摘要：建立并简化了燃气在室内泄漏后形成的浓度模型，分析了房间内泄漏燃气的浓度与泄漏时间、泄漏强度、换气次数和房间体积的关系。指出在燃气发生泄漏事故采取措施降低浓度时，应注意整个空间及局部区域的燃气浓度分布。
关键词：燃气泄漏；浓度模型；室内管道
Model and Analysis of Indoor Gas Leakage Mass Concentration
YU Chang，TIAN Guan-san
Abstract：The concentration model of indoor leakage gas is established and simplified.The relations of indoor leakage gas concentration to leakage time，leakage intensity，rate of ventilation and room volume are analyzed.It is pointed out that the concentration distribution of leakage gas in entire space and partial area should be paid attention when measures are adopted for gas leakage accidents to reduce the concentration.
Key words：gas leakage；concentration model；indoor pipe
室内燃气管道系统因腐蚀穿孔、接口及阀门密封材料老化、安装质量不良等原因而造成燃气泄漏。当燃气在泄漏空间与环境空气混合后浓度达到爆炸极限范围，就会形成燃烧爆炸区域，遇到点火源时就会引起着火，甚至爆炸。
本文从安全技术角度，分析燃气泄漏后在周围环境中形成的浓度变化规律，从而能够有针对性地去预防、抑制、消除泄漏气体导致的爆炸事故。
1 室内燃气泄漏后燃气浓度模型[1、2]
当室内管道系统的燃气发生泄漏后，燃气以高速喷射到环境中，并带动周围空气随其流动。通过分子扩散以及室内通风的混合作用，燃气由高浓度区向低浓度区扩散并迅速与周围空气进一步混合形成均匀混合的气体[3]。
1.1 浓度模型的建立
燃气在室内泄漏时，其泄漏源可分为瞬时源和连续源两种[4]。在有限空间爆炸而能够形成具有一定半径及高度的云团的泄漏源为瞬时源。瞬时源具有泄放时间短、泄放速率快的特点。例如，室内液化石油气钢瓶破裂或接口脱落、燃气管道断裂等原因造成的突然大量气体泄漏属于瞬时源；由于容器或管道系统腐蚀穿孔、接口及阀门密封材料老化等原因而产生气体泄漏的泄漏源为连续源，其特点是泄漏时间长，并且较稳定。
为了简化计算泄漏的燃气量。认为当室内管遭系统发生泄漏时管道内的压力受泄漏状态的影响较小而忽略不计，泄漏源为定常态连续源，即泄漏强度是与泄漏时间无关的稳定量。燃气泄漏到室内环境中的质量可由下式确定：
m=qmt (1)
式中m——燃气泄漏量，kg
qm——燃气泄漏强度，kg/s
t——泄漏时间，s
为了建立燃气泄漏后形成的浓度模型，作以下假设：泄漏的燃气和室内空气的混合过程瞬间完成，认为泄漏到室内的燃气浓度呈均匀分布；室内存在不同程度的自然通风，认为通风为等温过程；室外空气及开始泄漏之前室内空气中燃气含量均为零。
根据以上假设，则在微小的时间间隔dt内，燃气泄漏到室内的质量与从室内排出的质量之差应该等于整个房间内燃气质量的变化量，即：
qmdt-ρqvdt=VFdρ (2)
ρt=0=0 (3)
式中ρ——燃气的质量浓度，kg/m3
qv——单位时间通风量，m3/s
VF——房间容积，m3
将式(2)变形为微分形式并运用初始条件式(3)对其积分可得下式：
对式(4)进行交换，可得到任意时刻室内燃气质量浓度计算公式：
1.2 浓度模型的简化
当式(6)成立时，可对非线性函数式(4)进行简化。将等式右侧用幂级数展开并忽略高阶无穷小项，近似取展开式前两项进行，则式(4)可简化为用于确定单位时间通风量的计算式(7)。
当泄漏时间t趋近无穷大时，有式(8)成立。此时，可近似认为室内燃气浓度已趋于稳定，则式(5)可简化为式(9)。
实际工程中，一般习惯用房间换气次数来表示单位时间的通风量，房间换气次数按下式确定：
式中n——房间换气次数，次/h
引入房间换气次数后，式(5)、(7)和(9)可分别改写为如下形式：
2 燃气泄漏浓度模拟计算与分析
本文对3中常用的城市燃气(焦炉煤气、天然气、气态液化石油气)泄漏后在室内环境形成的质量浓度与泄漏时间、泄漏强度、换气次数，房间容积的关系进行了模拟分析。所选用的3中燃气的组成见表1。通过计算，确定上述3种城市燃气的质量爆炸下限[5]：焦炉煤气为21.95g/m3，天然气为37.87g/m3，LPG为41.79g/m3。
表1 焦炉煤气、天然气与液化石油气的组成
%
燃气名称 | 体积分数/% |
H2 | C0 | CH4 | C2H6 | C3H6 | C3H8 | C4H8 | C4H10 | C5+ | N2 | 02 | C02 |
焦炉煤气 | 59.O | 8.6 | 23.6 | 0.0 | 2.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 1.2 | 3.6 | 2.0 |
天然气 | 0.0 | 0.0 | 96.5 | 0.2 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 1.7 | 0.0 | 1.0 | 0.0 | O.6 |
LPG | O.0 | 0.0 | 1.5 | 1.0 | 9.0 | 4.5 | 54.0 | 26.2 | 3.8 | 0.O | 0.0 | 0.O |
在模拟计算时，作如下没定条件：燃气通过室内管道系统穿孔泄漏且泄漏强度为常量；燃气泄漏后与房间内空气的混合过程瞬间完成，忽略泄漏源位置对房间燃气浓度分布的影响，因此计算的浓度为与空间位置无关的整个房间的均一浓度；泄漏房间可通过门窗改变通风量且不考虑门窗位置，认为通风对室内燃气浓度的稀释是均匀的；对于房间容积的选取，由于目前我国城镇居民住宅厨房的面积差异较大，根据建设部2006年发布的《住宅整体厨房》标准，对于未来新建住宅厨房的使用面积不应小于4m2，本文计算时取厨房使用面积为2～17m2，按国标规定居民建筑的净层高不小于2.6m，因此厨房的容积为5～45m3。
① 燃气质量浓度与泄漏时间的关系
燃气泄漏到室内环境后，随着时间的推移，燃气浓度随之发生变化。为了分析泄漏房间内燃气质量浓度与泄漏时间的关系，计算时考虑居民住宅厨房大小，选取房间体积为15m3，泄漏强度为1.0g/s，通过改变换气次数进行模拟，结果见图1。可以看出，在泄漏强度一定的条件下，燃气浓度受通风的影响较大，且换气次数越大影响越明显。当换气次数大于5.0次/h、泄漏时间大于1500s时，室内燃气的质量浓度基本趋于稳定。而当换气次数较小时，在泄漏时间内通风对泄漏燃气浓度的稀释作用较弱。
炼油装置中管道硫化氢腐蚀及防护
长输燃气管道的安全保护距离
