煤气泄漏扩散的危害区域及其影响因素分析

谢洪岭 程晓 邵旭 赵兴飞

摘 要：近年来我国煤气泄漏事故频发，造成了严重的人员伤亡及经济损失，对此运用煤气连续泄漏模型分析了某化工企业煤气泄漏扩散所造成危害区域，并比较分析了风速与泄孔面积对事故危害的影响，为应急救援部门能够及时采取有效措施组织抢险救援活动提供了一定参考，对于提前做好预防煤气泄漏事故的发生也具有现实意义。

关键词：煤气泄露；危害区域；风速；泄孔面积

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.206

1 引 言

据不完全统计，2016年—2017年我国共发生煤气泄露爆炸事故1611起，造成20196余人受伤，253人死亡，给企业与居民生命财产造成了严重的经济损失，同时也严重影响了企业的安全可持续发展。因此在煤气发生泄漏之前，准确地预测煤气扩散危险区域及风速、泄孔面积对煤气扩散的影响，对减少因煤气爆炸事故造成的人员伤亡与经济损失以及制定相应的预防减灾策略具有重要的意义。

2 煤气连续泄漏模型及其泄漏速率计算

煤气连续泄漏模型是高斯烟羽模型中的一种，其假设如下[1]：所研究泄露气体在水平地面扩散，其各种变量均属于定常态；其密度大小与空气相近且在泄露扩散过程中不发生化学变化；其扩散的性质与空气相同，到达地面时不被吸收切全部反射；在下风向上的不考虑泄露气体的湍流扩散；危害区域坐标系的方向X轴与气体流动方向一致，不考虑横向速度分量及垂直速度分量。该模型的数学表达式为：

式中：C—泄漏物质的浓度分数，% ；Q—泄漏源的泄漏速率，kg/s；Hr—有效源高，m；μ—风速，m/s；x，y，z—某点坐标，m；σy；σz—横风向及竖直方向扩散系数，m。

在某化工厂测得某工段之间的焦炉煤气输送管道压力均为2.3Mpa，温度为623K，CO含量18.54%，其管道半径从0.17m～1.1m不等，另外该工段煤气成分为H2：68.99%、CO：18.54%、N2：2.55%、CH4：0.38%、CO2：9.60%，即该段煤气平均分子量M均=11.5698 g/mol。假定煤气泄孔位于管径d=200mm的管道上，泄孔截面为圆形，直径为30mm，即泄孔面积A= 7.07×10-4m2。由于该段煤气属于多原子气体，经计算其泄露流动属于声速流动，即泄漏速率数学表达式为[2、3]：

式中：Q—气体泄漏速度，kg/m3；Cd—气体泄漏系数，1.00；k—气体绝热指数；A—裂口面积，m2；M—相对分子质量，kg/mol；P—容器压力，Pa；T—气体温度，K；R一理想气体的普氏比例常数，8.314J/（mol·K）。将相关数据带入式（2.2）可计算出煤气泄漏的速率为Q=1.616 kg/m3。

3 煤气泄漏危害区域划分

按照CO急性中毒后对人体的危害程度为依据，划定其危害浓度范围[4、5]：致死区外边界浓度值Cs=1170mg/m3；重伤区外边界浓度值Cz=292.5mg/m3；轻伤区外边界浓度值Cq=58.5 mg/m3。另外利用气体浓度转化公式将CO危害边界浓度值转化为煤气危害边界浓度值，可得焦炉煤气的致死、重伤及轻伤的浓度值分别为：C煤气s = 2.6076g/m3；C煤气z = 0.6519g/m3；C煤气q = 0.1304g/m3。

假定在郊区乡村及大气稳定度D等级条件下，上述工段的煤气泄漏已超过10分钟且属于地面点源，可采用高斯烟羽煤气连续泄漏模型对其危害区域进行计算分析，此时 、、μ=2.5m/s、y=0、z=0、Q=1.616 kg/m3。将焦炉煤气的致死、重伤及轻伤的浓度值分别代入式（2.1）可得：死亡半径Rs=X=135m；重伤半径Rz=X=282m；轻伤半径Rq=X=697m。利用软件可绘制致死、重伤、轻伤边界曲線图，如图3.1、图3.2、图3.3所示。

由煤气泄漏扩散危害边界曲线图可以清晰地得知：当煤气泄漏扩散后，在风速大小为2.5m/s的情况下，其能够导致人员伤亡的大致范围。从煤气泄漏点至135m范围内为人员致死区域；距离煤气泄漏点135m～282m的范围内为人员重伤区域；距离煤气泄漏点282m～697m的范围内为人员轻伤区域；大于泄漏点697m的范围为人员安全区域。

4 风速与泄孔面积对煤气泄露扩散的影响

（1）假定焦炉煤气泄漏发生时，除风速外其它条件不变。取风速为μ1=3.5m/s和μ2=4.5m/s分别计算煤气泄漏扩散下风向的危害最远距离X：

当μ1=3.5m/s时，致死半径X=113m；重伤半径X=235m；轻伤半径X=574m。当μ2=4.5m/ss时，致死半径X=99m；重伤半径X=205m；轻伤半径X=497m。另外，结合当风速为μ=2.5m/s时的危害最远距离X，利用软件可绘制煤气泄漏后不同风速对伤害半径的影响曲线图，如图4.1所示。

（2）假定焦炉煤气泄漏发生时，除泄孔口径外其它条件不变。取圆形泄孔直径为40mm和50mm分别计算煤气泄漏扩散下风向的危害最远距离X：

当泄孔直径为40mm即面积A=12.56×10-4m2时，致死半径Rs=X=232m；重伤半径Rz=X=498m； 轻伤半径Rq=X=1290m。当泄孔直径为50mm即面积A=19.63×10-4m2时，致死半径Rs=X=232m；重伤半径Rz=X=498m； 轻伤半径Rq=X=1290m。另外，结合当泄孔直径为30mm即面积A=7.07×10-4m2时的危害最远距离X，利用软件可绘制煤气泄漏后不同泄孔面积对伤害半径的影响曲线图，如图4.2所示。

由风速与泄孔面积对煤气扩散的影响曲线图4.1、图4.2可知：风速越大越利于煤气的扩散，煤气扩散的危害半径就越小，人员受伤害的机率也将会减小；泄漏面积越大，煤气泄漏量也随之增大，与泄漏面积相应的下风向伤害半径也会增大，发生煤气中毒的范围随之增大，人员受伤害的机率也将增大。因此当煤气泄漏扩散发生时，为了能够及时避免人员伤亡及经济损失，一方面要安排抢险人员迅速堵住煤气泄露口，二是及时组织人员向上风向进行快速疏散。

5 结语

煤气安全关系到千家万户的幸福安康，同时更是所有煤气生产使用企业赖以生存与发展的基石。近年来我国煤气泄漏事故频发，造成了严重的人员伤亡及经济财产损失，针对煤气泄漏事故，可以通过危害区域分析及影响因素控制来做好相关应对策略，从而最大限度地降低人员伤亡及经济损失。企业在经营发展的同时，务必响应习近平主席的号召，树立“以人为本，生命至上”的崇高理念，坚守“发展决不能以牺牲生命为代价”这条“红线”，加强安全法治 保障安全生产。

参考文献：

[1]蒋军成，张礼敬.化工安全[M].中国劳动社会保障出版社，2008（01）：115-119.

[2]杜建科.毒气泄漏过程及其危险区域分析[J].中国安全科学学报，2002（06）：55-59.

[3]田贯三.管道煤气泄漏过程动态模拟的研究[J].山东建筑工程学院学报，1999，14（04）.

[4]耿丽艳.转炉煤气存储系统的火灾爆炸危险性评价[J].有色矿冶，2006，22（05）.

[5]王颖.基于高斯模型的有毒气体瞬间泄漏伤害范围[J].消防科学与技术，2010，29（11）.

作者简介：谢洪岭（1986-），男，山东单县人，硕士研究生，注册安全工程师，主要从事工程物业与安全品质监督管理工作。