基于MATLAB的煤氣泄漏擴散高斯模型影響范圍的研究

1、工業(yè)煤氣基于MATLAB仿真的泄漏擴散影響研究摘要：本文的研究目的是研究企業(yè)范圍空間煤氣泄漏的擴散規(guī)律和影響范圍。采用matlab模擬煤氣泄漏后CO 的濃度分布和擴散距離規(guī)律。通過建立煤氣泄漏擴散數(shù)學模型, 對其影響煤氣擴散的主要因素進行了分析、探討了煤氣毒性范圍的劃分, 然后在對煤氣泄漏造成的危害和泄漏原因的基礎(chǔ)上，運用擴散模型，計算煤氣泄露擴散影響范圍，然后用MATLAB對此進行模擬，得出不同的距離下煤氣的濃度，并對其進行分析。因為大氣穩(wěn)定度、風速對煤氣泄漏擴散的濃度影響起著非常重要的作用。大氣穩(wěn)定度和風速會顯著改變有害氣體的擴散狀態(tài)。在風速和泄漏增大時, 煤氣在開放空間擴散距離大, 影響

2、范圍廣, 應(yīng)合理布置煤氣監(jiān)控點, 預(yù)防煤氣中毒。本文還鑒于煤氣泄漏的危害之大，根據(jù)CO 的特性,對于煤氣柜這種重大危險源的管理和控制可以得出一些經(jīng)驗，為采取措施預(yù)防其危害提供一定的依據(jù)。關(guān)鍵詞： 煤氣泄漏； MATLAB；數(shù)值模擬； 擴散一、前言煤氣泄漏的研究的背景及意義我國當代工業(yè)以煤炭為主要能源的結(jié)構(gòu)特點,決定了我國大多數(shù)工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)性氣源以焦爐煤氣和高爐煤氣等為主,而煤氣具有易燃易爆性!易散發(fā)性!劇毒性的特點,隨著煤氣在石油!化工!冶金等行業(yè)的廣泛應(yīng)用,也隨之增加了煤氣在工業(yè)場所發(fā)生泄漏!擴散并且導(dǎo)致人員中毒!火災(zāi)甚至爆炸發(fā)生的危險性和可能性例如,2002年12月4日,天津西青開發(fā)區(qū)某

3、廠房發(fā)生一起一氧化碳泄漏事故,造成3人中毒死亡;2005年2月22日,湖北大冶市一公司發(fā)生煤氣中毒事故,當班的4名工人因中毒相繼墜入料倉死亡;2005年4月21日,內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市同力冶煉有限責任公司發(fā)生高爐煤氣泄漏事故,造成2人中毒死亡;2005年n月5日,包頭市大安鋼鐵公司發(fā)生煤氣泄漏事故,當場造成5人中毒死亡,1人受傷;2005年的10月26日,首鋼動力廠發(fā)生一起煤氣中毒事故,共有9人喪生;而時隔8個月,即2006年6月10日首鋼動力廠再次煤氣泄漏事故,至少有7人中毒,其中2人經(jīng)搶救無效死亡此類事故舉不勝舉近幾年來市場對煤氣及其相關(guān)產(chǎn)品的需求增大,企業(yè)不斷擴大生產(chǎn)能力,同時煤氣事故的次

4、數(shù)也居高不下,鑒于以上事實,我們發(fā)現(xiàn):工業(yè)場所煤氣一旦發(fā)生事故性泄漏,往往會釀成人員中毒傷亡的嚴重后果,另外,若遇火源還可能導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸等事故造成重大損失因此,為減少因煤氣事故泄漏事故帶來的人員及財產(chǎn)損失,對工業(yè)場所煤氣的泄漏!擴散進行數(shù)值模擬分析,加強對其微觀規(guī)律的研究,為制定相應(yīng)的煤氣中毒預(yù)防及事故減災(zāi)策略有重要的理論意義近年來我國工業(yè)煤氣事故性泄漏屢有發(fā)生,尤其嚴重的是2005年和2006年首鋼動力廠連續(xù)兩次發(fā)生煤氣泄漏事故,并造成重大人員傷亡,此事件發(fā)人深省其重要原因之一就是人們對工業(yè)場所煤氣泄漏擴散的規(guī)律不甚了解,尤其是煤氣泄漏擴散后中毒傷害范圍的變化,安全警戒撤離距離的確定等信息

5、不能及時獲得,從而延誤了中毒區(qū)域內(nèi)人員的救援時機,造成重大人員和財產(chǎn)損失工業(yè)場所煤氣泄漏擴散是一個綜合而又復(fù)雜的過程,泄漏物質(zhì),泄源高度及面積!泄漏速度!泄漏時間!大氣穩(wěn)定度!地形等參數(shù)對擴散都有著重要的影響因此,如何對工業(yè)場所煤氣泄漏擴散的過程進行有效的模擬,以及時!準確!有效地獲得各種參數(shù),為煤氣泄漏事故的應(yīng)急救援提供科學依據(jù)就顯得十分迫切國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀國外在這方面的研究相對成熟,直到現(xiàn)在該領(lǐng)域的研究還比較活躍國外學者提出了不少擴散的計算模型,同時也進行了許多大規(guī)模試驗主要的數(shù)值擴散模型有高斯(Gaussianplume/Puffmodel),BM(BritterandMeQuaid)模

6、型Sutton模型 DEM(3一DFiniteElementModel)等等高斯模型適用于點源的擴散,早在五六十年代就己經(jīng)被應(yīng)用它從統(tǒng)計方法入手,考察擴散介質(zhì)的濃度分布,適用于中等密度氣團(非重氣)擴散的模擬煙羽模型(Plumemodel)適用于連續(xù)源的擴散,煙團模型(Puffmodel)適用于短時間泄漏的擴散(即泄放時間相對于擴散時間比較短的情形,如突發(fā)性泄漏等)高斯模型具有簡單,易于理解,運算量小的特點,且由于提出的時間比較早,實驗數(shù)據(jù)多,因而較為成熟高斯(Gauss)模型屬于非重氣擴散模型,只適用于與空氣密度相差不多的氣體擴散但是,大多數(shù)危險性物質(zhì)一旦泄漏到大氣環(huán)境中就會由于較重的分子質(zhì)

7、量(如C12)低溫和化學變化(如HF)等原因形成比周圍環(huán)境氣體重的重氣云,重氣云的擴散機理與非重氣云完全不同因此,重氣云擴散機理的研究是國外眾多學者競相研究的熱點課題國際上曾多次召開有關(guān)重氣云擴散研究及其預(yù)防控制方面的系列學術(shù)會議,促進了重氣云擴散的研究到目前為止,已提出大約200個重氣云擴散模型重氣云擴散模型可分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀⑾淠Ｐ汀\層模型以及三維流體力學模等等隨著計算機的普及和計算能力的不斷提高,加上近似計算方法,例如,有概述限差分法、有限元法、有限體積法等的發(fā)展,基于數(shù)值計算的計算流體力學(ComputationalFluidD0amics,CFD)方法形成并得到了迅速的發(fā)展正是Engl

8、and等(1978年)觸發(fā)了采用CFD方法模擬重氣擴散的三維非定常態(tài)湍流流動過程這種數(shù)值方法是通過建立各種條件下的基本守恒方程(包括質(zhì)量、動量、能量及組分等),結(jié)合一些初始和邊界條件,加上數(shù)值計算理論和方法,從而實現(xiàn)預(yù)報真實過程各種場的分布,例如,流場、溫度場、濃度場等,以達到對擴散過程的詳細描述用這種方法就克服了箱及相似模型中辨識和模擬重氣的下沉、空氣的卷吸、氣云的受熱等各種物理效應(yīng)時所遇到的許多問題。我國關(guān)于有毒有害氣體泄漏、擴散的研究起步較晚,始于九十年代初期,且投入力量尚不多八五期間,中國石油化工集團公司安全工程研究院(原化工部勞動保護研究所)對有毒物質(zhì)的泄漏擴散進行了研究,在總結(jié)和建

9、立有毒物質(zhì)泄漏模式及泄漏源模型的基礎(chǔ)上提出了泄漏擴散的HLY模型,該模型與國外一些著名的泄漏擴散模型相比與試驗數(shù)據(jù)的吻合程度更好。另外,北京市危險源控制技術(shù)研究中心自1997年成立以來,一直將泄漏計算機仿真技術(shù)研究作為其主攻方向之一,不斷進行泄漏擴散模型和風洞模擬實驗研究,先后完成了有毒物質(zhì)泄漏擴散模型及監(jiān)控技術(shù)研究有毒重氣泄漏模擬實驗與擴散模型研究、毒物泄漏擴散模型研究等科研課題,并將部分成果應(yīng)用于一些環(huán)境衛(wèi)生和安全與評價項目;大連理工大學在國家自然科學基金的資助下,通過對現(xiàn)有的擴散模型進行了研究分析,從氣體動力學入手,通過對氣體微元進行質(zhì)量平衡、動量平衡、能量平衡的分析,采用平板模型并在風

10、洞實驗的基礎(chǔ)上對可燃及毒性氣體的擴散過程進行了研究；北京化工大學對重氣擴散的過程進行了分析,采用渦粘性模型中的k一雙方程模型對模型中的擴散系數(shù)進行了修正,并對整個重氣擴散過程進行了模擬,模擬結(jié)果與試驗結(jié)果符合程度較好;南京工業(yè)大學在國家自然科學基金重點項目的資助下對泄漏物質(zhì)在大氣環(huán)境中的擴散過程也進行了較系統(tǒng)深入的研究。此外,北京市勞動保護科學研究所、東北大學、北京理工大學等單位也都開展了這方面的研究,也取得了一定的成果二、煤氣擴散危險區(qū)域模擬的基本理論煤氣的毒性易燃易爆：煤氣中含有大量的一氧化碳等可燃氣體，見明火或著火點以上的高溫就會燃燒，而且易中毒。一氧化碳是一種無色無味無刺激性的氣體，是

11、一種易燃易爆的氣體么一氧化碳毒性很大，工業(yè)衛(wèi)生標準規(guī)定空氣中的一氧化碳最高允許濃度為30mg/m。當空氣中一氧化碳濃度達到250mg/m是2-3個小時極有可能出現(xiàn)中毒癥狀，空氣中得一氧化碳濃度達到1000mg/m時兩小時可導(dǎo)致昏迷，如果濃度再高危險則越大，嚴重者當場死亡。如果煤氣泄漏遇到助燃物加明火、靜電、閃電或操作不當?shù)榷紩鸨?、燃燒、火?zāi)，在密閉空間會使人缺氧、窒息，甚至死亡，給公司的安全生產(chǎn)和國家及人民生命財產(chǎn)帶來不可估量的損失。2、一般情況下,煤氣柜區(qū)煤氣泄漏的原因有以下幾點:1）、煤氣設(shè)備和管道發(fā)生破損、各處水封由于系統(tǒng)壓力突然升高,可能會造成跑煤氣現(xiàn)象從而導(dǎo)致操作人員煤氣中毒。

12、2）、加壓機管道連接處、閥門處密封不嚴密,煤氣泄漏有可能導(dǎo)致中毒事故。3）、煤氣柜放散系統(tǒng)及燃燒放散管,遇煤氣壓力波動及自然氣候的低氣壓天氣,煤氣放散管燒嘴因故障熄滅,未能及時發(fā)現(xiàn)(排除) 隱患,可能引起煤氣放散下風側(cè)多人中毒的重大傷亡事故。4）、煤氣柜和管道都用鋼材建設(shè),儲存的氣體對氣柜和管道有一定的腐蝕作用,在煉廠冶煉廢氣較多的環(huán)境下,外部的SO2 ,H2S ,CO2 均對鋼結(jié)構(gòu)有較強的腐蝕作用,特別是SO2 腐蝕危害對鋼結(jié)構(gòu)有較大影響。除了大氣和煤氣中所帶的腐蝕因素之外,煤氣柜體焊縫等處由于金屬與金屬、金屬與非金屬因內(nèi)外氧濃差不同形成濃差電池,縫隙內(nèi)為陽極易被腐蝕產(chǎn)生泄漏。大部分冶煉廠中

13、的煤氣柜系統(tǒng)均需隔一到二年即進行防腐蝕處理,否則將會因為腐蝕而出現(xiàn)煤氣到處泄漏的情況3、煤氣擴散過程中的主要影響因素( 1)泄漏源的情況。一般情況下, 可以根據(jù)泄漏面積的大小和泄漏持續(xù)時間的長短, 將泄漏源進行分類。泄漏包括: 泄漏位置, 裂孔的形狀、尺寸; 氣體壓力和溫度等; 事故發(fā)生地點及周圍的地理環(huán)境; 泄漏形式是連續(xù)泄漏或是瞬時泄漏。( 2)泄漏物質(zhì)的理化性質(zhì), 如分子量、沸點、閃點、比重、密度。( 3)環(huán)境條件, 包括大氣穩(wěn)定度, 風速、風向、氣溫以及泄漏源周圍的地形地貌。大氣穩(wěn)定度表征湍流活動的強弱, 支配大氣對污染物的稀釋擴散能力,大氣越穩(wěn)定, 氣云越不易向高空消散, 而貼近地表

14、擴散, 大氣越不穩(wěn)定, 空氣垂直對流運動越強, 氣云消散得越快; 風向決定泄漏氣體的擴散方向, 風速決定泄漏氣體的擴散速度。大氣濕度對泄漏氣體的擴散也有影響, 通常情況下, 濕度大則使氣體不易擴散;氣溫或太陽輻射強弱主要是通過影響大氣垂直對流運動而對氣體的擴散產(chǎn)生影響。二、煤氣擴散高斯模型從應(yīng)用角度出發(fā)，目前國內(nèi)外在實際操作中使用的大氣擴散模型，多屬描述中等密度云擴散的高斯模型及其變形模型。國家制定的制定地方大氣污染物排放標準的技術(shù)方法)(GBT1320191)亦推薦該模型。由于在毒氣擴散的全過程中，中等密度氣云在大氣中達到最大傷害面積。持續(xù)時間最長，通常將這個過程作為標繪重點。高斯模型又稱高

15、架連續(xù)點源擴散模型，適用于連續(xù)點源擴散和中等密度毒氣云團的傷害范圍估算。當泄露毒氣或毒氣與空氣混合后的密度接近空氣密度時，重力下沉與浮力上升作用可以忽略，擴散主要是由空氣湍流決定，在假設(shè)均勻湍流場的條件下，根據(jù)統(tǒng)計理論。有害物質(zhì)在擴散截面的濃度呈高斯分布，所以稱為高斯擴散。由于該模型建立比較早，數(shù)學運算簡單，實驗數(shù)據(jù)充分，因此得到廣泛應(yīng)用。在稠密氣團(重氣)擴散場合。由于重力作用時間非常短暫，也可以直接采用高斯模型。高斯模型適用條件如下：(1)云團下墊面近似水平，開闊、性質(zhì)均勻；(2)擴散過程中污染物不發(fā)生化學反應(yīng)，沒有干沉降、降水清洗等衰減作用；(3)云團與空氣相對運動可以忽略不計，即隨大氣

16、一起運動，平均流場平直穩(wěn)定，平均風速和風向沒有先住變化，平均風速不小于lms；(4)適用于尺度不超過20km的擴散。因此，設(shè)釋放源投影點為坐標原點，z軸指向風向；考慮地面反射作用，可得到煙羽模型的濃度分布計。 式（1）式中， 下風向某點處的空氣污染物的濃度；Q：源強即氣體的流量或濃度，kgS；He：毒氣源的有效高度，m；u：毒氣源所在高度的平均風速，ms； Y：側(cè)風方向離泄露源點的距離，m； z：垂直向上方的離泄露源點的距離，m。分別為水平方向和垂直方向的擴散參數(shù)，他們是下風距離x及大氣穩(wěn)定度的函數(shù)。三、MATLAB軟件介紹20世紀80年代初期，Moler等一批數(shù)學家與軟件專家組建了Mathw

17、orks軟件開發(fā)公司，從事MATLAB的研究和開發(fā)， 1984年MathworkS公司推出第一個MATLAB商業(yè)版本，其核心是用C語言編寫，主要面對科學計算、可視化及交互式程序設(shè)計等。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言(如C、Fortran)的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。到20世紀90年代，MATLAB已成為國際控制界的標準計算軟件四、用高斯模型計算某廠區(qū)煤氣泄漏影響范

18、圍1、煤氣柜基本情況其平面布置見下圖：有關(guān)邊界條件:平均風速：武漢地區(qū)常年平均風速為1.8 m/s，取u=1.5 m/s；煤氣中CO含量取30%；武漢地區(qū)大氣穩(wěn)定度按B級考慮；(大氣穩(wěn)定度為不穩(wěn)定)只考慮下風向軸線處濃度，y=0；柜頂煤氣放散管直徑為1.2m，放散高度按柜頂（H=99m）考慮2、用高斯模型計算煤氣泄漏影響范圍在氣罐遭到破壞后其煤氣擴散均以連續(xù)點源擴散為主 在煤氣擴散過程中很明顯其最高煤氣的質(zhì)量濃度將出現(xiàn)在下風向的軸線上 我們所關(guān)心的數(shù)據(jù)為地面煤氣質(zhì)量濃度所以可用Y=0z=0，來簡化計算。則高斯煙羽計算模型變?yōu)橐韵滦问剑菏剑?）簡化高架連續(xù)點源高斯模式的擴散公式并運用Matlab

19、對點源毒氣擴散進行模擬計算得到了在一定風速下的地面毒氣濃度范圍和安全間距為消除其遭到破壞后產(chǎn)生的次生災(zāi)害提供了必要的參考數(shù)據(jù)。氣體或蒸汽經(jīng)小孔泄漏,因壓力降低而膨脹,該過程可視為絕熱過程。假設(shè)氣體符合理想氣體狀態(tài)方程,則根據(jù)柏努利方程可推導(dǎo)出如下的氣體泄漏 式（3）式中: Q 為氣體泄漏流量/ kgs - 1 ; Cd 為排放系數(shù),當裂口形狀為圓形時取1.00 ,三角形時取0.195 ,長方形時取0.190 ; A 為泄漏口面積/ m2 ; P 為容器內(nèi)氣體壓力/ Pa ; P0 為環(huán)境壓力/ Pa ; k 為絕熱指數(shù),是等壓比熱容與等容比熱容的比值; M 為氣體的分子量/kgmol - 1

20、; R 為氣體常數(shù),取81314 J / molK。不同下墊面的Z0的值下墊面特征粗糙度/cm平坦地面0.001較大深度積雪面（20cm）0.05短草積雪面0.1-0.2半沙漠0.3裸露硬地1.0耕地1.0-3.0植物覆蓋3.7-9.0市鎮(zhèn)100城市200根據(jù)相關(guān)資料可知，泄漏口直徑為1.2m，所以泄漏口為圓形Cd取1.00。容器內(nèi)燃氣的絕對壓力為P=101KPa+8.5KPa=109.5KPa。k取1.4；摩爾質(zhì)量M=28*0.3+29*0.7=28.7g/mol。R為常數(shù)8.314。假定煤氣柜所處環(huán)境溫度T=273+25=298K。結(jié)合上述公式經(jīng)過計算可得煤氣柜泄漏強度Q=92.24kg/

21、s。對于連續(xù)源的擴散系數(shù)和相應(yīng)的關(guān)系式見表，假設(shè)。泄漏源有效高度：指泄漏氣體形成的氣云基本上變成水平狀的時候氣云中心的離地高度。實際上為泄漏源幾何高度加泄漏煙云抬升高度，即：H=Hs+H其中，Hs為泄漏源幾何高度，H為煙云抬升高度.實驗表明，煙云泄漏源抬升高度可以用下面的公式近似計算：H=2.4Vsd/V其中，Vs為氣云釋放速度，單位m/s；d為泄漏口直徑，單位m；V為環(huán)境風速，單位m/s。所以有效高度H=99+2.413.71.21.5=125.3m表2.1擴散系數(shù)關(guān)系表根據(jù)資料可知，煤氣柜所處的大氣穩(wěn)定度為B級，查表可得，同理可得根據(jù)上述資料可知,H=125.3m, M=28.7g/mol

22、，=30%以及各區(qū)域的煤氣濃度分別代入式（2），然后再用MATLAB對濃度和距離的關(guān)系進行模擬。五、用MATLAB對泄漏模型進行分析根據(jù)高斯模型空間某點的氣體濃度計算公式，不考慮y軸的擴散，即y=0，用matlab模擬下風向的一氧化碳濃度與距離的關(guān)系如下圖所示：CO的致死濃度是30mg/m3，通過上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，在沿著下風向軸線距離約4000m內(nèi)，會受到此次煤氣泄漏擴散的影響。且在沿著下風向軸線約距離1200m處，所受到的影響最大。結(jié)論：鑒于以上煤氣泄漏的危害之大，所以根據(jù)CO 的特性,對于煤氣柜這種重大危險源的管理和控制可以得出以下經(jīng)驗:1、氣柜區(qū)各個方向應(yīng)裝設(shè)室外自動一氧化碳報警儀,便于工作期間及時發(fā)現(xiàn)煤氣泄漏情況。2 、氣柜區(qū)應(yīng)設(shè)立醒目的風向標 ,氣壓計,可以指導(dǎo)氣柜區(qū)內(nèi)外下風向人員加強自我防范意識。當大氣壓低,雨雪天氣時,不能隨意進行煤氣放散。一般天氣煤氣放散時特別要提醒下風向人群注意防護。3、 因為CO 與空氣的平均分子量差不多,如新建煤氣柜,選址位于高處有利于CO 擴散。4、煤氣柜區(qū)要注意定期防腐,防止鋼材腐蝕造成泄漏。1-4References:1.T