站場天然氣放空擴散模擬程序設計

付昶宇 楊洋

1. 西南石油大學地球科學與技術學院 四川 成都 610500

2. 西南石油大學空間信息技術與大數據挖掘研究所 四川 成都 610500

站場放空是指在天然氣管道或者儲罐在運行過程中或進行維修、更換時，需要將內部的天然氣排放到大氣中的操作。站場放空會造成大量的能源損失和環境污染，利用高斯煙羽模型或者其他數值模擬方法，可以預測站場放空時天然氣擴散的范圍和影響程度，并根據預測結果制定合理的安全措施和應急方案。天然氣擴散是指天然氣在大氣中的運動和分布過程，是一種重要的環境問題。為了研究天然氣擴散的規律和影響因素，需要建立合適的數學模型和計算方法。高斯煙羽模型是一種經典而有效的大氣擴散模型，可以計算出下風向任一點的擴散濃度，在國內外有著廣泛的應用和深入的研究[1]。

1 基于高斯煙羽模型的天然氣擴散

1.1 高斯煙羽模型

高斯煙羽模型是一種常用于描述天然氣或其他氣體在大氣中的擴散和傳輸的數學模型。這個模型的基本原理涵蓋了污染物擴散和濃度分布，其核心思想是天然氣的濃度分布呈現出高斯（正態）分布，類似于煙羽形狀，因此被稱為高斯煙羽模型[2]。

高斯煙羽模型基于以下幾個關鍵假設：①污染源：模型首先需要確定天然氣泄漏的源頭和釋放速率。這可以是天然氣井口、管道破裂、儲氣罐泄漏等。②氣象條件：大氣中的氣象條件對天然氣擴散至關重要。風速、風向、大氣穩定性等因素會影響天然氣的傳輸路徑和速度。③高斯分布：高斯煙羽模型假設天然氣在水平和垂直方向上的濃度分布都近似地遵循高斯分布。這個分布呈現出鐘形曲線，最高濃度位于源頭附近，然后逐漸減小，符合統計學中的正態分布。④擴散系數：擴散系數是模型中的一個重要參數，用于描述天然氣的擴散速度和方式。它受大氣條件和天然氣性質的影響，通常需要根據實際情況進行估算或測量。⑤時間變化：模型還考慮了時間變化，以模擬不同時間點的天然氣濃度分布。這對應于源頭釋放速率隨時間的變化[3]。

基于以上假設，可以得到高斯煙羽公式，用于計算煙氣擴散濃度。該公式包含源強、風速、有效源高、擴散參數等因素[4]。高斯煙羽模式存在局限性，例如，在復雜地形或極端氣象條件下，該模式不適用或需要進行修正。

式中：Q為泄漏速率，mg/s；μ為泄漏時環境的平均風速，m/s；H為泄漏源有效高度，m；σy、σz分別為側風向、垂直風向的擴散系數；x、y、z分別為下風向距離、側風向距離、垂直風向距離，m；C為空間任意一點（x，y，z）在t時刻空氣中有毒物質的質量濃度，mg/m3。

1.2 排放源有效高度

排放煙氣在湍流作用下進行擴散，煙氣上升的那段高度即為煙云抬升高度。煙云抬升高度是影響大氣污染物擴散的重要因素之一，因此計算和預測煙云抬升高度對于環境影響評價和污染控制具有重要意義[5]。

許多因素影響煙云抬升高度，主要包括排放源的形式、環境風速和大氣穩定度等[8]。排放氣體的性質主要指溫度、密度、速度、流量等參數，它們決定了排放氣體的初始動力和浮力。一般來說，溫度越高、密度越小、速度越大、流量越大，排放氣體的動力和浮力越強，煙云抬升越高。排放源的形式主要指煙囪或噴口的高度、直徑、方向等特征，它們影響了排放氣體與周圍空氣的相對運動。一般來說，煙囪或噴口越高、越細、越垂直于地面，排放氣體與空氣的相對速度越大，煙云抬升越高。環境風速是指煙囪口或噴口處的平均風速，它影響了排放氣體與空氣的混合程度。一般來說，風速越小，排放氣體與空氣混合越慢，煙云抬升越高[6，7]。大氣穩定度是指大氣層結對于擾動的恢復能力，它影響了大氣中湍流強度和垂直溫度梯度。一般來說，大氣穩定度越小，湍流強度越大，垂直溫度梯度越小，煙云抬升越低。

由于煙云抬升過程涉及復雜的流體力學和傳熱學問題，目前還沒有一個普遍適用的理論模型來精確地描述和預測煙云抬升高度。上個世紀威爾森根據管道破裂泄漏實驗得到經驗公式。泄漏場景經驗公式同樣適用于放空計算。有效源高為排放源實際幾何高度與煙氣抬升高度相加。有效源高H可由式（2）求得：

式中：Vs是氣云釋放速度，m/s；d是放空管道出口直徑，m；V為風速，m/s。

1.3 擴散系數的選取

擴散系數σx、σy、σz的大小受離地高度、地面粗糙度、排放時間等許多因素影響。通常，大氣穩定度與擴散系數呈負相關。根據經驗公式，不同大氣穩定度下的擴散系數如表1所示：

表1 擴散系數計算公式

1.4 濃度范圍劃分

可燃氣云是指由于天然氣與空氣混合后，在一定體積內形成的可燃性混合物?？扇細庠频男纬墒艿蕉喾N因素的影響，如天然氣的物理化學性質、放空參數、環境條件、地形地貌等?？扇細庠频奈ｋU性主要取決于其濃度是否在爆炸極限范圍內，以及是否存在足夠強度和能量的點火源[6-8]。

爆炸極限是指可燃性混合物能夠發生爆炸反應的最低濃度和最高濃度。對于天然氣來說，其爆炸極限范圍約為4.5%～16.5%（體積分數）。如果可燃氣云濃度低于4.5%，則混合物過稀無法點燃；如果高于16.5%，則混合物過濃缺乏足夠的氧氣支持燃燒。只有當可燃氣云濃度在爆炸極限范圍內，并且遇到火花、明火、靜電、機械摩擦等點火源時，才可能引發火災或爆炸事故?；馂幕虮ㄊ鹿蕰е赂邷馗邏翰?、毒性煙霧、碎片飛濺等次生災害，對人員傷亡和財產損失造成巨大影響。

2 基于高斯煙羽模型的擴散模擬軟件設計

基于高斯煙羽模型的擴散模擬C#軟件設計是一種利用高斯煙羽模式來計算大氣中污染物濃度分布的軟件。該軟件的設計目的是為了方便相關人員進行空氣污染擴散模擬和分析，以評估污染源對周圍環境的影響，或者制定合理的污染控制措施。該軟件使用C#語言編寫，基于NET Framework平臺開發，采用Windows窗體應用程序的形式，界面友好，操作簡便。該軟件還使用了一些第三方庫進行數學運算、圖形繪制等。

程序包含基本參數輸入界面，及程序主界面。根據實際情況輸入參數，點擊“擴散模擬”就可以計算當前工況下的擴散結果見圖1a。點擊“擴散范圍表”還可以對查看各濃度區間的準確范圍值見圖1b。

圖1 程序模擬結果

根據程序輸出結果，天然氣放空擴散過程受到風速、風向、排放速率等因素的影響。天然氣放空擴散過程中會形成一定范圍內的可燃氣體云團，并隨著時間推移而變化，通過對可燃氣體云團進行定性和定量分析，可以了解其形狀、大小、位置和濃度等特征。通過對可燃氣體云團進行擴散模擬，可以配合相關部門進行有效的疏散和撤離，并對天然氣生產工程中的放空條件決策、減少火災和爆炸事故發生概率起到至關重要作用。

3 結束語

通過擴散模擬，可以配合相關部門進行有效的疏散和撤離，對天然氣生產工程中的放空條件決策、減少火災和爆炸的可能性起到至關重要的作用。擴散模擬可以為相關部門提供科學依據和參考數據，如確定安全距離、警戒區域、風險等級等，并及時通知周邊人員和單位做好防護措施。擴散模擬還可為相關部門提供有效指導和建議，如選擇最佳放空時間段、最佳放空方向等，并調整設備參數和操作方式以減少放空量和時間。擴散模擬還可以為相關部門提供緊急支持和協助，如在發生非計劃性放空時及時預測擴散情況，并組織有序有效地疏散和撤離受影響人員，并盡快消除點火源并控制排放源?？傊?，在天然氣生產工程中，對天然氣放空進行分析和處理是保障安全生產和社會穩定的重要手段。通過程序測試進行擴散模擬可以為相關部門提供有力支持，并減少可能發生的火災或爆炸事故。