基于高斯烟羽模型的液化气体泄露扩散模拟分析与研究——以含硫天然气为例

◇中石油辽河油田安全环保技术监督中心 沈凌云

液化气体泄漏之后，容易引发中毒、火灾、爆炸等事故，不但会污染环境，而且会造成巨大的人员伤亡和财产损失。因此，本文以含硫天然气为例，使用Gaussian烟羽模型对液化气体泄漏扩散进行了数值模拟。结果表明：Gaussian烟羽模型可以有效模拟含硫天然气泄漏之后的扩散情况，并且可以快速划分气体泄漏扩散的影响区域，进而给事故应急救援工作提供科学的指导，从而最大限度地减少人员伤亡和财产损失。

近些年以来，随着我国经济的迅速发展，对于液化天然气、液化氨气、液化氯气等液化气体的需求量逐年递增。这些液化气体均属于危险化学品，具有易燃、易爆、毒性大等特点，为了方便存储和运输，一般都是将其进行压缩液化处理。在实际生产、使用等过程中，很多因素都会导致液化气体发生泄漏，虽然偶有发生，但是所造成的危害极大，容易引发中毒、火灾以及爆炸等事故，轻则造成环境污染、生态破坏，重则造成财产损失和人员伤亡[1-2]。一旦液化气体发生泄漏，如果可以快速预测其扩散趋势和浓度分布范围，就可以准确地划分泄漏气体的危险区域，给事故应急救援工作提供科学的指导，从而最大限度地减少人员伤亡和财产损失。因此，如何快速和准确地模拟液化气体泄露的扩散规律，从而预测泄漏事故的影响范围，是目前人们关注的热点和难点。本文以含硫天然气为例，使用高斯（Gaussian）烟羽模型对液化气体扩散进行了数值模拟。

1 液化气体泄漏扩散模型

在液化气体泄漏之后，由于受到多种因素的影响，其扩散规律比较复杂，通常都是利用相应的气体泄漏扩散模型对液化气体泄漏的规律进行数值模拟。经过几十年的研究，目前常用的气体泄漏扩散模型有7种：①BM模型；②SLM模型；③Sutton模型；④Gaussian模型；⑤UDM模型；⑥CFD模型；⑦FEM3模型，每种模型都有相应的适用条件和优缺点，具体情况见表1[3-5]。在上述几种模型中，由于Gaussian模型具有操作简单、计算量较小、实用性强等特点，被广泛应用于气体扩散领域。

表1 不同气体泄漏扩散模型对比

Gaussian模型主要有2种：①Gaussian烟团模型；②Gaussian烟羽模型。前者适用于大规模短时间泄漏的气体模拟，后者适用于大规模长时间泄漏气体模拟。由于很多有毒气体都是轻气及中性气体，而且气体泄漏时间较长，因此本文选用Gaussian烟羽模型进行介绍和分析。

由于Gaussian烟羽模型是在很多假设的基础上推导出来的，具有一定的局限性，通常适用于以下5种情况：

（1）模拟单一气体泄漏的扩散情况。

（2）气体泄漏速度比较稳定，风速恒定，湍流均匀。

（3）气体泄漏之后的化学转化过程以及沉降过程可以忽略不计。

（4）环境风速应该大于或等于1m/s。

（5）与泄漏源的距离应该约束在3000米范围之内（如果地形比较平坦，距离应该更短一些）。

在实际应用Gaussian烟羽模型进行气体泄漏扩散模拟的过程中，最关键的一点就是计算扩散系数，而扩散系数与大气稳定度关系密切。根据天气情况以及泄漏点的地形条件等因素，可以将大气稳定度分为A、B、C、D、E、F等6个级别，其对应的扩散系数，如表2所示[2,6]。

表2 不同大气稳定条件下的扩散系数方程

2 液化气体泄漏扩散影响区域划分

一般情况下，当压力容器和管道等设施中发生液化气体泄漏时，在其泄漏点的下风向周围将会形成一定范围的影响区域。如果气体中含有H2S、Cl2、NH3等有毒气体，则扩散之后可以划分4个影响区域：①安全区域；②吸入反应区域；③致伤区域；④致死区域，如图1所示。这些区域的临界浓度可以分为3个：①轻伤浓度；②重伤浓度；③致死浓度。

图1 液化气体泄漏扩散危险区域划分示意图

3 含硫天然气泄漏扩散模拟

如果气井生产的天然气中含有一定量的H2S，需要通过集输站处理，达到相应的标准之后，才能够输入管网之中，然后输送给客户使用。H2S是一种酸性气体，腐蚀性比较强，长时间生产之后，会对管道和压力容器造成一定的破坏，容易引发泄漏事故。另外，H2S是一种剧毒性气体，一旦含硫天然气发生泄漏，容易引发中毒、火灾甚至爆炸等事故，不但会对企业造成不可估量的经济损失，而且可能危及工作人员以及周围居民的生命安全。

图2 H2S泄漏扩散浓度分布图

图3 H2S泄漏扩散危险区域划分图

4 结论

（1）高斯烟羽模型可以有效地模拟液化气体泄漏的情况，根据模拟的结果可以准确划分泄漏扩散的危险区域，进而为应急事故救援及危害评估提供一定科学依据，从而尽可能地减少人员伤亡和经济损失。

（2）本文仅是采用一种模型进行气体泄漏扩散模拟，存在一定的局限性，而且考虑的影响因素较少，没有进行深入地研究，在未来的研究中，应该采用多种模型进行对比分析，找到最合适的模型。

（3）高斯烟羽模型比较简单，只是考虑压力容器以及管道等暴露在空气中的情况，并不能模拟埋藏在土壤中的容器或管道气体泄漏的情况，因此在今后的研究中，应该加强这方面的研究，并建立适用于液化气体土壤中的泄漏扩散模型。