能源是人類社會(huì)生存和發(fā)展的必需品，其原料之一天然氣憑借其清潔、高效等優(yōu)點(diǎn)已成為商業(yè)和家用燃料，并被廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中。天然氣中甲烷含量在95%以上，其爆炸極限僅為5%～15%，屬于甲類易燃易爆氣體[1-3]。高壓天然氣管道泄漏時(shí)安全排放、噴射火、火球火災(zāi)和蒸氣云爆炸等事故概率約為0.80、0.10、0.06和0.04[4]。其中，噴射火是最為常見的安全事故[5-7]，其主要危害是通過燃燒釋放熱輻射影響周圍環(huán)境，甚至使周圍物體燃燒變形，以及造成人員傷亡[8-10]。對(duì)高壓天然氣管道泄漏時(shí)噴射火傷害定量分析，可為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)并制定合理應(yīng)急預(yù)案提供重要的指導(dǎo)作用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的噴射火傷害實(shí)驗(yàn)。例如，MISHRA等[11]應(yīng)用CFD建模預(yù)測(cè)由天然氣管道破裂引起的噴射火災(zāi)和池火火災(zāi)熱輻射的影響，結(jié)果表明噴射火災(zāi)有更嚴(yán)重的局部傷害。MERCEDES等[12]在無風(fēng)情況下實(shí)驗(yàn)分析了丙烷噴射火的不同火焰長(zhǎng)度，并給出了熱輻射強(qiáng)度和質(zhì)量流動(dòng)速率、火焰長(zhǎng)度之間的關(guān)系，提出了熱輻射量和火焰長(zhǎng)度之間的函數(shù)關(guān)系。黃有波等[13]采用FDS軟件研究天然氣管道泄漏孔形狀對(duì)噴射火特性的影響，發(fā)現(xiàn)噴射火特性和危害范圍明顯受泄漏孔形狀影響，即泄漏孔為正方形時(shí)，高溫和熱輻射影響區(qū)域主要在垂直于管道方向上；泄漏孔為長(zhǎng)方形時(shí)，高溫和熱輻射影響區(qū)域主要在長(zhǎng)邊所在的方向。董炳燕等[14]基于流體力學(xué)基本原理和湍流模型研究障礙物尺寸、障礙物與泄漏孔間距對(duì)噴射火的影響，結(jié)果表明障礙物可有效減緩火焰在速度方向的傳播，障礙物后方受高溫和熱輻射危害較小。上述文獻(xiàn)側(cè)重于利用CFD手段分析天然氣擴(kuò)散過程諸因素對(duì)噴射火傷害影響，其結(jié)果可動(dòng)態(tài)演示但計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，這對(duì)事故中要求快速制定應(yīng)急預(yù)案非常不利，而目前發(fā)展高壓天然氣管道泄漏時(shí)噴射火傷害理論的解析解是進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和預(yù)案制定的重要手段之一。

針對(duì)高壓天然氣管道泄漏產(chǎn)生的噴射火事故，建立了氣體泄漏速率模型，給出了計(jì)算天然氣泄漏噴射火危害范圍理論解析解，分析了管道泄漏壓力和泄漏孔徑對(duì)噴射火危害范圍影響。

1　計(jì)算模型

1.1氣體泄漏速率的計(jì)算

假定高壓天然氣在保溫管道中流動(dòng)是非等溫絕熱過程，發(fā)生泄漏時(shí)忽略管道壓力影響，其能量守恒方程[15]可簡(jiǎn)化為：

(1)

氣體狀態(tài)方程為：

(2)

式中：P為氣體壓力；ρ為氣體密度；T為氣體溫度；R為氣體常數(shù)；Z為氣體壓縮因子；M為氣體摩爾質(zhì)量。

天然氣氣體滿足等熵膨脹過程[16]，則有：

(3)

(4)

由式(1)～式(4)可得：

(5)

式中：u為天然氣泄漏速度；下標(biāo)0表示初始條件； γ為氣體比熱比，取1.27。

天然氣通過泄漏孔的質(zhì)量流動(dòng)速率(氣體泄漏速率)可以表示為：

(6)

天然氣泄漏速率與其流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，可能是音速流或者亞音速流，取決于臨界壓力比(CPR)。對(duì)式(6)求微分，取值為0則可得：

(7)

其中，Pc為環(huán)境壓力。

當(dāng)CPR≤1時(shí)，氣體流動(dòng)屬于音速流，泄漏初始時(shí)刻的最大泄漏速率[17-18]為：

(8)

當(dāng)CPR>1時(shí)，氣體流動(dòng)屬于亞音速流，泄漏初始時(shí)刻的最大泄漏速率為:

(9)

(10)

1.2噴射火危害半徑計(jì)算

假定天然氣從泄漏孔噴射出來，噴射氣團(tuán)會(huì)隨著泄漏速度、天然氣和空氣的熱性能上升。遇到最小點(diǎn)火能量(MIE)，天然氣可能被點(diǎn)燃著火，火焰會(huì)以羽流的形式上升，熱輻射會(huì)增加周圍的溫度，其熱輻射強(qiáng)度可通過燃燒熱和天然氣泄漏速率進(jìn)行計(jì)算。熱輻射通量I[19]和噴射火危害半徑rf分別為：

(11)

(12)

式中：η為輻射率；ΔHC為天然氣燃燒熱；τa為大氣透射率；r為噴射火到給定位置的噴射距離；常數(shù)C1=0.548、C2=4.113×10-3、C3=0.57。

2　模擬結(jié)果和分析

模擬天然氣管道直徑d=1 000 mm，考慮管道新、舊影響(在使用時(shí)間的基礎(chǔ)上進(jìn)行定義，舊管道使用時(shí)間大于10年；新管道使用時(shí)間小于10年)。管道泄漏點(diǎn)距天然氣輸送站點(diǎn)3 000 m，其泄漏點(diǎn)分為小孔泄漏和管道破裂兩種，其中小孔泄漏：0.005 m≤d0≤0.020 m；管道破裂：0.66 m≤d0≤1.00 m。管道工作溫度為293.00 K，環(huán)境溫度為298.15 K，管道內(nèi)氣體輸送速度為20 m/s，甲烷密度為0.667 kg/m3，比熱比為1.27，燃燒熱為50 000 kJ/kg，摩爾質(zhì)量為16.043 g/mol。小孔泄漏時(shí)泄漏孔直徑為0.005 m、0.010 m和0.020 m，管道破裂的直徑為0.66 m、0.80 m和1.00 m。

圖1　新、舊管道氣體有效泄漏速率

新、舊兩種管道在小孔泄漏和管道破裂兩種情況下，天然氣管道的有效泄漏速率如圖1所示。由圖1(a)可以看出，管道壓力從0.1 MPa增大到1.0 MPa，新、舊管道發(fā)生泄漏時(shí)，其天然氣有效泄漏速率差別很?。浑S著管道壓力增大，其有效泄漏速率增加，在輸送壓力為1.0 MPa時(shí)，其有效泄漏速率比0.1 MPa時(shí)增加了3.16倍。由圖1(b)可以看出，在0.5 MPa和0.7 MPa輸送壓力下氣體有效泄漏速率比0.1 MPa時(shí)分別增加了7.07倍和10倍，而當(dāng)管道輸送壓力超過0.7 MPa時(shí)，繼續(xù)增加壓力其有效泄漏速率變化很小，從而說明案例管道壓力達(dá)到0.7 MPa后，繼續(xù)增加管道壓力且低于1.0 MPa時(shí)，其對(duì)氣體泄漏速率的影響很弱。

圖2所示為小孔泄漏和管道破裂兩種情況下噴射火的危害半徑。由圖2(a)可以看出，隨著管道內(nèi)天然氣壓力的增大，3種泄漏孔徑下的危害半徑逐漸增加并呈一定的線性關(guān)系，而且泄漏孔徑越大其危害半徑增加趨勢(shì)越明顯。3種泄漏孔徑在0.5 MPa和1.0 MPa的高輸送壓力下的危害半徑比0.1 MPa時(shí)分別增大5倍和10倍。同一輸送壓力下泄漏孔徑為0.010 m和0.020 m時(shí)的危害半徑比0.005 m時(shí)分別增大2倍和4倍。由圖2(b)可以看出，隨著管道內(nèi)天然氣壓力的增大，當(dāng)泄漏孔徑為0.80 m和1.00 m時(shí)其危害半徑變化趨勢(shì)很接近，兩種均陡于泄漏孔徑為0.66 m時(shí)的情況。3種泄漏孔徑在0.5 MPa和1.0 MPa的高輸送壓力下，危害半徑比0.1 MPa時(shí)分別增大5倍和10倍。同一輸送壓力下，泄漏孔徑為0.8 m和1.0 m時(shí)，危害半徑比0.66 m時(shí)分別增大1.4倍和1.5倍。

圖2　噴射火危害半徑

針對(duì)小孔泄漏和管道破裂的不同泄漏直徑，由式(11)計(jì)算可得不同壓力下噴射火危害半徑，如圖3所示。其中，火焰熱輻射作用下，人員傷害和設(shè)備破壞的臨界熱輻射通量如表1所示[20]。

圖3　不同壓力下噴射火危害半徑

由圖3可知，在相同的熱輻射通量下，隨著管道壓力的增大，噴射火危害半徑增大。同時(shí)，當(dāng)噴射火對(duì)周邊建筑物損傷的最小熱輻射通量滿足4.0 kW/m2時(shí)，在0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa和1.0 MPa壓力下，噴射火對(duì)周邊建筑物的損傷半徑分別為53 m、70 m、80 m、87 m和95 m。當(dāng)噴射火對(duì)人員的最小熱輻射通量滿足1.6 kW/m2時(shí)，在0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa和1.0 MPa壓力下，噴射火對(duì)人員的傷害半徑分別為85 m、112 m、127 m、138 m和152 m。

表1　穩(wěn)態(tài)火災(zāi)熱輻射作用下人員傷害和設(shè)備破壞的熱輻射通量準(zhǔn)則

3　結(jié)論

筆者通過建立高壓天然氣管道泄漏時(shí)氣體泄漏速率模型，對(duì)噴射火事故和熱輻射進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)其危害進(jìn)行定量分析，得出如下結(jié)論：

(1)小孔泄漏時(shí)，在0.1～1.0 MPa管道壓力下，新、舊管道的氣體有效泄漏速率基本一致。管道破裂時(shí)，隨著管道壓力的增大，氣體泄漏速率增加較大，且新管道的氣體泄漏速率稍高于舊管道，但在管道壓力為0.7～1.0 MPa時(shí)，壓力變化對(duì)氣體泄漏速率影響很小。

(2)泄漏孔徑對(duì)噴射火危害半徑影響較大。小孔泄漏時(shí)，隨著管道輸送壓力的增大，3種泄漏孔徑下的噴射火危害半徑均呈線性關(guān)系；管道破裂時(shí)，3種泄漏孔徑下噴射火的危害半徑隨著管道輸送壓力的增大，增長(zhǎng)趨勢(shì)較快。

(3)在管道破裂孔徑為1.0 m，管道壓力為1.0 MPa時(shí)，噴射火熱輻射對(duì)周邊建筑物的損傷半徑為95 m，對(duì)人員的傷害半徑為152 m。

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Hazard Analysis of Jet Fire in High-pressure Natural Gas Pipeline Leakage

WANG Lili, WANG Mengzhu, LV Yan, QI Hanbing, LI Dong

According to jet fire accident caused by leakage of high-pressure natural gas pipeline, the gas release rate model was established, the hazardous radius of jet fire was quantitative evaluated and analyzed.The results show that when the ruptured pipeline pressure is beyond 0.7 MPa, pipeline pressure has a little effect on gas release rate.With pipeline pressure increasing, hazard radius of jet fire increase under different leakage apertures.When rupture aperture of pipeline is 1.0m and pipeline pressure is 1.0MPa, hazard radius of thermal radiation on humans harm is152 m.The conclusion of this study provides a reference for prevention and emergency of jet fire accidents.

natural gas leakage; jet fire; gas release rate; thermal radiation; hazardous radius

WANG Lili:Assoc.Prof.; Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation and Protection Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China.

2095-3852(2016)04-0410-05

A

2016-05-02.

王莉莉(1975-)，女，黑龍江拜泉人，東北石油大學(xué)黑龍江省高校防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授.

中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2015D-5006-0605)；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M560246).

X932; TE88

10.3963/j.issn.2095-3852.2016.04.004