站场天然气放空扩散模拟程序设计

付昶宇 杨洋

1. 西南石油大学地球科学与技术学院 四川 成都 610500

2. 西南石油大学空间信息技术与大数据挖掘研究所 四川 成都 610500

站场放空是指在天然气管道或者储罐在运行过程中或进行维修、更换时，需要将内部的天然气排放到大气中的操作。站场放空会造成大量的能源损失和环境污染，利用高斯烟羽模型或者其他数值模拟方法，可以预测站场放空时天然气扩散的范围和影响程度，并根据预测结果制定合理的安全措施和应急方案。天然气扩散是指天然气在大气中的运动和分布过程，是一种重要的环境问题。为了研究天然气扩散的规律和影响因素，需要建立合适的数学模型和计算方法。高斯烟羽模型是一种经典而有效的大气扩散模型，可以计算出下风向任一点的扩散浓度，在国内外有着广泛的应用和深入的研究[1]。

1 基于高斯烟羽模型的天然气扩散

1.1 高斯烟羽模型

高斯烟羽模型是一种常用于描述天然气或其他气体在大气中的扩散和传输的数学模型。这个模型的基本原理涵盖了污染物扩散和浓度分布，其核心思想是天然气的浓度分布呈现出高斯（正态）分布，类似于烟羽形状，因此被称为高斯烟羽模型[2]。

高斯烟羽模型基于以下几个关键假设：①污染源：模型首先需要确定天然气泄漏的源头和释放速率。这可以是天然气井口、管道破裂、储气罐泄漏等。②气象条件：大气中的气象条件对天然气扩散至关重要。风速、风向、大气稳定性等因素会影响天然气的传输路径和速度。③高斯分布：高斯烟羽模型假设天然气在水平和垂直方向上的浓度分布都近似地遵循高斯分布。这个分布呈现出钟形曲线，最高浓度位于源头附近，然后逐渐减小，符合统计学中的正态分布。④扩散系数：扩散系数是模型中的一个重要参数，用于描述天然气的扩散速度和方式。它受大气条件和天然气性质的影响，通常需要根据实际情况进行估算或测量。⑤时间变化：模型还考虑了时间变化，以模拟不同时间点的天然气浓度分布。这对应于源头释放速率随时间的变化[3]。

基于以上假设，可以得到高斯烟羽公式，用于计算烟气扩散浓度。该公式包含源强、风速、有效源高、扩散参数等因素[4]。高斯烟羽模式存在局限性，例如，在复杂地形或极端气象条件下，该模式不适用或需要进行修正。

式中：Q为泄漏速率，mg/s；μ为泄漏时环境的平均风速，m/s；H为泄漏源有效高度，m；σy、σz分别为侧风向、垂直风向的扩散系数；x、y、z分别为下风向距离、侧风向距离、垂直风向距离，m；C为空间任意一点（x，y，z）在t时刻空气中有毒物质的质量浓度，mg/m3。

1.2 排放源有效高度

排放烟气在湍流作用下进行扩散，烟气上升的那段高度即为烟云抬升高度。烟云抬升高度是影响大气污染物扩散的重要因素之一，因此计算和预测烟云抬升高度对于环境影响评价和污染控制具有重要意义[5]。

许多因素影响烟云抬升高度，主要包括排放源的形式、环境风速和大气稳定度等[8]。排放气体的性质主要指温度、密度、速度、流量等参数，它们决定了排放气体的初始动力和浮力。一般来说，温度越高、密度越小、速度越大、流量越大，排放气体的动力和浮力越强，烟云抬升越高。排放源的形式主要指烟囱或喷口的高度、直径、方向等特征，它们影响了排放气体与周围空气的相对运动。一般来说，烟囱或喷口越高、越细、越垂直于地面，排放气体与空气的相对速度越大，烟云抬升越高。环境风速是指烟囱口或喷口处的平均风速，它影响了排放气体与空气的混合程度。一般来说，风速越小，排放气体与空气混合越慢，烟云抬升越高[6，7]。大气稳定度是指大气层结对于扰动的恢复能力，它影响了大气中湍流强度和垂直温度梯度。一般来说，大气稳定度越小，湍流强度越大，垂直温度梯度越小，烟云抬升越低。

由于烟云抬升过程涉及复杂的流体力学和传热学问题，目前还没有一个普遍适用的理论模型来精确地描述和预测烟云抬升高度。上个世纪威尔森根据管道破裂泄漏实验得到经验公式。泄漏场景经验公式同样适用于放空计算。有效源高为排放源实际几何高度与烟气抬升高度相加。有效源高H可由式（2）求得：

式中：Vs是气云释放速度，m/s；d是放空管道出口直径，m；V为风速，m/s。

1.3 扩散系数的选取

扩散系数σx、σy、σz的大小受离地高度、地面粗糙度、排放时间等许多因素影响。通常，大气稳定度与扩散系数呈负相关。根据经验公式，不同大气稳定度下的扩散系数如表1所示：

表1 扩散系数计算公式

1.4 浓度范围划分

可燃气云是指由于天然气与空气混合后，在一定体积内形成的可燃性混合物。可燃气云的形成受到多种因素的影响，如天然气的物理化学性质、放空参数、环境条件、地形地貌等。可燃气云的危险性主要取决于其浓度是否在爆炸极限范围内，以及是否存在足够强度和能量的点火源[6-8]。

爆炸极限是指可燃性混合物能够发生爆炸反应的最低浓度和最高浓度。对于天然气来说，其爆炸极限范围约为4.5%～16.5%（体积分数）。如果可燃气云浓度低于4.5%，则混合物过稀无法点燃；如果高于16.5%，则混合物过浓缺乏足够的氧气支持燃烧。只有当可燃气云浓度在爆炸极限范围内，并且遇到火花、明火、静电、机械摩擦等点火源时，才可能引发火灾或爆炸事故。火灾或爆炸事故会导致高温高压波、毒性烟雾、碎片飞溅等次生灾害，对人员伤亡和财产损失造成巨大影响。

2 基于高斯烟羽模型的扩散模拟软件设计

基于高斯烟羽模型的扩散模拟C#软件设计是一种利用高斯烟羽模式来计算大气中污染物浓度分布的软件。该软件的设计目的是为了方便相关人员进行空气污染扩散模拟和分析，以评估污染源对周围环境的影响，或者制定合理的污染控制措施。该软件使用C#语言编写，基于NET Framework平台开发，采用Windows窗体应用程序的形式，界面友好，操作简便。该软件还使用了一些第三方库进行数学运算、图形绘制等。

程序包含基本参数输入界面，及程序主界面。根据实际情况输入参数，点击“扩散模拟”就可以计算当前工况下的扩散结果见图1a。点击“扩散范围表”还可以对查看各浓度区间的准确范围值见图1b。

图1 程序模拟结果

根据程序输出结果，天然气放空扩散过程受到风速、风向、排放速率等因素的影响。天然气放空扩散过程中会形成一定范围内的可燃气体云团，并随着时间推移而变化，通过对可燃气体云团进行定性和定量分析，可以了解其形状、大小、位置和浓度等特征。通过对可燃气体云团进行扩散模拟，可以配合相关部门进行有效的疏散和撤离，并对天然气生产工程中的放空条件决策、减少火灾和爆炸事故发生概率起到至关重要作用。

3 结束语

通过扩散模拟，可以配合相关部门进行有效的疏散和撤离，对天然气生产工程中的放空条件决策、减少火灾和爆炸的可能性起到至关重要的作用。扩散模拟可以为相关部门提供科学依据和参考数据，如确定安全距离、警戒区域、风险等级等，并及时通知周边人员和单位做好防护措施。扩散模拟还可为相关部门提供有效指导和建议，如选择最佳放空时间段、最佳放空方向等，并调整设备参数和操作方式以减少放空量和时间。扩散模拟还可以为相关部门提供紧急支持和协助，如在发生非计划性放空时及时预测扩散情况，并组织有序有效地疏散和撤离受影响人员，并尽快消除点火源并控制排放源。总之，在天然气生产工程中，对天然气放空进行分析和处理是保障安全生产和社会稳定的重要手段。通过程序测试进行扩散模拟可以为相关部门提供有力支持，并减少可能发生的火灾或爆炸事故。