燃气室内泄漏质量浓度模型与分析标准版.docx
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燃气室内泄漏质量浓度模型与分析标准版
燃气室内泄漏质量浓度模型与分析（标准版）
Safetyisinseparablefromproductionandefficiency.Onlywhensafetyisgoodcanweensurebetterproduction.Payattentiontosafetyatalltimes.
（安全论文）
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燃气室内泄漏质量浓度模型与分析（标准版）
备注：
安全与生产、效益是密不可分的。
只有安全好了，才能保证更好地生产。
生产中存在着一定的不安全隐患，与自然界作斗争,随时都会发生意想不到的事情，所以处处都要警惕、时时刻刻都要注意安全。
摘要：
建立并简化了燃气在室内泄漏后形成的浓度模型，分析了房间内泄漏燃气的浓度与泄漏时间、泄漏强度、换气次数和房间体积的关系。
指出在燃气发生泄漏事故采取措施降低浓度时，应注意整个空间及局部区域的燃气浓度分布。
关键词：
燃气泄漏；浓度模型；室内管道
ModelandAnalysisofIndoorGasLeakageMassConcentration
YUChang，TIANGuan-san
Abstract：
Theconcentrationmodelofindoorleakagegasisestablishedandsimplified.Therelationsofindoorleakagegasconcentrationtoleakagetime，leakageintensity，rateofventilationandroomvolumeareanalyzed.Itispointedoutthattheconcentrationdistributionofleakagegasinentirespaceandpartialareashouldbepaidattentionwhenmeasuresareadoptedforgasleakageaccidentstoreducetheconcentration.
Keywords：
gasleakage；concentrationmodel；indoorpipe
室内燃气管道系统因腐蚀穿孔、接口及阀门密封材料老化、安装质量不良等原因而造成燃气泄漏。
当燃气在泄漏空间与环境空气混合后浓度达到爆炸极限范围，就会形成燃烧爆炸区域，遇到点火源时就会引起着火，甚至爆炸。
本文从安全技术角度，分析燃气泄漏后在周围环境中形成的浓度变化规律，从而能够有针对性地去预防、抑制、消除泄漏气体导致的爆炸事故。
1室内燃气泄漏后燃气浓度模型[1、2]
当室内管道系统的燃气发生泄漏后，燃气以高速喷射到环境中，并带动周围空气随其流动。
通过分子扩散以及室内通风的混合作用，燃气由高浓度区向低浓度区扩散并迅速与周围空气进一步混合形成均匀混合的气体[3]
。
1.1浓度模型的建立
燃气在室内泄漏时，其泄漏源可分为瞬时源和连续源两种[4]
。
在有限空间爆炸而能够形成具有一定半径及高度的云团的泄漏源为瞬时源。
瞬时源具有泄放时间短、泄放速率快的特点。
例如，室内液化石油气钢瓶破裂或接口脱落、燃气管道断裂等原因造成的突然大量气体泄漏属于瞬时源；由于容器或管道系统腐蚀穿孔、接口及阀门密封材料老化等原因而产生气体泄漏的泄漏源为连续源，其特点是泄漏时间长，并且较稳定。
为了简化计算泄漏的燃气量。
认为当室内管遭系统发生泄漏时管道内的压力受泄漏状态的影响较小而忽略不计，泄漏源为定常态连续源，即泄漏强度是与泄漏时间无关的稳定量。
燃气泄漏到室内环境中的质量可由下式确定：
m=qm
t
（1）
式中m——燃气泄漏量，kg
qm
——燃气泄漏强度，kg/s
t——泄漏时间，s
为了建立燃气泄漏后形成的浓度模型，作以下假设：
泄漏的燃气和室内空气的混合过程瞬间完成，认为泄漏到室内的燃气浓度呈均匀分布；室内存在不同程度的自然通风，认为通风为等温过程；室外空气及开始泄漏之前室内空气中燃气含量均为零。
根据以上假设，则在微小的时间间隔dt内，燃气泄漏到室内的质量与从室内排出的质量之差应该等于整个房间内燃气质量的变化量，即：
qm
dt-ρqv
dt=VF
dρ
（2）
ρt=0
=0（3）
式中ρ——燃气的质量浓度，kg/m3
qv
——单位时间通风量，m3
/s
VF
——房间容积，m3
将式
（2）变形为微分形式并运用初始条件式（3）对其积分可得下式：
对式（4）进行交换，可得到任意时刻室内燃气质量浓度计算公式：
1.2浓度模型的简化
当式（6）成立时，可对非线性函数式（4）进行简化。
将等式右侧用幂级数展开并忽略高阶无穷小项，近似取展开式前两项进行，则式（4）可简化为用于确定单位时间通风量的计算式（7）。
当泄漏时间t趋近无穷大时，有式（8）成立。
此时，可近似认为室内燃气浓度已趋于稳定，则式（5）可简化为式（9）。
实际工程中，一般习惯用房间换气次数来表示单位时间的通风量，房间换气次数按下式确定：
式中n——房间换气次数，次/h
引入房间换气次数后，式（5）、（7）和（9）可分别改写为如下形式：
2燃气泄漏浓度模拟计算与分析
本文对3中常用的城市燃气（焦炉煤气、天然气、气态液化石油气）泄漏后在室内环境形成的质量浓度与泄漏时间、泄漏强度、换气次数，房间容积的关系进行了模拟分析。
所选用的3中燃气的组成见表1。
通过计算，确定上述3种城市燃气的质量爆炸下限[5]
：
焦炉煤气为21.95g/m3
，天然气为37.87g/m3
，LPG为41.79g/m3
。
表1焦炉煤气、天然气与液化石油气的组成
%
燃气名称
体积分数/%
H2
C0
CH4
C2
H6
C3
H6
C3
H8
C4
H8
C4
H10
C5
+
N2
02
C02
焦炉煤气
59.O
8.6
23.6
0.0
2.0
0.0
0.0
0.0
0.0
1.2
3.6
2.0
天然气
0.0
0.0
96.5
0.2
0.0
0.0
0.0
1.7
0.0
1.0
0.0
O.6
LPG
O.0
0.0
1.5
1.0
9.0
4.5
54.0
26.2
3.8
0.O
0.0
0.O
在模拟计算时，作如下没定条件：
燃气通过室内管道系统穿孔泄漏且泄漏强度为常量；燃气泄漏后与房间内空气的混合过程瞬间完成，忽略泄漏源位置对房间燃气浓度分布的影响，因此计算的浓度为与空间位置无关的整个房间的均一浓度；泄漏房间可通过门窗改变通风量且不考虑门窗位置，认为通风对室内燃气浓度的稀释是均匀的；对于房间容积的选取，由于目前我国城镇居民住宅厨房的面积差异较大，根据建设部2006年发布的《住宅整体厨房》标准，对于未来新建住宅厨房的使用面积不应小于4m2
，本文计算时取厨房使用面积为2～17m2
，按国标规定居民建筑的净层高不小于2.6m，因此厨房的容积为5～45m3
。
①燃气质量浓度与泄漏时间的关系
燃气泄漏到室内环境后，随着时间的推移，燃气浓度随之发生变化。
为了分析泄漏房间内燃气质量浓度与泄漏时间的关系，计算时考虑居民住宅厨房大小，选取房间体积为15m3
，泄漏强度为1.0g/s，通过改变换气次数进行模拟，结果见图1。
可以看出，在泄漏强度一定的条件下，燃气浓度受通风的影响较大，且换气次数越大影响越明显。
当换气次数大于5.0次/h、泄漏时间大于1500s时，室内燃气的质量浓度基本趋于稳定。
而当换气次数较小时，在泄漏时间内通风对泄漏燃气浓度的稀释作用较弱。
同时，可以通过计算确定出上述3种燃气在不同换气次数条件下房间内燃气浓度达到爆炸下限所需的时间，计算结果见表2。
可以看出，换气次数越大，房间内燃气浓度达到爆炸下限的时间越延后。
对于天然气和LPG，当换气次数大于10.0次/h时，泄漏到室内的燃气浓度不会达到爆炸极限范围内，即不存在整个空间同时达到爆炸极限的情况。
但这并不说明使用该类燃气的居民用户就不存在安全隐患，因为在泄漏点附近的局部区域内，燃气的浓度可能会达到或超过爆炸下限而形成局部危险区，当遇到点火源时会引起局部爆燃或火灾。
表2燃气在泄漏空间达到爆炸下限的时间
燃气名称
泄漏房间通风换气次数n/（次·h-1
）
0.5
1.0
2.0
5.0
10.0
焦炉煤气
337
345
364
440
886
天然气
592
618
683
1120
∞
LPG
656
689
771
1472
∞
②燃气质量浓度与泄漏强度的关系
燃气泄漏强度对房间内形成的燃气浓度影响较大，为了分析燃气质量浓度与泄漏强度的关系，取计算条件：
房间体积为15m3
，泄漏时间为300s，模拟结果见图2。
可以看出，在相同的泄漏时间内，泄漏强度越大，泄漏空间内的燃气浓度也越大。
当泄漏强度达到10.0g/s、换气次数分别为0.5次/h和10.0次/h时，房间内的燃气质量浓度分别达到196g/m3
和136g/m3
，均超过3种城市燃气的爆炸下限，存在安全隐患。
③燃气质量浓度与换气次数的关系
为了分析在不同的泄漏强度和泄漏时间条件下泄漏房间内燃气质量浓度与换气次数的关系，选取房间体积为15m3
进行模拟，结果见图3。
可以看出，当泄漏强度较小时，通风对泄漏的燃气的稀释效果较好；泄漏强度越大，通风稀释的效果越差。
当泄漏强度超过5.0g/s时，在泄漏时间内通风对泄漏燃气基本无稀释作用。
因此，当管道泄漏口较大、管道系统泄漏压力突降而出现快速泄漏时，由于在较短的时间内通风对泄漏的燃气稀释作用较差而导致很快在室内环境中形成可燃危险区域。
当泄漏强度不变时，随着换气次数的增加，房间内的燃气浓度会逐渐减小。
实际上，当门窗处于关闭状态时，房间的换气次数只有0.5～1.0次/h，在短时间内不能有效降低燃气的浓度。
因此，当察觉燃气泄漏时应立即开启门窗，其自然换气次数可达到10.0次/h以上，增加通风量，从而迅速降低燃气的浓度。
对于发生的管道破裂等快速泄漏事故，在泄漏点喷射范围以外的区域，由于燃气自身的扩散能力有限，故其主要扩散方式是随室内气流运动而扩散。
对于房间内的角落或障碍物处往往是通风的死角，而这些区域恰好是不利于燃气扩散导致燃气形成高浓度聚集的区域。
因此，即使室内燃气浓度计算值低于爆炸下限，但在泄漏点附近及通风死角的燃气高浓度聚集区域内，其浓度仍然会达到爆炸极限。
为了保证安全，实际稀释所需的通风量要比式（12）计算值大。
在消除室内燃气过程中，应注意通风死角，利用启动排风扇等措施进行扰动，尽快降低高浓度区燃气浓度。
④燃气质量浓度与房间容积的关系
为了分析燃气质量浓度与泄漏房间体积的关系，在泄漏时间分别为100s和300s,泄漏强度均为1.0g/s时进行计算，结果分别见图4、5。
可以看出，在泄漏强度一定时，随着房间体积的增大，燃气的浓度逐渐减小。
对于容积为5～45m3
的房间，当泄漏时间为100s,换气次数为0.5～10.0次/h时，室内燃气的质量浓度均小于以上3种燃气的爆炸下限，即不存在整个房间同时达到爆炸极限的情况。
当泄漏时间为300s时，对于房间体积为5m3
、换气次数分别为0.5、5.0、10.0次/h时，燃气质量浓度分别为58.76、49.07、40.71g/m3
，此时焦炉煤气和天然气的质量浓度均超过其爆炸下限，而LPG仅在换气次数为10.0次/h时，略低于其爆炸下限；当房间体积超过15m3
时，房间内的燃气质量浓度均低于3种燃气的爆炸下限。
由此可见，房间体积越大，室内燃气浓度达到爆炸极限的时间越延后。
3结论
①在相同的泄漏时间内，燃气泄漏强度越大，房间容积越小，换气次数越少，泄漏空间内的燃气浓度就越大。
当燃气浓度达到或超过爆炸极限下限时，遇到点火源会引起整个空间爆燃或火灾。
②燃气泄漏强度较小时，通风对泄漏的燃气的稀释效果较好；泄漏强度较大时，在短时间内通风稀释的效果较差。
对于所选的3种城市燃气，当泄漏强度超过5.0g/s时，在较短的泄漏时间内通风对泄漏气体基本无稀释作用，容易很快在室内环境中形成可燃危险区域。
③可通过改变通风量对泄漏空间的燃气浓度施加影响。
当发现泄漏时，应立即开启门窗，增加通风量降低浓度；对于发生的快速泄漏事故，应注意泄漏源附近以及通风死角处的局部高浓度区，即使整个空间燃气浓度低于爆炸下限，但在这些区域的浓度仍然会超过爆炸下限。
此时，可利用启动排风扇等措施进行扰动，尽快降低燃气浓度。
参考文献：
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天津大学，2000.
[3]同济大学，重庆建筑工程学院，哈尔滨建筑工程学院，等.燃气燃烧与应用（第2版）[M].北京：
中国建筑工业出版社，1988.
[4]彭世尼.燃气安全技术[M].重庆：
重庆大学出版社，2005.
[5]段常贵.燃气输配（第3版）[M].北京：
中国建筑工业出版社，2001.
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