基于高斯煙羽模型的液化氣體泄露擴散模擬分析與研究
——以含硫天然氣為例

◇中石油遼河油田安全環保技術監督中心 沈凌云

液化氣體泄漏之后，容易引發中毒、火災、爆炸等事故，不但會污染環境，而且會造成巨大的人員傷亡和財產損失。因此，本文以含硫天然氣為例，使用Gaussian煙羽模型對液化氣體泄漏擴散進行了數值模擬。結果表明：Gaussian煙羽模型可以有效模擬含硫天然氣泄漏之后的擴散情況，并且可以快速劃分氣體泄漏擴散的影響區域，進而給事故應急救援工作提供科學的指導，從而最大限度地減少人員傷亡和財產損失。

近些年以來，隨著我國經濟的迅速發展，對于液化天然氣、液化氨氣、液化氯氣等液化氣體的需求量逐年遞增。這些液化氣體均屬于危險化學品，具有易燃、易爆、毒性大等特點，為了方便存儲和運輸，一般都是將其進行壓縮液化處理。在實際生產、使用等過程中，很多因素都會導致液化氣體發生泄漏，雖然偶有發生，但是所造成的危害極大，容易引發中毒、火災以及爆炸等事故，輕則造成環境污染、生態破壞，重則造成財產損失和人員傷亡[1-2]。一旦液化氣體發生泄漏，如果可以快速預測其擴散趨勢和濃度分布范圍，就可以準確地劃分泄漏氣體的危險區域，給事故應急救援工作提供科學的指導，從而最大限度地減少人員傷亡和財產損失。因此，如何快速和準確地模擬液化氣體泄露的擴散規律，從而預測泄漏事故的影響范圍，是目前人們關注的熱點和難點。本文以含硫天然氣為例，使用高斯（Gaussian）煙羽模型對液化氣體擴散進行了數值模擬。

1 液化氣體泄漏擴散模型

在液化氣體泄漏之后，由于受到多種因素的影響，其擴散規律比較復雜，通常都是利用相應的氣體泄漏擴散模型對液化氣體泄漏的規律進行數值模擬。經過幾十年的研究，目前常用的氣體泄漏擴散模型有7種：①BM模型；②SLM模型；③Sutton模型；④Gaussian模型；⑤UDM模型；⑥CFD模型；⑦FEM3模型，每種模型都有相應的適用條件和優缺點，具體情況見表1[3-5]。在上述幾種模型中，由于Gaussian模型具有操作簡單、計算量較小、實用性強等特點，被廣泛應用于氣體擴散領域。

表1 不同氣體泄漏擴散模型對比

Gaussian模型主要有2種：①Gaussian煙團模型；②Gaussian煙羽模型。前者適用于大規模短時間泄漏的氣體模擬，后者適用于大規模長時間泄漏氣體模擬。由于很多有毒氣體都是輕氣及中性氣體，而且氣體泄漏時間較長，因此本文選用Gaussian煙羽模型進行介紹和分析。

由于Gaussian煙羽模型是在很多假設的基礎上推導出來的，具有一定的局限性，通常適用于以下5種情況：

（1）模擬單一氣體泄漏的擴散情況。

（2）氣體泄漏速度比較穩定，風速恒定，湍流均勻。

（3）氣體泄漏之后的化學轉化過程以及沉降過程可以忽略不計。

（4）環境風速應該大于或等于1m/s。

（5）與泄漏源的距離應該約束在3000米范圍之內（如果地形比較平坦，距離應該更短一些）。

在實際應用Gaussian煙羽模型進行氣體泄漏擴散模擬的過程中，最關鍵的一點就是計算擴散系數，而擴散系數與大氣穩定度關系密切。根據天氣情況以及泄漏點的地形條件等因素，可以將大氣穩定度分為A、B、C、D、E、F等6個級別，其對應的擴散系數，如表2所示[2,6]。

表2 不同大氣穩定條件下的擴散系數方程

2 液化氣體泄漏擴散影響區域劃分

一般情況下，當壓力容器和管道等設施中發生液化氣體泄漏時，在其泄漏點的下風向周圍將會形成一定范圍的影響區域。如果氣體中含有H2S、Cl2、NH3等有毒氣體，則擴散之后可以劃分4個影響區域：①安全區域；②吸入反應區域；③致傷區域；④致死區域，如圖1所示。這些區域的臨界濃度可以分為3個：①輕傷濃度；②重傷濃度；③致死濃度。

圖1 液化氣體泄漏擴散危險區域劃分示意圖

3 含硫天然氣泄漏擴散模擬

如果氣井生產的天然氣中含有一定量的H2S，需要通過集輸站處理，達到相應的標準之后，才能夠輸入管網之中，然后輸送給客戶使用。H2S是一種酸性氣體，腐蝕性比較強，長時間生產之后，會對管道和壓力容器造成一定的破壞，容易引發泄漏事故。另外，H2S是一種劇毒性氣體，一旦含硫天然氣發生泄漏，容易引發中毒、火災甚至爆炸等事故，不但會對企業造成不可估量的經濟損失，而且可能危及工作人員以及周圍居民的生命安全。

圖2 H2S泄漏擴散濃度分布圖

圖3 H2S泄漏擴散危險區域劃分圖

4 結論

（1）高斯煙羽模型可以有效地模擬液化氣體泄漏的情況，根據模擬的結果可以準確劃分泄漏擴散的危險區域，進而為應急事故救援及危害評估提供一定科學依據，從而盡可能地減少人員傷亡和經濟損失。

（2）本文僅是采用一種模型進行氣體泄漏擴散模擬，存在一定的局限性，而且考慮的影響因素較少，沒有進行深入地研究，在未來的研究中，應該采用多種模型進行對比分析，找到最合適的模型。

（3）高斯煙羽模型比較簡單，只是考慮壓力容器以及管道等暴露在空氣中的情況，并不能模擬埋藏在土壤中的容器或管道氣體泄漏的情況，因此在今后的研究中，應該加強這方面的研究，并建立適用于液化氣體土壤中的泄漏擴散模型。