基于MATLAB的煤气泄漏扩散高斯模型影响范围的研究.docx
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基于MATLAB的煤气泄漏扩散高斯模型影响范围的研究
工业煤气基于MATLAB仿真的泄漏扩散影响研究
摘要：
本文的研究目的是研究企业范围空间煤气泄漏的扩散规律和影响范围。
采用matlab模拟煤气泄漏后CO的浓度分布和扩散距离规律。
通过建立煤气泄漏扩散数学模型,对其影响煤气扩散的主要因素进行了分析、探讨了煤气毒性范围的划分,然后在对煤气泄漏造成的危害和泄漏原因的基础上，运用扩散模型，计算煤气泄露扩散影响范围，然后用MATLAB对此进行模拟，得出不同的距离下煤气的浓度，并对其进行分析。
因为大气稳定度、风速对煤气泄漏扩散的浓度影响起着非常重要的作用。
大气稳定度和风速会显著改变有害气体的扩散状态。
在风速和泄漏增大时,煤气在开放空间扩散距离大,影响范围广,应合理布置煤气监控点,预防煤气中毒。
本文还鉴于煤气泄漏的危害之大，根据CO的特性,对于煤气柜这种重大危险源的管理和控制可以得出一些经验，为采取措施预防其危害提供一定的依据。
关键词：
煤气泄漏；MATLAB；数值模拟；扩散
一、前言
煤气泄漏的研究的背景及意义
我国当代工业以煤炭为主要能源的结构特点,决定了我国大多数工业企业的生产性气源以焦炉煤气和高炉煤气等为主,而煤气具有易燃易爆性!
易散发性!
剧毒性的特点,随着煤气在石油!
化工!
冶金等行业的广泛应用,也随之增加了煤气在工业场所发生泄漏!
扩散并且导致人员中毒!
火灾甚至爆炸发生的危险性和可能性"例如,2002年12月4日,天津西青开发区某厂房发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,湖北大冶市一公司发生煤气中毒事故,当班的4名工人因中毒相继坠入料仓死亡;2005年4月21日,内蒙古自治区乌海市同力冶炼有限责任公司发生高炉煤气泄漏事故,造成2人中毒死亡;2005年n月5日,包头市大安钢铁公司发生煤气泄漏事故,当场造成5人中毒死亡,1人受伤;2005年的10月26日,首钢动力厂发生一起煤气中毒事故,共有9人丧生;而时隔8个月,即2006年6月10日首钢动力厂再次煤气泄漏事故,至少有7人中毒,其中2人经抢救无效死亡"此类事故举不胜举"
近几年来市场对煤气及其相关产品的需求增大,企业不断扩大生产能力,同时煤气事故的次数也居高不下,鉴于以上事实,我们发现:
工业场所煤气一旦发生事故性泄漏,往往会酿成人员中毒伤亡的严重后果,另外,若遇火源还可能导致火灾或爆炸等事故造成重大损失"因此,为减少因煤气事故泄漏事故带来的人员及财产损失,对工业场所煤气的泄漏!
扩散进行数值模拟分析,加强对其微观规律的研究,为制定相应的煤气中毒预防及事故减灾策略有重要的理论意义"近年来我国工业煤气事故性泄漏屡有发生,尤其严重的是2005年和2006年首钢动力厂连续两次发生煤气泄漏事故,并造成重大人员伤亡,此事件发人深省"其重要原因之一就是人们对工业场所煤气泄漏扩散的规律不甚了解,尤其是煤气泄漏扩散后中毒伤害范围的变化,安全警戒撤离距离的确定等信息不能及时获得,从而延误了中毒区域内人员的救援时机,造成重大人员和财产损失"工业场所煤气泄漏扩散是一个综合而又复杂的过程,泄漏物质,泄源高度及面积!
泄漏速度!
泄漏时间!
大气稳定度!
地形等参数对扩散都有着重要的影响"因此,如何对工业场所煤气泄漏扩散的过程进行有效的模拟,以及时!
准确!
有效地获得各种参数,为煤气泄漏事故的应急救援提供科学依据就显得十分迫切"
国内外的研究现状
"国外在这方面的研究相对成熟,直到现在该领域的研究还比较活跃"国外学者提出了不少扩散的计算模型,同时也进行了许多大规模试验"主要的数值扩散模型有高斯（Gaussianplume/Puffmodel）,BM（BritterandMeQuaid）模型Sutton模型DEM（3一DFiniteElementModel）等等"高斯模型适用于点源的扩散,早在五六十年代就己经被应用"它从统计方法入手,考察扩散介质的浓度分布,适用于中等密度气团（非重气）扩散的模拟"烟羽模型（Plumemodel）适用于连续源的扩散,烟团模型（Puffmodel）适用于短时间泄漏的扩散（即泄放时间相对于扩散时间比较短的情形,如突发性泄漏等）"高斯模型具有简单,易于理解,运算量小的特点,且由于提出的时间比较早,实验数据多,因而较为成熟"
高斯（Gauss）模型属于非重气扩散模型,只适用于与空气密度相差不多的气体扩散"但是,大多数危险性物质一旦泄漏到大气环境中就会由于较重的分子质量（如C12）低温和化学变化（如HF）等原因形成比周围环境气体重的重气云,重气云的扩散机理与非重气云完全不同"因此,重气云扩散机理的研究是国外众多学者竞相研究的热点课题"国际上曾多次召开有关重气云扩散研究及其预防控制方面的系列学术会议,促进了重气云扩散的研究"到目前为止,已提出大约200个重气云扩散模型"重气云扩散模型可分为经验模型、箱模型、浅层模型以及三维流体力学模等等"
随着计算机的普及和计算能力的不断提高,加上近似计算方法,例如,有概述限差分法、有限元法、有限体积法等的发展,基于数值计算的计算流体力学（ComputationalFluidD0amics,CFD）方法形成并得到了迅速的发展"正是England等（1978年）触发了采用CFD方法模拟重气扩散的三维非定常态湍流流动过程"这种数值方法是通过建立各种条件下的基本守恒方程（包括质量、动量、能量及组分等）,结合一些初始和边界条件,加上数值计算理论和方法,从而实现预报真实过程各种场的分布,例如,流场、温度场、浓度场等,以达到对扩散过程的详细描述"用这种方法就克服了箱及相似模型中辨识和模拟重气的下沉、空气的卷吸、气云的受热等各种物理效应时所遇到的许多问题。
我国关于有毒有害气体泄漏、扩散的研究起步较晚,始于九十年代初期,且投入力量尚不多八五期间,中国石油化工集团公司安全工程研究院（原化工部劳动保护研究所）对有毒物质的泄漏扩散进行了研究,在总结和建立有毒物质泄漏模式及泄漏源模型的基础上提出了泄漏扩散的HLY模型,该模型与国外一些著名的泄漏扩散模型相比与试验数据的吻合程度更好。
另外,北京市危险源控制技术研究中心自1997年成立以来,一直将泄漏计算机仿真技术研究作为其主攻方向之一,不断进行泄漏扩散模型和风洞模拟实验研究,先后完成了有毒物质泄漏扩散模型及监控技术研究有毒重气泄漏模拟实验与扩散模型研究、毒物泄漏扩散模型研究等科研课题,并将部分成果应用于一些环境卫生和安全与评价项目;大连理工大学在国家自然科学基金的资助下,通过对现有的扩散模型进行了研究分析,从气体动力学入手,通过对气体微元进行质量平衡、动量平衡、能量平衡的分析,采用平板模型并在风洞实验的基础上对可燃及毒性气体的扩散过程进行了研究；北京化工大学对重气扩散的过程进行了分析,采用涡粘性模型中的k一双方程模型对模型中的扩散系数进行了修正,并对整个重气扩散过程进行了模拟,模拟结果与试验结果符合程度较好;南京工业大学在国家自然科学基金重点项目的资助下对泄漏物质在大气环境中的扩散过程也进行了较系统深入的研究。
此外,北京市劳动保护科学研究所、东北大学、北京理工大学等单位也都开展了这方面的研究,也取得了一定的成果"
二、煤气扩散危险区域模拟的基本理论
煤气的毒性
易燃易爆：
煤气中含有大量的一氧化碳等可燃气体，见明火或着火点以上的高温就会燃烧，而且易中毒。
一氧化碳是一种无色无味无刺激性的气体，是一种易燃易爆的气体么一氧化碳毒性很大，工业卫生标准规定空气中的一氧化碳最高允许浓度为30mg/m。
当空气中一氧化碳浓度达到250mg/m是2-3个小时极有可能出现中毒症状，空气中得一氧化碳浓度达到1000mg/m时两小时可导致昏迷，如果浓度再高危险则越大，严重者当场死亡。
如果煤气泄漏遇到助燃物加明火、静电、闪电或操作不当等都会引起爆炸、燃烧、火灾，在密闭空间会使人缺氧、窒息，甚至死亡，给公司的安全生产和国家及人民生命财产带来不可估量的损失。
2、一般情况下,煤气柜区煤气泄漏的原因有以下几点:
1）、煤气设备和管道发生破损、各处水封由于系统压力突然升高,可能会造成跑煤气现象从而导致操作人员煤气中毒。
2）、加压机管道连接处、阀门处密封不严密,煤气泄漏有可能导致中毒事故。
3）、煤气柜放散系统及燃烧放散管,遇煤气压力波动及自然气候的低气压天气,煤气放散管烧嘴因故障熄灭,未能及时发现（排除）隐患,可能引起煤气放散下风侧多人中毒的重大伤亡事故。
4）、煤气柜和管道都用钢材建设,储存的气体对气柜和管道有一定的腐蚀作用,在炼厂冶炼废气较多的环境下,外部的SO2,H2S,CO2均对钢结构有较强的腐蚀作用,特别是SO2腐蚀危害对钢结构有较大影响。
除了大气和煤气中所带的腐蚀因素之外,煤气柜体焊缝等处由于金属与金属、金属与非金属因内外氧浓差不同形成浓差电池,缝隙内为阳极易被腐蚀产生泄漏。
大部分冶炼厂中的煤气柜系统均需隔一到二年即进行防腐蚀处理,否则将会因为腐蚀而出现煤气到处泄漏的情况
3、煤气扩散过程中的主要影响因素
（1）泄漏源的情况。
一般情况下,可以根据泄漏面积的大小和泄漏持续时间的长短,将泄漏源进行分类。
泄漏包括:
泄漏位置,裂孔的形状、尺寸;气体压力和温度等;事故发生地点及周围的地理环境;泄漏形式是连续泄漏或是瞬时泄漏。
（2）泄漏物质的理化性质,如分子量、沸点、闪点、比重、密度。
（3）环境条件,包括大气稳定度,风速、风向、气温以及泄漏源周围的地形地貌。
大气稳定度表征湍流活动的强弱,支配大气对污染物的稀释扩散能力,大气越稳定,气云越不易向高空消散,而贴近地表扩散,大气越不稳定,空气垂直对流运动越强,气云消散得越快;风向决定泄漏气体的扩散方向,风速决定泄漏气体的扩散速度。
大气湿度对泄漏气体的扩散也有影响,通常情况下,湿度大则使气体不易扩散;气温或太阳辐射强弱主要是通过影响大气垂直对流运动而对气体的扩散产生影响。
二、煤气扩散高斯模型
从应用角度出发，目前国内外在实际操作中使用的大气扩散模型，多属描述中等密度云扩散的高斯模型及其变形模型。
国家制定的《制定地方大气污染物排放标准的技术方法）（GB／T13201—91）亦推荐该模型。
由于在毒气扩散的全过程中，中等密度气云在大气中达到最大伤害面积。
持续时间最长，通常将这个过程作为标绘重点。
高斯模型又称高架连续点源扩散模型，适用于连续点源扩散和中等密度毒气云团的伤害范围估算。
当泄露毒气或毒气与空气混合后的密度接近空气密度时，重力下沉与浮力上升作用可以忽略，扩散主要是由空气湍流决定，在假设均匀湍流场的条件下，根据统计理论。
有害物质在扩散截面的浓度呈高斯分布，所以称为高斯扩散。
由于该模型建立比较早，数学运算简单，实验数据充分，因此得到广泛应用。
在稠密气团（重气）扩散场合。
由于重力作用时间非常短暂，也可以
直接采用高斯模型。
高斯模型适用条件如下：
（1）云团下垫面近似水平，开阔、性质均匀；
（2）扩散过程中污染物不发生化学反应，没有干沉降、降水清洗等衰减作用；
（3）云团与空气相对运动可以忽略不计，即随大气一起运动，平均流场平直稳定，平均风速和风向没有先住变化，平均风速不小于lm／s；
（4）适用于尺度不超过20km的扩散。
因此，设释放源投影点为坐标原点，z轴指向风向；考虑地面反射作用，可得到烟羽模型的浓度分布计。
式
（1）
式中，
——下风向某点处的空气污染物的浓度；
Q：
源强即气体的流量或浓度，kg／S；
He：
毒气源的有效高度，m；
u：
毒气源所在高度的平均风速，m／s；
Y：
侧风方向离泄露源点的距离，m；
z：
垂直向上方的离泄露源点的距离，m。
——分别为水平方向和垂直方向的扩散参数，他们是下风距离x及大气稳定度的函数。
三、MATLAB软件介绍
20世纪80年代初期，Moler等一批数学家与软件专家组建了Mathworks软件开发公司，从事MATLAB的研究和开发，1984年MathworkS公司推出第一个MATLAB商业版本，其核心是用C语言编写，主要面对科学计算、可视化及交互式程序设计等。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件
四、用高斯模型计算某厂区煤气泄漏影响范围
1、煤气柜基本情况
其平面布置见下图：
有关边界条件:
平均风速：
武汉地区常年平均风速为1.8m/s，取u=1.5m/s；煤气中CO含量取30%；武汉地区大气稳定度按B级考虑；（大气稳定度为不稳定）只考虑下风向轴线处浓度，y=0；柜顶煤气放散管直径为1.2m，放散高度按柜顶（H=99m）考虑
2、用高斯模型计算煤气泄漏影响范围
在气罐遭到破坏后．其煤气扩散均以连续点源扩散为主在煤气扩散过程中．很明显．其最高煤气的质量浓度将出现在下风向的轴线上我们所关心的数据为地面煤气质量浓度．所以可用Y=0．z=0，来简化计算。
则高斯烟羽计算模型变为以下形式：
式
（2）
简化高架连续点源高斯模式的扩散公式．并运用Matlab对点源毒气扩散进行模拟计算．得到了在一定风速下的地面毒气浓度范围和安全间距．为消除其遭到破坏后产生的次生灾害提供了必要的参考数据。
气体或蒸汽经小孔泄漏,因压力降低而膨胀,该过程可视为绝热过程。
假设气体符合理想气体状态方程,则根据柏努利方程可推导出如下的气体泄漏
式（3）
式中:
Q为气体泄漏流量/kg·s-1;Cd为排放系数,当裂口形状为圆形时取1.00,三角形时取0.195,长方形时取0.190;A为泄漏口面积/m2;P为容器内气体压力/Pa;P0为环境压力/Pa;k为绝热指数,是等压比热容与等容比热容的比值;M为气体的分子量/kg·mol-1;R为气体常数,取81314J/mol·K。
不同下垫面的Z0的值
下垫面特征
粗糙度/cm
平坦地面
0.001
较大深度积雪面（>20cm）
0.05
短草积雪面
0.1-0.2
半沙漠
0.3
裸露硬地
1.0
耕地
1.0-3.0
植物覆盖
3.7-9.0
市镇
100
城市
200
根据相关资料可知，泄漏口直径为1.2m，所以泄漏口为圆形Cd取1.00。
容器内燃气的绝对压力为P=101KPa+8.5KPa=109.5KPa。
k取1.4；
摩尔质量M=28*0.3+29*0.7=28.7g/mol。
R为常数8.314。
假定煤气柜所处环境温度T=273+25=298K。
结合上述公式经过计算可得煤气柜泄漏强度Q=92.24kg/s。
对于连续源的扩散系数
和
相应的关系式见表，假设
。
泄漏源有效高度：
指泄漏气体形成的气云基本上变成水平状的时候气云中心的离地高度。
实际上为泄漏源几何高度加泄漏烟云抬升高度，即：
H=Hs+△H
其中，Hs为泄漏源几何高度，△H为烟云抬升高度.
实验表明，烟云泄漏源抬升高度可以用下面的公式近似计算：
△H =2.4Vsd/V
其中，Vs为气云释放速度，单位m/s；d为泄漏口直径，单位m；V为环境风速，单位m/s。
所以有效高度H=99+2.4×13.7×1.2÷1.5=125.3m
表2.1扩散系数关系表
根据资料可知，煤气柜所处的大气稳定度为B级，查表可得
，同理可得
根据上述资料可知,H=125.3m,M=28.7g/mol，
=30%以及各区域的煤气浓度分别代入式
（2），然后再用MATLAB对浓度和距离的关系进行模拟。
五、用MATLAB对泄漏模型进行分析
根据高斯模型空间某点的气体浓度计算公式，不考虑y轴的扩散，即y=0，用matlab模拟下风向的一氧化碳浓度与距离的关系如下图所示：
CO的致死浓度是30mg/m3，通过上述数值模拟结果可知，在沿着下风向轴线距离约4000m内，会受到此次煤气泄漏扩散的影响。
且在沿着下风向轴线约距离1200m处，所受到的影响最大。
结论：
鉴于以上煤气泄漏的危害之大，所以根据CO的特性,对于煤气柜这种重大危险源的管理和控制可以得出以下经验:
1、气柜区各个方向应装设室外自动一氧化碳报警仪,便于工作期间及时发现煤气泄漏情况。
2、气柜区应设立醒目的风向标,气压计,可以指导气柜区内外下风向人员加强自我防范意识。
当大气压低,雨雪天气时,不能随意进行煤气放散。
一般天气煤气放散时特别要提醒下风向人群注意防护。
3、因为CO与空气的平均分子量差不多,如新建煤气柜,选址位于高处有利于CO扩散。
4、煤气柜区要注意定期防腐,防止钢材腐蚀造成泄漏。
[1-4]
References:
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