煤氣泄漏擴散的危害區域及其影響因素分析

謝洪嶺 程曉 邵旭 趙興飛

摘 要：近年來我國煤氣泄漏事故頻發，造成了嚴重的人員傷亡及經濟損失，對此運用煤氣連續泄漏模型分析了某化工企業煤氣泄漏擴散所造成危害區域，并比較分析了風速與泄孔面積對事故危害的影響，為應急救援部門能夠及時采取有效措施組織搶險救援活動提供了一定參考，對于提前做好預防煤氣泄漏事故的發生也具有現實意義。

關鍵詞：煤氣泄露；危害區域；風速；泄孔面積

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

1 引 言

據不完全統計，2016年—2017年我國共發生煤氣泄露爆炸事故1611起，造成20196余人受傷，253人死亡，給企業與居民生命財產造成了嚴重的經濟損失，同時也嚴重影響了企業的安全可持續發展。因此在煤氣發生泄漏之前，準確地預測煤氣擴散危險區域及風速、泄孔面積對煤氣擴散的影響，對減少因煤氣爆炸事故造成的人員傷亡與經濟損失以及制定相應的預防減災策略具有重要的意義。

2 煤氣連續泄漏模型及其泄漏速率計算

煤氣連續泄漏模型是高斯煙羽模型中的一種，其假設如下[1]：所研究泄露氣體在水平地面擴散，其各種變量均屬于定常態；其密度大小與空氣相近且在泄露擴散過程中不發生化學變化；其擴散的性質與空氣相同，到達地面時不被吸收切全部反射；在下風向上的不考慮泄露氣體的湍流擴散；危害區域坐標系的方向X軸與氣體流動方向一致，不考慮橫向速度分量及垂直速度分量。該模型的數學表達式為：

式中：C—泄漏物質的濃度分數，% ；Q—泄漏源的泄漏速率，kg/s；Hr—有效源高，m；μ—風速，m/s；x，y，z—某點坐標，m；σy；σz—橫風向及豎直方向擴散系數，m。

在某化工廠測得某工段之間的焦爐煤氣輸送管道壓力均為2.3Mpa，溫度為623K，CO含量18.54%，其管道半徑從0.17m～1.1m不等，另外該工段煤氣成分為H2：68.99%、CO：18.54%、N2：2.55%、CH4：0.38%、CO2：9.60%，即該段煤氣平均分子量M均=11.5698 g/mol。假定煤氣泄孔位于管徑d=200mm的管道上，泄孔截面為圓形，直徑為30mm，即泄孔面積A= 7.07×10-4m2。由于該段煤氣屬于多原子氣體，經計算其泄露流動屬于聲速流動，即泄漏速率數學表達式為[2、3]：

式中：Q—氣體泄漏速度，kg/m3；Cd—氣體泄漏系數，1.00；k—氣體絕熱指數；A—裂口面積，m2；M—相對分子質量，kg/mol；P—容器壓力，Pa；T—氣體溫度，K；R一理想氣體的普氏比例常數，8.314J/（mol·K）。將相關數據帶入式（2.2）可計算出煤氣泄漏的速率為Q=1.616 kg/m3。

3 煤氣泄漏危害區域劃分

按照CO急性中毒后對人體的危害程度為依據，劃定其危害濃度范圍[4、5]：致死區外邊界濃度值Cs=1170mg/m3；重傷區外邊界濃度值Cz=292.5mg/m3；輕傷區外邊界濃度值Cq=58.5 mg/m3。另外利用氣體濃度轉化公式將CO危害邊界濃度值轉化為煤氣危害邊界濃度值，可得焦爐煤氣的致死、重傷及輕傷的濃度值分別為：C煤氣s = 2.6076g/m3；C煤氣z = 0.6519g/m3；C煤氣q = 0.1304g/m3。

假定在郊區鄉村及大氣穩定度D等級條件下，上述工段的煤氣泄漏已超過10分鐘且屬于地面點源，可采用高斯煙羽煤氣連續泄漏模型對其危害區域進行計算分析，此時 、、μ=2.5m/s、y=0、z=0、Q=1.616 kg/m3。將焦爐煤氣的致死、重傷及輕傷的濃度值分別代入式（2.1）可得：死亡半徑Rs=X=135m；重傷半徑Rz=X=282m；輕傷半徑Rq=X=697m。利用軟件可繪制致死、重傷、輕傷邊界曲線圖，如圖3.1、圖3.2、圖3.3所示。

由煤氣泄漏擴散危害邊界曲線圖可以清晰地得知：當煤氣泄漏擴散后，在風速大小為2.5m/s的情況下，其能夠導致人員傷亡的大致范圍。從煤氣泄漏點至135m范圍內為人員致死區域；距離煤氣泄漏點135m～282m的范圍內為人員重傷區域；距離煤氣泄漏點282m～697m的范圍內為人員輕傷區域；大于泄漏點697m的范圍為人員安全區域。

4 風速與泄孔面積對煤氣泄露擴散的影響

（1）假定焦爐煤氣泄漏發生時，除風速外其它條件不變。取風速為μ1=3.5m/s和μ2=4.5m/s分別計算煤氣泄漏擴散下風向的危害最遠距離X：

當μ1=3.5m/s時，致死半徑X=113m；重傷半徑X=235m；輕傷半徑X=574m。當μ2=4.5m/ss時，致死半徑X=99m；重傷半徑X=205m；輕傷半徑X=497m。另外，結合當風速為μ=2.5m/s時的危害最遠距離X，利用軟件可繪制煤氣泄漏后不同風速對傷害半徑的影響曲線圖，如圖4.1所示。

（2）假定焦爐煤氣泄漏發生時，除泄孔口徑外其它條件不變。取圓形泄孔直徑為40mm和50mm分別計算煤氣泄漏擴散下風向的危害最遠距離X：

當泄孔直徑為40mm即面積A=12.56×10-4m2時，致死半徑Rs=X=232m；重傷半徑Rz=X=498m； 輕傷半徑Rq=X=1290m。當泄孔直徑為50mm即面積A=19.63×10-4m2時，致死半徑Rs=X=232m；重傷半徑Rz=X=498m； 輕傷半徑Rq=X=1290m。另外，結合當泄孔直徑為30mm即面積A=7.07×10-4m2時的危害最遠距離X，利用軟件可繪制煤氣泄漏后不同泄孔面積對傷害半徑的影響曲線圖，如圖4.2所示。

由風速與泄孔面積對煤氣擴散的影響曲線圖4.1、圖4.2可知：風速越大越利于煤氣的擴散，煤氣擴散的危害半徑就越小，人員受傷害的機率也將會減小；泄漏面積越大，煤氣泄漏量也隨之增大，與泄漏面積相應的下風向傷害半徑也會增大，發生煤氣中毒的范圍隨之增大，人員受傷害的機率也將增大。因此當煤氣泄漏擴散發生時，為了能夠及時避免人員傷亡及經濟損失，一方面要安排搶險人員迅速堵住煤氣泄露口，二是及時組織人員向上風向進行快速疏散。

5 結語

煤氣安全關系到千家萬戶的幸福安康，同時更是所有煤氣生產使用企業賴以生存與發展的基石。近年來我國煤氣泄漏事故頻發，造成了嚴重的人員傷亡及經濟財產損失，針對煤氣泄漏事故，可以通過危害區域分析及影響因素控制來做好相關應對策略，從而最大限度地降低人員傷亡及經濟損失。企業在經營發展的同時，務必響應習近平主席的號召，樹立“以人為本，生命至上”的崇高理念，堅守“發展決不能以犧牲生命為代價”這條“紅線”，加強安全法治 保障安全生產。

參考文獻：

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[3]田貫三.管道煤氣泄漏過程動態模擬的研究[J].山東建筑工程學院學報，1999，14（04）.

[4]耿麗艷.轉爐煤氣存儲系統的火災爆炸危險性評價[J].有色礦冶，2006，22（05）.

[5]王穎.基于高斯模型的有毒氣體瞬間泄漏傷害范圍[J].消防科學與技術，2010，29（11）.

作者簡介：謝洪嶺（1986-），男，山東單縣人，碩士研究生，注冊安全工程師，主要從事工程物業與安全品質監督管理工作。