基于ALOHA的輸氣管道泄漏危害范圍研究

陳 浩

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司陸豐油田作業(yè)區(qū)，廣東 深圳 518067）

0 前 言

隨著天然氣需求的不斷增加，我國的輸氣管道工程建設(shè)也得到了快速發(fā)展。在管道運(yùn)行的過程中，因管道密封、人為破壞、管材質(zhì)量或腐蝕等原因?qū)е碌墓艿佬孤┦鹿暑l繁發(fā)生[1-2]。目前，輸氣管道的發(fā)展方向?yàn)榇笾睆?、高壓力管道，且部分管段通過人口密集或環(huán)境敏感區(qū)域，因此，一旦發(fā)生管道泄漏，造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失將極為嚴(yán)重，而預(yù)測(cè)泄漏危害影響范圍對(duì)于人員疏散和順利開展應(yīng)急救援具有重要意義[3-4]。天然氣泄漏的研究方法主要包括室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，其中數(shù)值模擬具有成本低、易于復(fù)現(xiàn)、適用范圍廣等特點(diǎn)，PHAST[5]、ALOHA[6]和CFD[7-8]軟件是應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值模擬方法。針對(duì)管徑813mm 的全尺寸管道斷裂事故，李云濤等[9]采用FLACS、PHAST 和ALOHA 軟件進(jìn)行模擬，其中ALOHA 軟件可模擬最大泄漏速率和穩(wěn)定泄漏速率，模擬結(jié)果全面，且三者在噴射火事故上的模擬結(jié)果相似，由此證明了ALOHA 軟件準(zhǔn)確性和科學(xué)性?；诖耍ㄟ^控制變量法，利用ALOHA 軟件對(duì)輸氣管道泄漏事故進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和事故后果趨勢(shì)分析，并結(jié)合多元線性回歸擬合影響因素與傷害距離的關(guān)系，以期快速合理的劃分警戒范圍，為應(yīng)急救援提供實(shí)際參考。

1 數(shù)學(xué)模型和參數(shù)設(shè)置

1.1 數(shù)學(xué)模型

長距離輸氣管道因烴露點(diǎn)的要求，甲烷含量通常高于98%，根據(jù)點(diǎn)火時(shí)間、空間約束情況對(duì)后果進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)的事故后果有爆炸、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸(BLEVE)、火球、蒸汽云爆炸、閃火、氣體擴(kuò)散等，其中所有的事故后果均基于氣體擴(kuò)散類型，氣體擴(kuò)散后果的影響范圍也遠(yuǎn)大于其余事故后果。ALOHA 軟件中內(nèi)置的氣體擴(kuò)散模型有DEGADIS 重氣擴(kuò)散模型和中性氣體高斯模型，甲烷的分子量為16，比空氣輕，在管道外的近場(chǎng)射流和遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散屬于地面連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式，故采用高斯煙羽模型較為合適，其中，泄漏物質(zhì)的質(zhì)量濃度計(jì)算公式為

式中：c（x，y，z）——泄漏物質(zhì)在坐標(biāo)系（x，y，z）處的質(zhì)量濃度，kg/m3；

Qm——泄漏源強(qiáng)，kg/s；

H——泄漏點(diǎn)高度，m；

V——風(fēng)速，m/s；

σy、σz——泄漏擴(kuò)散系數(shù)，與下風(fēng)向距離、大氣穩(wěn)定度等有關(guān)。

1.2 參數(shù)設(shè)置

以某5#～6#閥室之間的輸氣管道為例進(jìn)行分析，閥室間距為8 km，管體管徑為1 219 mm，管體壁厚為12 mm，管道設(shè)計(jì)壓力為9 MPa，運(yùn)行壓力為8 MPa，在管道正西方向500 m 處有一處居民樓。輸氣管道主要計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 輸氣管道主要計(jì)算參數(shù)

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，1 h 內(nèi)管道的泄漏速率變化趨勢(shì)如圖1 所示，由圖1 可知，管道的最大泄漏速率為6 040 kg/min，隨著泄漏時(shí)間的延長，泄漏速率呈階梯狀下降，且管道在1 h 內(nèi)仍未泄漏完畢，具有較大的安全隱患。

圖1 1 h內(nèi)管道泄漏速率的變化趨勢(shì)

目前，ALOHA 采用毒性危害等級(jí)描述人體在氣體云團(tuán)中暴露一定時(shí)間下的危害程度，按照甲烷影響程度的不同，采用急性爆炸暴露水平（AEGL）的指導(dǎo)限值計(jì)算毒性危害范圍。其中，在AEGL-1對(duì)應(yīng)的濃度區(qū)域內(nèi)，人體會(huì)有明顯不適或某些無癥狀特征，但這種影響暫時(shí)可逆；在AEGL-2 對(duì)應(yīng)的濃度區(qū)域內(nèi)，人體將長期遭受不良影響，產(chǎn)生昏迷或中毒，喪失逃生能力；在AEGL-3 對(duì)應(yīng)的濃度區(qū)域內(nèi)，人體會(huì)出現(xiàn)健康威脅或死亡。AEGL-1、AEGL-2和AEGL-3三種暴露水平下的氣體體積分?jǐn)?shù)閾值分別為0.29%、1%和1.7%。該場(chǎng)景下的泄漏范圍如圖2 所示，由圖2 可知，三種暴露水平下的毒氣傷害距離分別為653 m、349 m 和268 m，而居民樓位于管道東側(cè)500 m 處，顯然已經(jīng)在AEGL-1 的濃度范圍內(nèi)，居民樓存在一定風(fēng)險(xiǎn)，也為應(yīng)急救援帶來一定困難。

圖2 氣體泄漏范圍

2 結(jié)果與討論

2.1 初始條件影響

2.1.1 泄漏尺寸

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)得出不同泄漏孔徑對(duì)泄漏危害范圍的影響如圖3 所示，由圖3 可知，在同一濃度范圍內(nèi)，隨泄漏孔徑的增大，泄漏危害范圍先增大后減小。當(dāng)d/D≤ 0.2時(shí)（d為泄漏孔徑，D為管道直徑），即為小孔泄漏模型時(shí)，泄漏危害范圍與泄漏孔徑呈正相關(guān)；當(dāng)d/D＞0.2 時(shí)，即為大孔泄漏模型時(shí)，泄漏危害范圍與泄漏孔徑呈負(fù)相關(guān)。

圖3 不同泄漏孔徑對(duì)泄漏危害范圍的影響

2.1.2 管道長度

根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于線路截?cái)嚅y室的規(guī)定，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)地區(qū)對(duì)應(yīng)的管段長度分別為32 000 m、24 000 m、16 000 m和8 000 m，由于站內(nèi)管道長度較小，因此，針對(duì)站內(nèi)管道泄漏問題，增加三個(gè)管道長度值用于模擬（ALOHA 軟件中要求管道長度大于200 倍的管道直徑），分別為300 m、500 m、1 000 m。保持表1 中數(shù)據(jù)不變，僅改變管道長度，得到不同管道長度與泄漏危害范圍的關(guān)系如圖4 所示。雖然管道長度增加，管容增加，但在一定的泄漏時(shí)間內(nèi)，不同泄漏速率下對(duì)應(yīng)的氣體泄漏總量變化不大，且由圖4可知，當(dāng)管道長度大于1 000 m 時(shí)，管道長度對(duì)泄漏危害范圍的影響較小。

圖4 不同管道長度對(duì)泄漏危害范圍的影響

2.1.3 管道壓力

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，僅改變管道壓力，最小壓力根據(jù)壓縮機(jī)最低吸入壓力確定，最大壓力取設(shè)計(jì)壓力，得到不同管道壓力與泄漏危害范圍的關(guān)系如圖5 所示。由圖5 可知，在同一濃度范圍內(nèi)，隨著管道壓力的增大，泄漏危害范圍逐漸增大，且AEGL-1 的危害范圍增大速度遠(yuǎn)大于AEGL-2 和AEGL-3，這可能與甲烷和空氣發(fā)生卷吸，其遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散受近場(chǎng)射流、地形地貌和風(fēng)速的影響更大有關(guān)。

圖5 不同管道壓力對(duì)泄漏危害范圍的影響

2.2 環(huán)境條件影響

2.2.1 風(fēng)速

參照該管道所在地區(qū)的常年最大風(fēng)速和最小風(fēng)速，結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)，僅改變風(fēng)速，得到不同風(fēng)速下與泄漏危害范圍的關(guān)系如圖6所示。隨著風(fēng)速的增加，泄漏危害范圍逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速大于9 m/s 時(shí)，危害范圍不再增大，表明存在極限風(fēng)速。這是由于隨著風(fēng)速的增大，大氣湍流強(qiáng)度和對(duì)云團(tuán)的稀釋程度也逐漸增大，從管內(nèi)減壓和近場(chǎng)射流攜帶的初始擴(kuò)散動(dòng)能減弱，導(dǎo)致危害范圍減小；而當(dāng)風(fēng)速增加到一定程度后，周圍羽流的夾帶空氣進(jìn)入云團(tuán)頂部，使下風(fēng)向的危害范圍不再增加。

圖6 不同風(fēng)速對(duì)泄漏危害范圍的影響

2.2.2 地面粗糙度

地面粗糙度體現(xiàn)了管道敷設(shè)所在地的環(huán)境情況，地面粗糙度為5 mm 表示泥濘地或雪地，周邊沒有植被和建筑物；地面粗糙度為30 mm表示開闊平整的草地或孤立的建筑物；地面粗糙度為100 mm 表示地面有低矮的農(nóng)作物，覆蓋面積較??；地面粗糙度為250 mm 表示地面有較高的農(nóng)作物，覆蓋面積較大；地面粗糙度為500 mm 表示城郊房舍、有樹叢的開闊草地或灌木叢；地面粗糙度為1 m 表示有周圍均為較大的障礙物；地面粗糙度為2 m 表示城市中心，人口較多。根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)，僅改變地面粗糙度，探究不同風(fēng)速下與泄漏危害范圍的關(guān)系，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知，在同一濃度范圍內(nèi)，隨著地面粗糙度的增加，泄漏危害范圍先增大后減小、再增大再減小，這與不同的粗糙度選用的區(qū)域方程不同有關(guān)，但總體來說，環(huán)境越復(fù)雜，地面粗糙度越大，低濃度云團(tuán)的平流運(yùn)輸越困難，阻礙效應(yīng)越明顯，擴(kuò)散范圍越小，且當(dāng)?shù)孛娲植诙葹? m 時(shí)，擴(kuò)散范圍最小，危害范圍最小。

圖7 不同地面粗糙度對(duì)泄漏危害范圍的影響

3 多元線性回歸

通過上述模擬分析，利用Originlab 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的多元線性回歸，引入多個(gè)解釋變量，對(duì)泄漏危害范圍的變化趨勢(shì)進(jìn)行多維度衡量和解釋，最終得到初始條件和實(shí)際環(huán)境條件影響下的泄漏危害范圍，以最大危害范圍AEGL-1 為例，考慮二元交互作用，其回歸方程為

式中：Z1——AEGL-1的危害范圍，m；

d——泄漏孔徑，mm；

L——管道長度，m；

P——管道壓力，MPa；

V——風(fēng)速，m/s；

A——地面粗糙度，mm。

對(duì)上述回歸方程及偏回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性分析，方差分析結(jié)果見表2。

表2 方差分析結(jié)果

由查表可知，F(xiàn)0.05（1，16）=4.49，F(xiàn)0.01（1，16）=8.53，F(xiàn)0.05（15，16）=3.55，F(xiàn)0.01（15，16）=2.42。由表2 可知，當(dāng)F0.05≤F≤F0.01時(shí)，表示變量對(duì)模擬結(jié)果影響顯著，用“*”表示；當(dāng)F＞F0.01時(shí)，表示變量對(duì)模擬結(jié)果非常顯著，用“**”表示；F＜F0.05時(shí)，表示變量對(duì)模擬結(jié)果不顯著，可以將不顯著的因素或交互項(xiàng)直接從回歸方程中剔除，將其并入殘差項(xiàng)，重新進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 不顯著項(xiàng)并入殘差項(xiàng)后的方差分析

綜上可知，影響AEGL-1 危害范圍的因素按顯著性從大到小依次為：泄漏孔徑、管道長度、管道壓力、風(fēng)速，而地面粗糙度對(duì)危害范圍的影響不顯著；交互因素中只有泄漏孔徑、管道壓力和風(fēng)速之間的交互項(xiàng)對(duì)危害范圍的影響顯著。

本次擬合的相關(guān)系數(shù)R2=0.999 785 6，失擬項(xiàng)不明顯，表明建立的回歸方程與實(shí)際情況擬合較好，重新進(jìn)行方差分析后，回歸方程依然非常顯著，簡化后的回歸方程為

將回歸方程與模擬工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比得到相對(duì)誤差，結(jié)果如圖8 所示?？梢姸嘣€性回歸的擬合精度較高，相對(duì)誤差范圍是-3.32～6.45，平均相對(duì)誤差為2.15%，滿足工程實(shí)踐要求，可為安全防護(hù)間距的設(shè)置提供理論依據(jù)。

圖8 回歸方程與模擬工況的相對(duì)誤差

4 最不利條件下的輸氣管道泄漏事故模擬

設(shè)置管道泄漏的孔徑為100 mm、管道壓力為9 MPa、風(fēng)速為1 m/s、地面粗糙度為100 mm，以上為模擬得到的最不利條件，將泄漏結(jié)果導(dǎo)入Google Map 中[10-11]，如圖9 所示。將泄漏危害最遠(yuǎn)距離設(shè)定為天然氣的下風(fēng)向最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離，同時(shí)設(shè)置居民區(qū)的坐標(biāo)為（500，0），觀察500 m處室內(nèi)外甲烷體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化情況。

圖9 甲烷泄漏后危害范圍實(shí)地變化情況

由圖9 可知，可設(shè)置AEGL-3 區(qū)域?yàn)榈谝痪鋮^(qū)，該區(qū)域內(nèi)人員若無防護(hù)措施，則人體暴露在毒氣中1 h 便會(huì)造成死亡，其下風(fēng)向最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離為458 m；設(shè)置AEGL-2區(qū)域?yàn)榈诙鋮^(qū)，該區(qū)域內(nèi)可不采取防護(hù)措施，人體暴露1 h 會(huì)造成不可逆或持續(xù)嚴(yán)重的后果，其下風(fēng)向最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離為599 m；設(shè)置AEGL-1區(qū)域?yàn)榈谌鋮^(qū)，該區(qū)域內(nèi)可不采取防護(hù)措施，人體暴露1 h 會(huì)感覺輕度不適，其下風(fēng)向最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離為1 000 m。而當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，居民區(qū)位于下風(fēng)向，室內(nèi)外的甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)最大值分別為1.43% 和0.367%。此時(shí)體積分?jǐn)?shù)雖未超過AEGL-3的極限值，但超過了AEGL-1的極限值，說明居民區(qū)與管道的安全距離不夠，應(yīng)擴(kuò)大安全距離或采取其他必要的防護(hù)措施。

5 結(jié) 論

（1）采用ALOHA 軟件模擬了不同因素下的輸氣管道泄漏擴(kuò)散過程，其中管道長度、管道壓力的增大會(huì)使管道泄漏導(dǎo)致的危害范圍增大，隨著泄露孔徑的增大，危害范圍呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，風(fēng)速增大、地面粗糙度增加，有利于減小泄漏危害范圍。

（2）通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸，比較了單因素和交互因素對(duì)危害范圍的顯著性，其中泄漏孔徑、管道長度、管道壓力、風(fēng)速對(duì)危害范圍的影響顯著，而地面粗糙度對(duì)危害范圍的影響不顯著；而對(duì)于交互因素，只有泄漏孔徑、管道壓力和風(fēng)速之間的交互對(duì)危害范圍的影響顯著。

（3）通過對(duì)最不利條件進(jìn)行模擬，得到甲烷泄漏后危害范圍的實(shí)地變化情況，設(shè)置了三個(gè)警戒區(qū)作為應(yīng)急救援的依據(jù)，此時(shí)室內(nèi)外的體積分?jǐn)?shù)超過了AEGL-1的極限值，說明居民區(qū)與管道的安全距離不夠，應(yīng)擴(kuò)大安全距離或采取其他必要的防護(hù)措施。