基于ALOHA的城市燃氣管道泄漏火災爆炸影響區域的數值模擬

馬慶春，張 博

基于ALOHA的城市燃氣管道泄漏火災爆炸影響區域的數值模擬

馬慶春，張 博

(中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京 102249)

針對城市燃氣管道泄漏事故，分析了燃氣管道泄漏后可能會導致噴射火、氣云燃燒和氣云爆炸等事故后果類型，利用ALOHA模擬軟件中的噴射火模型、閃火模型和氣云爆炸模型對上述三種事故后果類型分別進行數值模擬，得到每種事故可能的影響區域，并根據事故后果的嚴重程度，將危險區域劃分為不同的等級。最后以北京市某次高壓燃氣管道發生泄漏導致火災爆炸事故為例，利用上述方法模擬可能導致的不同事故后果，得到事故的不同分區，并將圖表中的模擬結果定位在地圖中，實現了事故影響區域的直觀表現，有助于為事故后的應急救援和人員緊急疏散提供地理位置信息。

ALOHA；燃氣管道泄漏；火災爆炸；影響區域；數值模擬

近年來，我國發生了多起燃氣管道泄漏事故，嚴重時還導致火災或爆炸事故的發生，威脅著附近居民的生命及財產安全，給人們的正常生活帶來了嚴重的影響。據不完全統計，在2015年3～5月期間，全國范圍內共發生107次燃氣事故，其中燃氣管道泄漏事故占20%左右。此外，近年來，北京市還發生多次燃氣管道泄漏導致周邊居民緊急疏散的事故，如2005年4月12日，亦莊開發區內施工不當導致管道泄漏，附近600多戶居民被緊急疏散，2006年6月9日豐臺區玉泉營附近燃氣管道遭到施工破壞，附近百余居民被疏散[1]。因此，對燃氣管道泄漏事故的影響區域進行研究，預估城市燃氣管道泄漏造成的危害范圍，能夠使應急管理人員明確危險區域的范圍，以便組織該區域內的人員按秩序安全撤離，減少人員傷亡和財產損失。

綜合分析近年來發生的燃氣管道泄漏事故，管道泄漏后的主要危害是火災及爆炸。目前，針對燃氣泄漏事故火災爆炸的研究主要采用數學模型或數值模擬的方法來進行計算。數學模型主要包括氣體泄漏數學模型、噴射火數學模型、氣云爆炸數學模型等[2-6]。如韓朱旸等[7]對城市燃氣管網泄漏后可能導致的不同事故后果及每種后果對應的物理模型進行了分析和綜述；牛偉偉[1]對城市天然氣管道泄漏的影響因素進行了分析，并將天然氣管道泄漏后火災爆炸數學模型應用到事故應急救援系統中。數值模擬方法主要是利用計算機軟件對燃氣管道泄漏情況進行模擬，如流體力學軟件Fluent、氣體泄漏擴散及爆炸軟件FLACS、后果模擬軟件PHAST及SAFETI等[8-12]，但這些數值模擬方法一般為離線模擬，過程比較復雜，計算耗時，不能在事故發生后實時地得出模擬結果，不利于應急人員及時做出疏散決策。

針對上述不足，本文通過ALOHA軟件對燃氣管道泄漏后的火災爆炸情況進行數值模擬，利用其中的噴射火模型、閃火模型和氣云爆炸模型對燃氣管道泄漏后可能導致的噴射火、氣云燃燒和氣云爆炸事故的影響區域進行計算與評估，且過程簡單，事故影響區域明了，便于事故后人員應急疏散時路徑的優選。

1 城市燃氣管道泄漏事故后果類型

城市燃氣管道泄漏的原因通常包括以下幾個方面：①管道腐蝕、老化出現小孔或裂紋，導致燃氣從小孔或裂紋處泄漏；②管道受到第三方破壞，出現裂紋或斷裂，致使燃氣泄漏，如遭到外力撞擊或車輛碾壓等；③管道上的閥門或其他附件損壞，致使管線泄漏；④用戶在使用過程中私自改裝燃氣管線，引起管道泄漏等。泄漏后的燃氣將會與空氣混合形成爆炸性混合氣體，在遇到明火或其他點火源時很有可能發生火災或爆炸[13-14]。

城市燃氣管道泄漏后可能會導致噴射火、氣云燃燒和氣云爆炸三種不同的事故后果類型。

(1) 噴射火。管道在腐蝕、老化或第三方破壞情況下發生泄漏，如果管道內壓力較高，燃氣將會在高壓作用下高速向外噴出。燃氣在向外噴射過程中產生靜電火花或遇到明火、電火花或其他點火源等，則很有可能形成向外噴射的火焰，導致發生噴射火，噴射火是燃氣管道泄漏后比較常見的一種事故后果類型。

(2) 氣云燃燒。正常運行的管道或開挖裸露在外的管道發生泄漏后，如果燃氣沒有在泄漏口立即點燃，將會沿管溝或通風口等向外擴散，并與空氣充分混合形成爆炸性混合氣體，在遇到明火等點火源后，很有可能引發氣云燃燒或爆炸，氣云燃燒將會產生大量的熱輻射，對周邊人員及環境造成嚴重的危害。

(3) 氣云爆炸。氣云爆炸發生的前提與氣云燃燒類似，也是燃氣在與空氣充分混合后引起的，但氣云爆炸的最大危害是產生較大的爆炸沖擊波破壞。

雖然天然氣密度比空氣小，很難形成持續的氣云，發生氣云燃燒和氣云爆炸的機率相對較小，但是氣云燃燒和氣云爆炸將會給周邊居民的正常生活產生嚴重影響，造成一定危害，因此有必要對燃氣泄漏可能導致的事故后果及其具體影響區域進行評估。

2 ALOHA數值模擬方法

ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)是為應對危險化學品泄漏及應急培訓與演練開發的一種計算機模擬軟件，其數據庫內包含千余種化學品的信息，主要用于模擬危險化學品泄漏后的有毒氣體擴散、火災和爆炸過程。ALOHA模擬軟件提供了氣體直接擴散(Direct)、液池蒸發(Puddle)、儲罐泄漏(Tank)和氣體管道泄漏(Gas Pipeline)4種泄漏源形式，并通過一系列對話框的形式提示輸入場景信息(如危險化學品信息、天氣情況、泄漏源等)及設備信息等之后，以圖表或文本框的形式輸出計算結果，其操作簡便、結果形象直觀。ALOHA軟件中氣體管道泄漏源(Source)下的噴射火模型、閃火模型和氣云爆炸模型可用于模擬城市天然氣管道泄漏的火災爆炸過程,其具體流程如下(見圖1)：

(1) 設置危險化學品泄漏的位置、時間及泄漏點周圍建筑物信息等。

(2) 在ALOHA數據庫內選擇具體的危險化學品。

(3) 設置危險化學品泄漏時的大氣條件及其他環境信息，如環境溫度、風速、風向、濕度、云層情況、地面粗糙程度等。

(4) 選擇泄漏源并設置泄漏設備的具體信息，如溫度、壓力等。

圖1 基于ALOHA的城市燃氣管道泄漏火災爆炸數值模擬流程Fig.1 Flow chart of numerical simulation of fire and explosion caused by the urban natural gas pipeline leakage based on ALOHA

(5) 以圖表或文本的格式顯示泄漏事故影響區域。

3 實例應用與分析

依據ALOHA對燃氣管道泄漏后火災爆炸的數值模擬流程，本文以北京市某段次高壓燃氣管道泄漏為例，建立燃氣管道泄漏后火災爆炸的基本模型，在此基礎上利用ALOHA軟件對燃氣管道泄漏火災爆炸事故的后果進行數值模擬，并估算事故的大致影響區域。

3.1 燃氣管道泄漏事故概況

北京市某段次高壓燃氣管道發生管道破裂導致泄漏事故，其中事故發生地點具體位置如圖2所示。事故發生當天為東風，平均風速為2 m/s，大氣溫度為20℃。泄漏管道全長30 km，直徑為500 mm，管道的正常工作壓力為0.7 MPa，管道內溫度為20℃，泄漏口直徑約為管道直徑的20%[15]。

圖2 燃氣管道泄漏點位置示意圖Fig.2 Schematic map of location of the natural gas pipeline leakage spot

3.2 燃氣管道泄漏事故主要參數設置

表1為ALOHA軟件模擬中的一些主要參數，包括泄漏物質、地理位置、大氣環境和泄漏源等信息。

表1 燃氣管道泄漏事故主要參數

3.3 模型求解

本次模擬主要涉及到的模型有噴射火模型、閃火模型和蒸氣云爆炸模型。

3.3.1 噴射火

噴射火的主要危害是熱輻射對周圍人員的傷害及對建筑物的損害。ALOHA軟件中以噴射火模型對噴射火熱輻射進行模擬，并以噴射火熱輻射在60 s內對人體造成致命傷害(10 kW/m2)、二度燒傷(5 kW/m2)和皮膚疼痛傷害(2 kW/m2)作為劃分危險區域的3個界限[16]。

3.3.2 氣云燃燒

氣云燃燒的危害也是產生大量的熱輻射。ALOHA軟件中以閃火模型對氣云燃燒進行模擬，并以爆炸下限LEL(Lower Explosive Limit)(5%)、60%LEL(3%)作為劃分危險區域的2個界限。

3.3.3 氣云爆炸

天然氣發生氣云爆炸的概率雖然小于氣云燃燒，但氣云爆炸產生的爆炸沖擊波不僅會對人體產生致命傷害，而且對建筑物破壞也很大。ALOHA軟件中以蒸氣云爆炸模型對氣云爆炸產生的沖擊波進行模擬，并以爆炸沖擊波對建筑物產生破壞(8.0psi)、人員嚴重傷害(3.5psi)和玻璃震碎(1.0psi)作為劃分危險區域的3個界限。

3.4 模擬結果與分析

3.4.1 噴射火

該燃氣管道泄道可能發生噴射火事故的影響區域數值模擬結果見表2,將燃氣管道泄漏發生噴射火的可能區域在地圖中的顯示見圖3。由圖3可見，噴射火熱輻射的影響區域內除了建筑工地以外，并沒有覆蓋其他人員密集場所；此外泄漏點位于交叉路口旁，因此如果天然氣泄漏后發生噴射火，將會對過往行人及靠近泄漏點的建筑工地內的人員產生較大的傷害。

表2 燃氣管道泄漏可能發生噴射火事故的影響區域

圖3 燃氣管道泄漏可能發生噴射火事故的影響 區域示意圖Fig.3 Schematic diagram of the affected areas of the possible jet fire accident caused by the natural gas pipeline leakage

3.4.2 氣云燃燒

燃氣管道泄漏可能發生氣云燃燒的影響區域的數值模擬結果見表3。模擬所得數據是用2個小于或等于爆炸下限的值LEL和60%LEL作為劃分依據，因此得到的結果可能會略大于真實值，但并不影響考慮后續的應急疏散等。燃氣管道泄漏發生氣云燃燒的可能區域在地圖中的顯示見圖4。由圖4可見，泄漏點以西約78 m內為危險區，并且由于風向的不確定性，天然氣可能還會向西北或西南方向擴散。因此，為了防止發生火災或爆炸事故，應該盡快通知危險區域內人員停止可能產生點火源的行為，并組織危險區域內居民向泄漏點以東方向疏散，以盡可能減小人員傷亡的可能。

表3 燃氣管道泄漏可能發生氣云燃燒事故的影響區域

圖4 燃氣管道泄漏可能發生氣云燃燒事故的影響 區域示意圖Fig.4 Schematic diagram of the affected areas of the possible vapor cloud fire caused by the natural gas pipeline leakage

3.4.3 氣云爆炸

燃氣管道泄漏可能發生氣云爆炸事故的影響區域的數值模擬結果見表4,燃氣管道泄漏發生氣云爆轟的可能區域在地圖上的顯示見圖5。由圖5可見，燃氣管道泄漏發生氣云爆轟后對周圍80多米內的區域都會產生影響，且危害較大，周圍31 m內的非加固建筑物將會遭到毀壞，人員也會受到嚴重傷害。因此，一旦發生燃氣泄漏，要在盡量短的時間內進行人員疏散，以避免人員傷亡和財產損失。

表4 燃氣管道泄漏可能發生氣云爆炸事故的影響區域

圖5 燃氣管道泄漏可能發生氣云爆炸事故的影響 區域示意圖Fig.5 Schematic diagram of the affected areas of the possible vapor cloud fire caused by the natural gas pipeline leakage

4 結論與建議

本文針對城市燃氣管道泄漏事故，分析了燃氣管道泄漏后可能導致的事故后果，利用ALOHA模擬軟件對不同的事故后果進行了數值模擬，確定出事故可能的影響區域，并對其進行危險區域劃分。通過實例應用，利用上述方法模擬可能導致的不同事故后果，得到事故的不同分區，并實現了事故影響區域的直觀表現，從而驗證了可將ALOHA軟件模擬作為確定城市燃氣管道泄漏事故影響區域的重要手段。此外，由于本文只是對燃氣管道泄漏后可能導致的事故的影響區域進行估計，并沒有對泄漏事故進行詳細的風險分析，因此今后可以在此基礎上對燃氣管道泄漏事故后果進行研究，為制定準確的應急救援預案奠定基礎。

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Numerical Simulation of Fire & Explosion-affected Areas Caused by the Urban Natural Gas Pipeline Leakage Based on ALOHA

MA Qingchun,ZHANG Bo

(CollegeofMechanicalandTransportationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China)

Aiming at the leakage accidents of the urban natural gas pipeline,this paper analyzes the types of accident consequences including jet fire,flash fire and vapor cloud explosion.Then the paper conducts numerical simulations of the above three types by applying the corresponding models in ALOHA to obtain the affected areas under each accident scenario.Next,the paper divides the dangerous areas into different levels based on accident consequences.Lastly,the paper takes the fire and explosion accidents caused by the leakage of a sub-high pressure natural gas pipeline in Beijing as an example,applies the above method to simulate the possible accident consequences and obtain the sub-regions.Besides,in order to realize the visualization of the affected areas,the paper shows the simulation results on Google Earth,which shall be helpful for emergency rescue and evacuation after accidents by providing geographical position information of the accidents.

ALOHA;natural gas pipeline leakage;fire and explosion;affected area;numerical simulation

張明廣(1981—)，男，副教授，主要從事化工園區風險分析方面的研究工作。E-mail：tianzhuima@sina.com

1671-1556(2016)02-0075-05

2015-07-27

2015-10-14

馬慶春(1972—)，女，博士，副教授，主要從事石油化工安全檢測與事故模擬技術等方面的研究。E-mail: maqingchun@cup.edu.cn

X928.7;TU996.7

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.02.015