大庆油田天然气管道泄漏事故后果模拟.pdf

第2 7 卷第6 期油气储运 4 1 大庆油田天然气管道泄漏事故后果模拟* 魏立新”辛颖 大庆石油学院 余斌 中国地质大学 北京 魏立新辛颖等大庆油田天然气管道泄漏事故后果模拟，油气储运，2 0 0 8 ，2 7 6 4 1 “ 4 3 。 摘要为防止天然气管道泄漏造成灾难性后果，采用蒸气云爆炸模型对天然气管道泄漏的 火灾爆炸行为进行了模拟，计算出天然气管道泄漏后的死亡半径、重伤半径等，其结果可以为大庆 油田天然气分公司应急救援提供技术支持。 主题词 天然气管道泄漏事故后果模拟 我国许多在役输气管道己进入了老龄阶段，由 于历史、技术和建设等诸多原因，加之城镇发展建设 活动对天然气管道的侵扰，使得这些输送易燃易爆 介质的压力管道发生泄漏、爆管等危险事故的几率 增大‘1 1 。 在天然气的输送过程中若发生泄漏，当天然气 与空气混合达到天然气的燃烧爆炸极限时，一旦遇 到火源，就会发生火灾甚至爆炸，造成人员伤亡和严 重的财产损失。因此，研究天然气管道的火灾、爆炸 危险对保障人员及财产安全具有重要的意义。 一、天然气泄漏特点 由于气体的可压缩性很大，造成泄漏孔附近在 较长时间内保持较高的能量，在特定的条件下可导 致泄漏孔由小变大，以至于管道完全破裂。 天然气管道泄漏会造成不同的后果，其中有些 事故对失效地点附近的居民和财产造成巨大的威 胁。对于特定的管道而言，灾害类型以及相关的破 坏形式取决于管道的失效模式 泄漏或断裂 、气体 的泄漏方式 垂直或倾斜喷射、有阻挡或无阻挡喷 射 和燃烧时间 立即燃烧或延迟燃烧 [ 2 ] 。由于天 然气具有漂浮的特性，泄漏后若未受到阻碍，则会将 附近的大量空气卷吸到气体中，从而使气体浓度降 低，远距离延迟燃烧发生闪燃的概率非常低，因此， 其主要的危害形式是由喷射火产生的热辐射和延迟 燃烧引起的蒸气云爆炸。 二、天然气的火灾爆炸特性 天然气以气态在管道内流动，一旦泄漏，则可与 空气混合形成可燃气云，当该气云达到爆炸极限时， 如遇到火源就会发生燃爆。‘可燃气云发生燃烧后可 能出现一些不同的燃烧状态，例如，形成喷射性的扩 散火焰或火球；形成大规模的气云燃烧，甚至导致爆 炸；稳定燃烧，即气云的爆炸起点火源作用，使不断 从裂口泄漏出的天然气在泄漏口形成定常扩散燃 烧，并形成稳态火球[ 3 ] 。其中，后两种燃烧状态对人 员和建筑物的伤害性最大。 三、参数模型 1 、气体泄漏模型 计算泄漏速率是泄漏分析的重要内容，根据泄 漏速率可以进一步研究泄漏物质的情况。发生泄漏 时，如果泄漏设备的裂口是规则的，而且裂口尺寸及 泄漏物质的有关热力学、物理化学性质及参数已知 时，就可以根据流体力学中的有关方程式计算泄漏 量。当裂口不规则时，则可采取等效尺寸替代；当遇 到泄漏过程中压力变化等情况时，可以采用经验公 式计算。 * 黑龙省振兴东北老工业基地重大科技项目 1 1 5 2 9 z d 0 4 ． * * 1 6 3 3 1 8 t 黑龙江省大庆市大庆石油学院油气储运工程系l 电话 0 4 5 9 6 5 0 4 5 7 8 。 万方数据 4 2 油气储运2 0 0 8 年气体从裂口泄漏的速度与其流动状态有关，目前，较普遍的气体泄漏速率的确定，是判断泄漏时气体流动属于音速 临界流 还是亚音速流动 次临界流 。当式 1 成立时，气体流动属于音速流动；否则，气体流动属于亚音速流动譬≤[ 南] 南㈣式中P 。环境压力，P a ；P 管道内介质压力，P a ；惫气体的绝热指数，即定压比热容与定容比热容之比。气体呈音速流动时，其泄漏速率为Q 一嘶席爵，㈣气体呈亚音速流动时，其泄漏速率为Q 嘶雁磊两丽 3 式中Q 泄漏速率，k g ／s ；G 气体泄漏系数，当裂口形状为圆形时C d 一1 ．0 0 ，三角形时C d 一0 ．9 5 ，长方形时G O ．9 0 ；』D 气体密度，k g ／m 3 ；M 天然气分子量；R 气体常数，R 8 ．3 1 4J ／ k g K ；T 天然气输送温度，K fA 裂口面积，m 2 。一般假设裂口面积与圆孔面积相同，对应的当量直径可按公式 4 计算D D o √孟“式中D 等价喷射孔直径，m ；D o 裂口孔直径，m ；伽周围环境条件下气体的密度，k g ／m 3 。如果泄漏天然气能瞬时达到周围环境的温度、压力状况，即I D 一印，此时D D 。。2 、喷射火伤害模型加压的天然气泄漏时形成射流，如果在泄漏裂口处被点燃，则形成喷射火。喷射火热辐射计算方法是一种包括气流效应在内的喷射扩散模型的扩展。将整个喷射火看成是由沿喷射中心线上的全部点热源组成，每个点热源的热辐射通量相等。点热源的热辐射通量按式 5 计算q 一刁Q oH 。 5 式中q 点热源热辐射通量，W ；叩效率因子，取v o ．3 5 ；H 。燃烧热，J ／k g 。射流轴线上某点热源j 到距离该点z 处一点的热辐射强度为I i24 q 7 c t z 2 6 41 r 1 一式中j ；点热源I 至目标点。处的热辐射强度，W ／m 2 ；z 点热源至目标点的距离，m ，t 热辐射系数，取t 一0 ．2 。某一目标点处的入射辐射强度等于喷射火的全部点热源对目标的热辐射强度的总和I 一∑I i 7 。i 。。 1式中以计算时选取的点热源数。理论上，喷射火焰长度等于从泄漏口到可燃混合气燃烧下限 L F L 的射流轴线长度。对表面火焰热通量，则集中在L F L ／1 ．5 处。对危险评价分析而言，取点热源数咒 5 即可。3 、爆炸模型泄漏的天然气若遇到延迟点火，则可能发生蒸气云爆炸。预测蒸气云爆炸的冲击波伤害、损害半径可按照式 8 计算r c I N E “3 8 E V H 。 9 式中r 损害半径，m ；C ，经验常数，取决于损害等级；N 效率因子，其值与燃烧浓度持续展开所造成损耗的比例和燃料燃烧所得机械能的数量有关，一般取N 一1 0 ％；E 爆炸能量，k J ；y 参与反应的可燃气体的体积，m 3 。 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 第2 7 卷第6 期魏立新等大庆油田天然气管道泄漏事故后果模拟 4 3 四，计算实例 对大庆油田天然气分公司储运二队的A 点到 C 点阀组间的2 号集气管道进行了事故后果模拟。 输送介质为干气，管道的实际输送能力为 8 0 1 0 4m 3 ／d ；设计压力为1 ．6M P a ；运行压力为 1 ．0M P a ，管径为5 2 9I T l m ，管道内径为5 1 5m m 。管 段周围环境为，保田村一卧龙路～商服区一C 点阀 组；保田村内管道两侧居民房屋在管道中心线 5I T I 以内；管道在穿越卧龙路4 0m 后转向正东敷设 约10 0 0I T I ，管道距平房区距离约5m ，距商服楼区 约1 5m 。现假设其管道表面由于腐蚀产生泄漏，小 孔的直径为5m F l l ，泄漏时间为1 0m i n ，求得喷射轴 线上某点的热辐射强度 见表1 和蒸气云爆炸冲击 波伤害、损害半径 见表2 。 衰1 热辐射危害距离 保田村内的部分居民房屋在天然气管道中心线 5m 以内，在热辐射危害的死亡半径 7 ．2m 以内、 在蒸气云爆炸的伤亡半径 7 ．6 5m 以内，一旦发生 事故必将造成严重的人员伤亡和财产损失。应加强 对管道附近居民的安全教育，增加管道的巡检次数， 及时发现隐患。 五、结论 1 分析了天然气管道的泄漏特点及火灾爆炸 特性，给出了天然气管道泄漏速率模型。该模型能 够计算出各种尺寸和形状的裂口产生时的泄漏 速率。 2 根据天然气泄漏可能发生的事故后果，分别 给出了喷射火伤害模型和蒸气云爆炸模型。该模型 能够模拟出天然气管道泄漏事故的各种损害程度和 损害范围。该方法对天然气管道的安全生产具有 一定的指导意义。 参考文献 1 ，李又绿姚安林等天然气管道泄漏扩散模型研究，天然气工 业，2 0 0 4 ，2 4 8 。 2 ，王日燕等天然气输送管道火灾事故危险分析，天然气与石油， 2 0 0 5 ，2 3 3 。 3 ，陈利琼在役油气长输管线定量风险技术研究 博士论文 ．西南 石油学院，2 0 0 4 。 收稿日期2 0 0 7 0 5 2 6 编辑孟凡强 万方数据