站場(chǎng)天然氣放空擴(kuò)散模擬程序設(shè)計(jì)

付昶宇 楊洋

1. 西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 四川 成都 610500

2. 西南石油大學(xué)空間信息技術(shù)與大數(shù)據(jù)挖掘研究所 四川 成都 610500

站場(chǎng)放空是指在天然氣管道或者儲(chǔ)罐在運(yùn)行過程中或進(jìn)行維修、更換時(shí)，需要將內(nèi)部的天然氣排放到大氣中的操作。站場(chǎng)放空會(huì)造成大量的能源損失和環(huán)境污染，利用高斯煙羽模型或者其他數(shù)值模擬方法，可以預(yù)測(cè)站場(chǎng)放空時(shí)天然氣擴(kuò)散的范圍和影響程度，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果制定合理的安全措施和應(yīng)急方案。天然氣擴(kuò)散是指天然氣在大氣中的運(yùn)動(dòng)和分布過程，是一種重要的環(huán)境問題。為了研究天然氣擴(kuò)散的規(guī)律和影響因素，需要建立合適的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法。高斯煙羽模型是一種經(jīng)典而有效的大氣擴(kuò)散模型，可以計(jì)算出下風(fēng)向任一點(diǎn)的擴(kuò)散濃度，在國(guó)內(nèi)外有著廣泛的應(yīng)用和深入的研究[1]。

1 基于高斯煙羽模型的天然氣擴(kuò)散

1.1 高斯煙羽模型

高斯煙羽模型是一種常用于描述天然氣或其他氣體在大氣中的擴(kuò)散和傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型。這個(gè)模型的基本原理涵蓋了污染物擴(kuò)散和濃度分布，其核心思想是天然氣的濃度分布呈現(xiàn)出高斯（正態(tài)）分布，類似于煙羽形狀，因此被稱為高斯煙羽模型[2]。

高斯煙羽模型基于以下幾個(gè)關(guān)鍵假設(shè)：①污染源：模型首先需要確定天然氣泄漏的源頭和釋放速率。這可以是天然氣井口、管道破裂、儲(chǔ)氣罐泄漏等。②氣象條件：大氣中的氣象條件對(duì)天然氣擴(kuò)散至關(guān)重要。風(fēng)速、風(fēng)向、大氣穩(wěn)定性等因素會(huì)影響天然氣的傳輸路徑和速度。③高斯分布：高斯煙羽模型假設(shè)天然氣在水平和垂直方向上的濃度分布都近似地遵循高斯分布。這個(gè)分布呈現(xiàn)出鐘形曲線，最高濃度位于源頭附近，然后逐漸減小，符合統(tǒng)計(jì)學(xué)中的正態(tài)分布。④擴(kuò)散系數(shù)：擴(kuò)散系數(shù)是模型中的一個(gè)重要參數(shù)，用于描述天然氣的擴(kuò)散速度和方式。它受大氣條件和天然氣性質(zhì)的影響，通常需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行估算或測(cè)量。⑤時(shí)間變化：模型還考慮了時(shí)間變化，以模擬不同時(shí)間點(diǎn)的天然氣濃度分布。這對(duì)應(yīng)于源頭釋放速率隨時(shí)間的變化[3]。

基于以上假設(shè)，可以得到高斯煙羽公式，用于計(jì)算煙氣擴(kuò)散濃度。該公式包含源強(qiáng)、風(fēng)速、有效源高、擴(kuò)散參數(shù)等因素[4]。高斯煙羽模式存在局限性，例如，在復(fù)雜地形或極端氣象條件下，該模式不適用或需要進(jìn)行修正。

式中：Q為泄漏速率，mg/s；μ為泄漏時(shí)環(huán)境的平均風(fēng)速，m/s；H為泄漏源有效高度，m；σy、σz分別為側(cè)風(fēng)向、垂直風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù)；x、y、z分別為下風(fēng)向距離、側(cè)風(fēng)向距離、垂直風(fēng)向距離，m；C為空間任意一點(diǎn)（x，y，z）在t時(shí)刻空氣中有毒物質(zhì)的質(zhì)量濃度，mg/m3。

1.2 排放源有效高度

排放煙氣在湍流作用下進(jìn)行擴(kuò)散，煙氣上升的那段高度即為煙云抬升高度。煙云抬升高度是影響大氣污染物擴(kuò)散的重要因素之一，因此計(jì)算和預(yù)測(cè)煙云抬升高度對(duì)于環(huán)境影響評(píng)價(jià)和污染控制具有重要意義[5]。

許多因素影響煙云抬升高度，主要包括排放源的形式、環(huán)境風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度等[8]。排放氣體的性質(zhì)主要指溫度、密度、速度、流量等參數(shù)，它們決定了排放氣體的初始動(dòng)力和浮力。一般來說，溫度越高、密度越小、速度越大、流量越大，排放氣體的動(dòng)力和浮力越強(qiáng)，煙云抬升越高。排放源的形式主要指煙囪或噴口的高度、直徑、方向等特征，它們影響了排放氣體與周圍空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。一般來說，煙囪或噴口越高、越細(xì)、越垂直于地面，排放氣體與空氣的相對(duì)速度越大，煙云抬升越高。環(huán)境風(fēng)速是指煙囪口或噴口處的平均風(fēng)速，它影響了排放氣體與空氣的混合程度。一般來說，風(fēng)速越小，排放氣體與空氣混合越慢，煙云抬升越高[6，7]。大氣穩(wěn)定度是指大氣層結(jié)對(duì)于擾動(dòng)的恢復(fù)能力，它影響了大氣中湍流強(qiáng)度和垂直溫度梯度。一般來說，大氣穩(wěn)定度越小，湍流強(qiáng)度越大，垂直溫度梯度越小，煙云抬升越低。

由于煙云抬升過程涉及復(fù)雜的流體力學(xué)和傳熱學(xué)問題，目前還沒有一個(gè)普遍適用的理論模型來精確地描述和預(yù)測(cè)煙云抬升高度。上個(gè)世紀(jì)威爾森根據(jù)管道破裂泄漏實(shí)驗(yàn)得到經(jīng)驗(yàn)公式。泄漏場(chǎng)景經(jīng)驗(yàn)公式同樣適用于放空計(jì)算。有效源高為排放源實(shí)際幾何高度與煙氣抬升高度相加。有效源高H可由式（2）求得：

式中：Vs是氣云釋放速度，m/s；d是放空管道出口直徑，m；V為風(fēng)速，m/s。

1.3 擴(kuò)散系數(shù)的選取

擴(kuò)散系數(shù)σx、σy、σz的大小受離地高度、地面粗糙度、排放時(shí)間等許多因素影響。通常，大氣穩(wěn)定度與擴(kuò)散系數(shù)呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，不同大氣穩(wěn)定度下的擴(kuò)散系數(shù)如表1所示：

表1 擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算公式

1.4 濃度范圍劃分

可燃?xì)庠剖侵赣捎谔烊粴馀c空氣混合后，在一定體積內(nèi)形成的可燃性混合物?？扇?xì)庠频男纬墒艿蕉喾N因素的影響，如天然氣的物理化學(xué)性質(zhì)、放空參數(shù)、環(huán)境條件、地形地貌等?？扇?xì)庠频奈ｋU(xiǎn)性主要取決于其濃度是否在爆炸極限范圍內(nèi)，以及是否存在足夠強(qiáng)度和能量的點(diǎn)火源[6-8]。

爆炸極限是指可燃性混合物能夠發(fā)生爆炸反應(yīng)的最低濃度和最高濃度。對(duì)于天然氣來說，其爆炸極限范圍約為4.5%～16.5%（體積分?jǐn)?shù)）。如果可燃?xì)庠茲舛鹊陀?.5%，則混合物過稀無法點(diǎn)燃；如果高于16.5%，則混合物過濃缺乏足夠的氧氣支持燃燒。只有當(dāng)可燃?xì)庠茲舛仍诒O限范圍內(nèi)，并且遇到火花、明火、靜電、機(jī)械摩擦等點(diǎn)火源時(shí)，才可能引發(fā)火災(zāi)或爆炸事故?；馂?zāi)或爆炸事故會(huì)導(dǎo)致高溫高壓波、毒性煙霧、碎片飛濺等次生災(zāi)害，對(duì)人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失造成巨大影響。

2 基于高斯煙羽模型的擴(kuò)散模擬軟件設(shè)計(jì)

基于高斯煙羽模型的擴(kuò)散模擬C#軟件設(shè)計(jì)是一種利用高斯煙羽模式來計(jì)算大氣中污染物濃度分布的軟件。該軟件的設(shè)計(jì)目的是為了方便相關(guān)人員進(jìn)行空氣污染擴(kuò)散模擬和分析，以評(píng)估污染源對(duì)周圍環(huán)境的影響，或者制定合理的污染控制措施。該軟件使用C#語言編寫，基于NET Framework平臺(tái)開發(fā)，采用Windows窗體應(yīng)用程序的形式，界面友好，操作簡(jiǎn)便。該軟件還使用了一些第三方庫進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算、圖形繪制等。

程序包含基本參數(shù)輸入界面，及程序主界面。根據(jù)實(shí)際情況輸入?yún)?shù)，點(diǎn)擊“擴(kuò)散模擬”就可以計(jì)算當(dāng)前工況下的擴(kuò)散結(jié)果見圖1a。點(diǎn)擊“擴(kuò)散范圍表”還可以對(duì)查看各濃度區(qū)間的準(zhǔn)確范圍值見圖1b。

圖1 程序模擬結(jié)果

根據(jù)程序輸出結(jié)果，天然氣放空擴(kuò)散過程受到風(fēng)速、風(fēng)向、排放速率等因素的影響。天然氣放空擴(kuò)散過程中會(huì)形成一定范圍內(nèi)的可燃?xì)怏w云團(tuán)，并隨著時(shí)間推移而變化，通過對(duì)可燃?xì)怏w云團(tuán)進(jìn)行定性和定量分析，可以了解其形狀、大小、位置和濃度等特征。通過對(duì)可燃?xì)怏w云團(tuán)進(jìn)行擴(kuò)散模擬，可以配合相關(guān)部門進(jìn)行有效的疏散和撤離，并對(duì)天然氣生產(chǎn)工程中的放空條件決策、減少火災(zāi)和爆炸事故發(fā)生概率起到至關(guān)重要作用。

3 結(jié)束語

通過擴(kuò)散模擬，可以配合相關(guān)部門進(jìn)行有效的疏散和撤離，對(duì)天然氣生產(chǎn)工程中的放空條件決策、減少火災(zāi)和爆炸的可能性起到至關(guān)重要的作用。擴(kuò)散模擬可以為相關(guān)部門提供科學(xué)依據(jù)和參考數(shù)據(jù)，如確定安全距離、警戒區(qū)域、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等，并及時(shí)通知周邊人員和單位做好防護(hù)措施。擴(kuò)散模擬還可為相關(guān)部門提供有效指導(dǎo)和建議，如選擇最佳放空時(shí)間段、最佳放空方向等，并調(diào)整設(shè)備參數(shù)和操作方式以減少放空量和時(shí)間。擴(kuò)散模擬還可以為相關(guān)部門提供緊急支持和協(xié)助，如在發(fā)生非計(jì)劃性放空時(shí)及時(shí)預(yù)測(cè)擴(kuò)散情況，并組織有序有效地疏散和撤離受影響人員，并盡快消除點(diǎn)火源并控制排放源。總之，在天然氣生產(chǎn)工程中，對(duì)天然氣放空進(jìn)行分析和處理是保障安全生產(chǎn)和社會(huì)穩(wěn)定的重要手段。通過程序測(cè)試進(jìn)行擴(kuò)散模擬可以為相關(guān)部門提供有力支持，并減少可能發(fā)生的火災(zāi)或爆炸事故。