一种含硫天然气管道的泄漏中毒潜在影响区域计算方法

摘要

本发明公开了一种含硫天然气管道的泄漏中毒潜在影响区域计算方法，包括以下步骤：步骤一，根据输气管道设计资料和现场踏勘，收集管道的管径、壁厚、运行压力、天然气含硫量、所处地区的地表环境等基础数据；步骤二，根据基础数据对计算潜在影响区所需的相关参数进行计算；步骤三，将计算得到的参数值代入到含硫天然气管道的泄漏中毒潜在影响区域计算公式中，最终确定潜在影响区域的范围。本发明的计算方法简便，计算结果能表达潜在影响区的具体形状和位置，完善了含硫天然气管道泄漏潜在影响区的计算理论和计算结果，为含硫天然气管道的完整性管理提供了管治依据。

说明书

技术领域

本发明属于天然气管道完整性管理领域，尤其涉及一种含硫天然气管道的泄漏中毒潜在影响区域的计算方法。

背景技术

天然气是一种清洁、高效的能源，而管道输送是众多天然气运输方式中最为经济的方式之一。目前，我国建成的天然气管道总长已超过8万公里。随着经济社会的发展，我国对天然气资源的需求也持续增加，众多已探明的含硫天然气矿也得以开采和利用。但是，含硫天然气对输送管道的腐蚀能力远大于净化天然气，在管道的运营过程中，因腐蚀所产生的管道泄漏事故也时有发生。因此，输送含硫天然气管道的完整性管理越来越得到国内外管道运营者的重视。

管道完整性管理的基础是对管道高后果区的划分，而管道风险的潜在影响区域（Potential Impact Area）则是管道高后果区的划分依据。受国际公认的完整性管理标准ASME B31.8S《Managing Integrity System of Gas Pipeline》和API1160《Managing System Integrity for Hazardous Liquid Pipelines》，以及我国的行业内标准SY/T6621《输气管道系统完整性管理》均定义管道风险的潜在影响区域是指管道失效后果的量化指标，用于表征受失效后果危害影响的区域范围。目前，以上三种标准均采用相同的潜在影响区域计算公式，其表述如下：

$>r=3.15d\sqrt{p}---\left(1\right)$>

式中r——潜在影响区半径，m；

d——天然气管道的外直径，m；

p——天然气管道的输送压力，kPa。

据文献《A model for sizing high consequence areas associated withnatural gas pipelines.》（Mark J.Stephens.C-FER Report99068.Edmonton,Canada,2000.）论述，该公式建立的核心假设是：从管道中泄漏的天然气在泄漏点位置被立即点燃；该公式建立的理论基础是：火灾所带来的热辐射导致人、物的损害。

分析天然气管道泄漏事件不难发现，“立即点燃”并非该事件的唯一后果。当泄漏点附近不存在点火源时，例如泄漏点位于水稻田附近，泄漏的天然气将不会被立即点燃，而是在扩散作用下，于泄漏点下风方向形成一个可燃气体覆盖区域。另一方面，对于含硫天然气而言，火灾热辐射也并非造成人员伤亡的唯一原因。由于H₂S具有极强的毒性，人体接触极微量的H₂S就可能中毒身亡。因此，含硫天然气在未点燃条件下所形成的扩散云区域内，还有可能引发人员中毒的后果。显然，要表达这一中毒潜在影响区域应基于大气扩散理论，以及H₂S的人员中毒剂量。由此可见，目前标准中所采用的潜在影响区域计算公式，从建立的假设到理论基础都不能表达含硫天然气在延迟点燃条件下所引发的人员中毒后果，其计算结果存在缺陷。

发明内容

本发明提供一种含硫天然气管道的泄漏中毒潜在影响区域的计算方法，以解决现有技术中的各种缺点不足，本发明采取的技术方案如下：

提供一种含硫天然气管道的泄漏中毒潜在影响区域计算方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，根据输气管道设计资料和现场踏勘，收集管道的管径、壁厚、运行压力、天然气中的含硫量、所处地区的地表环境、地表平均风速、天气条件、云量和太阳辐射强度基础数据；

步骤二，根据基础数据对计算潜在影响区所需的管道所处地区的大气稳定程度、管道所处地区的地表粗糙度、管道所处地区的扩散参数进行计算；

步骤三，将计算得到的参数值代入到含硫天然气管道的泄漏中毒潜在影响区域计算公式中，其中，公式的约束条件为：最终确定潜在影响区域的范围。

本发明提供的含硫天然气管道泄漏扩散潜在影响区域的计算方法，是以大气扩散理论为基础，以H₂S的短期接触中毒阈值为边界条件所推导出的新计算公式，解决了泄漏的含硫天然气在未立即点燃的条件下，在大气中扩散形成的人员中毒潜在影响区域的计算问题，涵盖了原标准方法未涉及的人员中毒后果，完善了含硫天然气管道泄漏潜在影响区的计算理论和计算结果。本发明的计算方法简便，计算结果能表达潜在影响区的具体形状和位置，可以为含硫天然气管道的完整性管理提供重要的管治依据。

附图说明

图1是本发明实施例提供的天然气管道泄漏扩散潜在影响区域的计算方法的流程图。

图2是本发明方法计算得到的潜在影响区域与原标准计算的影响区域对比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种含硫天然气管道的泄漏中毒潜在影响区域计算方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，根据输气管道设计资料和现场踏勘，收集管道的管径、壁厚、运行压力、天然气含硫量、所处地区的地表环境等基础数据；

步骤二，根据基础数据对计算潜在影响区所需的相关参数进行计算；

步骤三，将计算得到的参数值代入到含硫天然气管道的泄漏中毒潜在影响区域计算公式中，最终确定潜在影响区域的范围。

在步骤一中，管道基础参数收集包括管道的管径、壁厚、运行压力、天然气中的含硫量、所处地区的地表环境、地表平均风速、天气条件、云量和太阳辐射强度。

在步骤二中，计算潜在影响区域的相关参数值包括：确定管道所处地区的大气稳定程度；确定管道所处地区的地表粗糙度；计算管道所处地区的扩散参数。其中，管道所处地区的大气稳定程度按表1查询确定。

表1大气稳定度级别划分表*

*（1）夜晚的定义为日落前一小时至次日日出后一小时；（2）无论天气条件如何，夜晚前后一小时内的大气稳定度均为D级（中性）；（3）强日照是指仲夏晴天正午的日照强度，弱日照是指寒冬晴天正午的日照强度。

其中，管道所处地区的地表粗糙度按表2查询确定。

表2地表有效粗糙度

地面类型地表粗糙度Z₀/m草原、平坦开阔地<0.1农作物地区0.1—0.3村落、分散的树林0.3—1分散的高、矮建筑物1—4密集的高、矮建筑物4

其中，管道所处地区的扩散参数计算公式为：

σ_y=σ_y0f_y

σ_z=σ_z0f_z

式中x，y，z——直角坐标系中的三个主轴，x轴与风向平行，其正方向表示风向，y轴与风速垂直，z轴为竖直方向，与重力加速度方向平行；

σ_y，σ_z——天然气在y、z方向上的扩散参数，m；

σ_y0、σ_z0——初始扩散参数，按表3查询计算公式，公式中的x表示计算位置与天然气泄漏点间的距离在x轴方向上的投影，m；

f_y、f_z——扩散参数修正系数，若地表粗糙度小于0.1则扩散修正系数均为1，若地表粗糙度大于0.1，则有：

f_y(Z₀)=1+a₀Z₀

$>f_z(x,Z_0)=(b_0-c_0\ln x){(d_0+e_0\ln x)}^{-1}{Z}_0^{f_0-g_0\ln x}$>

a₀，b₀，c₀，d₀，e₀，f₀，g₀——计算常数，按表4查询。

表3初始扩散参数计算表

大气稳定度σ_y0（m）σ_z0（m）A0.22x(1+0.0001x)^-1/20.2xB0.16x(1+0.0001x)^-1/20.12xC0.11x(1+0.0001x)^-1/20.08x(1+0.0002x)^-1/2D0.08x(1+0.0001x)^-1/20.06x(1+0.0015x)^-1/2

E0.06x(1+0.0001x)^-1/20.03x(1+0.0003x)^-1F0.04x(1+0.0001x)^-1/20.016x(1+0.0003x)^-1

表4计算常数表

进一步，在步骤三中，计算扩散潜在影响区域的公式为：

$>y=\pm {\left(2{\sigma }_y^2\ln \frac{0.78\mathrm{d\delta p\eta }}{C(x,y)\pi {\sigma }_y{\sigma }_{z}u}\right)}^{1/2}$>

其中，公式的约束条件为：

$>\frac{0.78\mathrm{d\delta p\eta }}{C(x,y)\pi {\sigma }_y{\sigma }_{z}u}\ge 1$>

式中x，y——天然气管道泄漏扩散潜在影响区的边界点坐标；

C（x，y）——扩散天然气中H₂S在坐标位置（x，y）处的浓度，在计算中取为H₂S的短期接触中毒阈值，C(x,y)=10×10^-3kg/m³。

η——天然气中H₂S的含量，kg/m³；

d——管道直径，m；

δ——管道的壁厚，m

p——管道运行压力，kPa；

σ_y，σ_z——天然气在y、z方向上的扩散参数，m；

u——地表平均风速，m/s。

其中，潜在影响区域计算公式迭代求解的方法是：设定增长步长Δx，以天然气泄漏点为原点，依次将坐标（x+n·Δx）（n=1,2,3,···）代入计算公式中，求得特定浓度下的对应坐标y，至到（x+n·Δx）值不再符合边界条件公式，据此可得到一系列潜在影响区域的边界点坐标(x_n,y_n)。(n=1,2,3,···)，将这些坐标用曲线连接起来就可以得到天然气管道泄漏扩散的潜在影响区域。

下面结合具体实例对本发明的应用原理作进一步描述。

例：一条输送天然气的管道，管径为273mm，壁厚为10mm，工作压力为7.36MPa，天然气中的含硫量为3.36×10^-3kg/m³，管道泄漏点地表为农作物地区，平均风速为3m/s，以本发明所给出的方法，计算晴朗白天时，中等太阳辐射条件下的泄漏潜在影响区。

第一步：收集管道基础参数：管道的管径为273mm，壁厚为10mm，运行压力7.36MPa，所处地区的地表为农作物地区、地表平均风速为3m/s、天气条件为晴朗的白天和太阳辐射强度为中等。

第二步：根据基础参数对计算潜在影响区所需的相关参数进行计算。

（1）确定管道所处地区的大气稳定程度

根据表1查得，管道所处地区的大气稳定程度为B级。

（2）确定管道所处地区的地表粗糙度

根据表2查得，管道所处地区的地表粗糙度Z₀=0.3。

（3）计算管道所处地区的扩散参数

根据表3查得，管道所处地区的初始扩散参数计算公式为：

σ_y0=0.16x(1+0.0001x)^-1/2

σ_z0=0.12x

由于粗糙度Z₀>0.1，因此需要对初始扩散参数进行修正，则有：

σ_y=σ_y0(1+a₀Z₀)=0.16x(1+0.0001x)^-1/2(1+a₀Z₀)

$>{\sigma }_Z={\sigma }_{Z0}(b_0-c_0\ln x){(d_0+e_0\ln x)}^{-1}{Z}_0^{f_0-g_0\ln x}=0.12x(b_0-c_0\ln x){(d_0+e_0\ln x)}^{-1}{Z}_0^{f_0-g_0\ln x}$>

根据表3查得，上式中的常数为：a₀=0.115，b₀=1.5，c₀=0.045，d₀=0.853，e₀=0.0128，f₀=0.156，g₀=0.0136。

第三步，将得到的各项参数带入到潜在影响区域的计算公式中进行迭代计算。

（1）设定泄漏点为坐标原点，设定迭代步长增量Δx=8m；

（2）将x₁=x₀+Δx=8m带入约束条件，判定得到成立；

（3）将x₁=8m以及第一、二步中得到的各项参数带入:

$>y=\pm {\left(2{\sigma }_y^2\ln \frac{0.5856\mathrm{d\delta p}}{C(x,y)\pi {\sigma }_y{\sigma }_{z}u}\right)}^{1/2}$>中，计算得到y₁=±4.36m；

（4）令x_i+1=x_i+Δx，重复步骤（2）–（3），直至不成立，退出循环，整理（x_i，y_i）可得计算结果如表5所示。

表5应用实例的计算结果

X轴坐标Y轴正向Y轴负向X轴坐标Y轴正向Y轴负向00012834.06-34.0684.36-4.3614434.73-34.73168.78-8.7815234.79-34.79

2412.11-12.1116034.66-34.663215.09-15.0917633.75-33.754820.21-20.2118432.94-32.945622.43-22.4319231.86-31.866424.44-24.4420828.73-28.738027.89-27.8921626.54-26.548829.35-29.3522423.77-23.779630.63-30.6324015.22-15.2211232.68-32.682486.02-6.0212033.46-33.4625400

根据原有标准规定，该管道的潜在影响区域为圆形，其半径为：

$>r=3.15d\sqrt{p}=3.15\times 0.273\sqrt{7360}=73.78m$>

将两种方法计算得到的潜在影响区域进行作图对比，其结果如图2所示。从图2中可以看出，本发明方法计算得到的潜在影响区域与原标准计算的结果有较大不同。含硫天然气泄漏后的中毒潜在影响区域近似为椭圆形，且在下风方向上的扩散距离远大于其扩散宽度。使用原标准方法，不能表征这一区域，说明本发明确有其必要性和实用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。