摘要：对不同气源，采用两种模型计算了地下燃气管道事故泄漏扩散范围，作为采取应急措施的参考依据。
关键词：城镇燃气管道；泄漏；扩散
Diffusion Analysis of Leaked Gas during Accident of
Underground Gas Pipeline
SUN An-na1，DUAN Chang-gui2，ZHOU Wei3，AN Yue-hong5
(1．Planning and Construction Design Institute，Daqing High-tech Industrial Development Zone，Daqing 163316，China；2．Haerbin Institute of Technology，Haerbin 150090，China；3．Shenzhen Gas Group Co．，Ltd．，Shenzhen 518002，China)
Abstract：The diffusion range of leaked gas for different gas sources during accident of underground gas pipeline is calculated with two kinds of models，and it can be used as reference basis for adopting emergency measures．
Key words：city gas pipeline；leakage；diffusion
城市中燃气泄漏扩散过程多种多样，比如地上泄漏过程要涉及泄漏位置、建筑物密集程度，地下泄漏过程要涉及土壤空隙率、含水率，是否遇到地下密闭空间等等。本文选取燃气地下管网第三方影响事故作为研究对象，从事故发生后应急救援的角度，针对天然气和液化石油气分两种模型计算事故发生后燃气在大气中的扩散范围。
1 燃气扩散的特点
目前我国城镇民用管道燃气主要有液化石油气、天然气和人工煤气3种，其中后两者气态密度为O.4—0.8kg/m3，小于空气，为浮性气体，泄漏后为浮性气体被动扩散；液化石油气的气态密度为1.9—2.5kg/m3，比空气重，泄漏后属于重气扩散。
浮性气体的密度比空气小，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；重气由于自身的密度大于空气，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。两种扩散模式应区别对待，天然气、人工煤气适用于高斯扩散模型，而液化石油气泄漏属于重气扩散，这里选用Manju Mohan等发展的箱模型。
2 影响泄漏扩散范围的主要因素
燃气的大气扩散过程与管道的压力、泄漏面积、地面风速、所在城市的大气稳定度、风向等主要参数有关[1]：
①管道的泄漏压力越高、面积越大，则泄漏源强越强，泄漏气体扩散范围越大。
②大气稳定度是指空气的稳定程度，污染气象学中将空气的稳定程度分成强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性稳定、较稳定和稳定6级，分别用A、B、C、D、E、F表示。它表征湍流活动的强弱，支配大气对泄漏气体的稀释扩散能力，大气稳定度越高稀释能力越弱，越不利于气体的扩散。
③风向决定泄漏气体的扩散方向，风速决定泄漏气体扩散速度。风速较高时，大气夹带泄漏气体的能力强(稀释泄漏气体能力强)，下风向上泄漏气体扩散浓度小，此时泄漏气体扩散的范围就也会相应较风速低的情况小。因此风速高时，泄漏气体扩散速度快，但是扩散范围小。
④建筑物较密集和丘陵山区等地面粗糙度大的地区泄漏气体的扩散也会受到抑制。本文暂不考虑这一点的影响。
3 问题条件的设定
选取一个城市中燃气地下管道被第三方破坏，管道被挖断后时间较长未切断气源，暴露于地上，对泄漏后扩散情况进行计算，初始条件按常见情况设定。设环境温度为25℃，地面平均风速为2m/s，大气稳定度为D级(中性稳定)，管径为60mm。管道内气源设为两种：
①管道内天然气压力为0.3MPa，天然气成分为：CH4、C2H6、C3H8的体积比为91.50：4.74：2.59；
②液化石油气管道压力为0.07MPa，液化石油气成分为：C3H8、C4H10的体积比为4：6。
经计算两种气源的物性参数见表1。
表1 天然气与液化石油气物性参数
Tab．1 Physical parameters of natural gas and LPG
项目 | 等熵指数 | 摩尔质量/(kg·kmol-1) | 密度/(kg·m-3) | 爆炸极限/％ |
下限 | 上限 |
天然气 | 1.2842 | 17.2 | 0.7080 | 4.60 | 14.57 |
液化石油气 | 1.1024 | 54.2 | 2.1638 | 1.84 | 8.87 |
4 天然气泄漏扩散计算
4．1 天然气泄漏源强计算[2]
气体从裂口泄漏的源强与其流动状态有关。因此，要首先判断泄漏时气体流动属于声速流动还是亚声速流动，前者称为临界流，后者称为次临界流。
当下式成立时，气体流动属声速流动，否则为亚声速流动：
式中P0——环境压力，Pa
p——管道压力，Pa
κ——气体等熵指数
代入天然气的相关参数，计算得出式(1)成立所以此时天然气泄漏为声速流动。取气体泄漏系数Cd=1，裂口面积A=0.0028m2。气体呈声速流运时，其泄漏源强为：
式中qm——泄漏源强，g/s
Y——气体膨胀因子，气体为声速流动时，取1
Cd——气体泄漏系数，当裂口形状为圆形时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90
A——裂口面积，m2
M——气体摩尔质量，kg/kmol
R——摩尔气体常数，8 314 J/(mol·K)
T——气体温度，K
将相应参数代入式(2)，计算得到天然气泄旆源强qm=1484.12g/s。
4．2 天然气扩散范围计算
天然气、人工煤气可以采用高斯模型。高斯移型主要应用于大气扩散浮性气体或中性气体的扩黄计算，它提出的时间较早，实验数据多，模型简单便于计算，并且计算值与试验值能较好吻合，国际上许多标准都是以高斯模型为标准制订的，是目前较蔓成熟并且应用最多的一种模型[3、4]。对于连续源由于源持续排放，可以认为质量浓度处于定常状态即质量浓度不随时间变化，仅是空间坐标的函数，应按下式计算，其中，模型的坐标系是以下风向为x轴，竖直高度为z轴，与下风向垂直方向为y轴。
式中p(x，y，z)——气体质量浓度，mg/m3
μ——地面平均风速，m/s
σy、σz——y、z方向的扩散参数，查HJ/T
2.2—93《环境影响评价技术导购大气环境》可得
由公式(3)，算出三组离散点，画出质量浓度隘线图。由于高斯模型的连续解沿y方向呈正态分布，当y=0时的扩散距离x值为最大。经计算得出扩散范围见图1、2。
Fig．1 Vertical section of diffusion range of natural gas
Fig.2 Horizontal section of diffusion range of natural gas
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
