CN111611752B - 一种非液体泄漏影响范围实时预测方法 - Google Patents

一种非液体泄漏影响范围实时预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种气体泄漏影响范围的实时预测方法，按照如下方法进行：获取非液体的储存压力，并根据储存压力计算出非液体泄漏出口处的压力，判断出非液体泄漏的实际状态；对不同非液体泄漏实际状态的非液体泄漏口的出口速率进行检测，并根据排放速率和泄漏化学品的储存密度计算得到泄漏口的破口面积，获取泄漏孔洞直径；根据获取的泄漏孔洞直径结合泄漏物质密度和泄漏孔洞上的泄漏物质密度计算出排放源直径，确定出排放源面积。确定出的排放源面积更加的准确，无人为干扰，在保证对应急指挥有实际指导意义的前提下，实现了扩散影响范围的实时判断。

Description

一种非液体泄漏影响范围实时预测方法
技术领域
本发明涉及气体泄漏技术领域，具体涉及一种非液体泄漏影响范围实时预测方法。
背景技术
国内的化工企业以煤化工、石油化工为主，煤化工包括焦化和电石乙炔化工、煤气化和煤液化等方面，随着化工工艺的逐步成熟、技术的进步和国内外需求的增长，近几年，国内的化工企业投资越来越多，企业规模也逐步向上下游一体化发展，如煤—甲醇—烯烃一体化等，规模越来越大。
化工厂企业生产工艺复杂，管道纵横交错，罐区和危化品仓库等危险源较多，一旦发生气体泄漏事故，具有扩散迅速、易引发二次事故、危害范围广等特点，对于企业基本都是毁灭性质的，因而决定了对于泄漏影响范围(源面积)的判断必须做到迅速、准确和有效。
现有的解决方案有如下三种：通过在危险源装置上安装风向标，一旦发生泄漏，根据风向标来确定气体扩散的大概方向，以此为基础进行警戒线划定、人员疏散、消防车站位准备等应急措施。该方式无法对扩散的影响范围进行科学判断，完全凭人员经验，准确度低；运用计算流体力学进行分析、判断和预测泄漏影响范围。采取提前计算各种泄漏情况及气象条件下的泄漏扩散模型，发生事故时通过条件比对，选择接近的扩散模型进行判断。但是因为无法事前枚举所有情况，导致判断结果和实际情况的偏差可能会比较大。而且事前的计算时间长、成本高；运用环境风险评价的相应模型来进行泄漏影响范围的判断。虽然对泄漏扩散模型的计算速度有非常大的提高，基本可控制在1分钟之内，但是在其中的重要环节源强(源强主要包括泄漏速率、泄漏时间、泄漏量、泄漏液体蒸发量)计算中，要求必须有破口面积才能进行计算。现有技术对破口面积的计算主要靠工程师根据经验大概估算，或者事故发生后，做事故复盘时再去测量破口面积，达不到实时应急指挥的要求。也就是说，在泄漏事故发生时，现有技术在第一时间无法快速获得较为精确的破口面积。因此现有技术也无法在事故发生时，短时间内对泄漏影响范围给出科学的判断。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种通过获取泄漏物质的总量和泄漏时间，计算其排放速率，再结合泄漏物质的理化特性计算破口面积来判断出更加精确的泄漏源面积的非液体泄漏影响范围实时预测方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案，一种非液体泄漏影响范围实时预测方法，包括：
S1、获取非液体泄漏后的储存压力，并根据获取到的非液体泄漏后的储存压力计算出非液体泄漏出口处的压力，将取得的非液体泄漏出口处的压力与环境实施大气压力进行对比，并根据对比的结果判断出得出非液体泄漏的实际状态；
S2、对不同非液体泄漏实际状态的非液体泄漏口出口速率和排放速率进行检测，并提取泄漏化学品的储存密度，将获取到泄漏口出口速率、排放速率和储存密度输入到扩散源强模型中，获得排放源面积。
所述步骤S1中非液体的储存压力是通过储存罐上设有的压力传感器进行检测，检测到的储存压力为Ps，确定非液体泄漏口压力的公式为：
Figure BDA0002476017830000021
式中：P*：非液体在泄漏出口处的压力；
γ：定压比热容与定容比热容之比；PS：存储压力；
检测出的现场环境的实时大气压力为P1，当确定出的非液体泄漏口压力P*大于P1，则非液体泄漏的实际状态为临界流，当确定出的非液体泄漏口压力P*小于P1，则非液体泄漏的实际状态为非临界流。
所述步骤S2中扩散源强模型按照如下方法建立：
S201、通过获取到的泄漏口的排放速率和出口速率及泄漏物的储存密度按照如下公式计算出泄漏孔洞直径；
Figure BDA0002476017830000031
Figure BDA0002476017830000032
A＝破口面积；ρ＝储存密度；E＝排放速率；u＝出口速率；Ds＝泄漏孔洞直径。
202、根据计算出的泄漏孔洞直径Ds带入到以下公式得到排放源面积：
Figure BDA0002476017830000033
式中：ρrel＝泄漏物质密度；Drel＝排放源直径；Ds＝泄漏孔洞直径；ρs＝泄漏孔洞上泄漏物质密度；
Figure BDA0002476017830000034
Arel＝排放源面积。
如泄漏的非液体为气体时，气体泄漏物质密度ρrel按照以下公式确定：
Figure BDA0002476017830000035
式中：
ρrel＝气体密度(kg/m3)；Pa＝环境压力；R＝气体常数；Trel＝排放温度；Mi＝气体的分子量；
当泄漏的气体属于临界流时，该临界流状态下的排放温度Trel按照如下公式确定：
Figure BDA0002476017830000036
式中：
Trel＝排放温度；Ts＝气体节流后储存温度；γ＝恒定压力下比热容与恒定体积下的比热容之比；
当泄漏的气体属于非临界流时，该非临界流状态下的排放温度Trel按照如下公式确定：
Figure BDA0002476017830000041
Figure BDA0002476017830000042
Figure BDA0002476017830000043
E＝排放速率；Ao＝初始破口面积；pa＝环境压力；M＝摩尔质量；Ts＝气体节流后储存温度；R＝通用气体常数；Cp＝在Ts温度下气体比热容；ρ＝储存密度；E＝排放速率；u0＝初始出口速率。
当泄漏的非液体为两相流时，该两相流密度ρrel按照以下公式确定：
Figure BDA0002476017830000044
Figure BDA0002476017830000045
ρi＝两相流密度；ρrel＝两相流气体密度；Frel＝气液比例；Pa＝环境压力；R＝通用气体常数；Mi＝气体分子量；
当泄漏的两相流属于临界流时，该临界流状态下的气液比例Frel按照如下公式确定：
Figure BDA0002476017830000046
F*＝节流后两相流气液比例；T*＝两相流节流后储存温度；Trel＝排放温度；Frel＝两相流减压后气液比例；Cpl＝在Ts温度下液体比热容；λ＝在标准沸点Tb下的汽化热；
当上式中如两相流物质的Frel≥1,用以下公式计算排放温度Trel:
Figure BDA0002476017830000051
式中：
λ＝在标准沸点Tb下的汽化热；Cpl＝在温度Ts下，液体比热容；
如果两相流物质的Frel<1,使用克劳修斯-克拉皮龙方程估算排放温度
Figure BDA0002476017830000052
式中：
Trel＝排放温度；M＝分子量；λ＝在标准沸点Tb下汽化热；R＝气体常数；Tb＝标准沸点；pa＝环境压力；
当泄漏的两相流属于非临界流时，该非临界流状态下的气液比例Frel按照如下公式确定：
Figure BDA0002476017830000053
Trel＝排放温度；M＝摩尔质量；λ＝在标准沸点Tb下的汽化热；R＝气体常数；Ts＝气体节流后储存温度；Cp＝在Ts温度下气体比热容；ps＝储存压力；pa＝环境压力；
上式中的排放温度Trel按照如下公式确定：
Figure BDA0002476017830000054
式中：
Trel＝排放温度；Ts＝气体节流后储存温度；γ＝恒定压力下的比热容与恒定体积下的比热容之比。
本发明的有益效果是：通过对厂区环境参数的检测，并根据检测到的结果结合泄漏时间确定出排放速率，根据非液体泄漏的化学特性及确定出的排放速率确定出排放源的面积，确定出的排放源面积更加的准确，无人为干扰，在保证对应急指挥有实际指导意义的前提下，实现了扩散影响范围的实时判断。
具体实施方式
实施例
一种非液体泄漏影响范围实时预测方法，包括：
第一步，获取非液体的储存压力，并根据获取到的非液体的储存压力计算出非液体泄漏出口处的压力，将取得的非液体泄漏出口处的压力与环境实施大气压力进行对比，并根据对比的结果判断出得出非液体泄漏的实际状态；
所述非液体储存在罐体中，通过设在罐体上的压力传感器对非液体的储存压力进行检测，所检测到的压力为储存压力为Ps，通过获取到的储存压力按照如下公式计算出非液体泄漏口处的泄漏压力P*；确定非液体泄漏口压力的公式为：
式中：P*：非液体在泄漏出口处的压力；
γ：定压比热容与定容比热容之比；PS：存储压力；
在进行判断时，检测出的现场环境的实时大气压力为P1；所述的实时大气压力P1
Figure BDA0002476017830000061
通过气象数据提供，具体时该气象数据传送处理装置，所述的处理装置根据计算出的非液体泄漏口的压力与罐区环境的大气压力进行有效的对比，当确定出的非液体泄漏口压力P*大于P1，则非液体泄漏的实际状态为临界流，当确定出的非液体泄漏口压力P*小于P1，则非液体泄漏的实际状态为非临界流。
所述非液体泄漏包括气体泄漏和两相泄漏，所述两相泄漏为气体泄漏和液体泄漏的混合物；
第二步、通过设在罐区罐内设有的温度传感器检测出非液体的储存温度，并根据第一步判断出的非液体泄漏的实际状态(临界流和非临界流)计算出气体泄漏或两相泄漏在不同实际状态下的排放温度；
具体的是，所述第二步中泄漏口破口面积和泄漏孔洞直径按照如下公式确定：
Figure BDA0002476017830000071
Figure BDA0002476017830000072
A＝破口面积；ρ＝储存密度；E＝排放速率；u＝出口速率；Ds＝泄漏孔洞直径。
第三步、根据第二步确定出的取得的泄漏孔洞直径结合泄漏物质密度和泄漏孔洞上的泄漏物质密度计算出排放源直径，根据取得的排放源直径确定出排放源面积。
具体按照如下公式进行的：
Figure BDA0002476017830000073
式中：ρrel＝泄漏物质密度；Drel＝排放源的直径；Ds＝泄漏孔洞直径；ρs＝泄漏孔洞上的泄漏物质密度；
Figure BDA0002476017830000074
Arel＝排放源面积。
第三步中的泄漏孔洞的泄漏物质密度包括泄漏物为气体时的气体泄漏密度和泄漏物为两相流时的两相流泄漏密度；
具体的是所述的泄漏气体密度按照如下公式确定：
Figure BDA0002476017830000075
式中：
ρ1s＝气体密度(kg/m3)；Pa＝环境压力；R＝气体常数；Trel＝排放温度；Mi＝气体的分子量；
当所述泄漏物为两相流时，所述泄漏两相流的密度按照如下公式确定：
Figure BDA0002476017830000076
ρi＝两相流密度；ρ2s＝两相流的气体密度；Frel＝气液比例；Pa＝环境压力；R＝通用气体常数；Mi＝气体的分子量。
当泄漏物为气体时，所述第三步中的ρs＝ρ1s；当泄漏的物为两相流时，所述第三步中的ρs＝ρ2s。
上述中泄漏物为气体时，该泄漏物的实际状态为临界流时，上步骤中的排放温度按照如下公式进行：
Figure BDA0002476017830000081
式中：
Trel＝排放温度；Ts＝气体节流后的储存温度；γ＝恒定压力下的比热容与恒定体积下的比热容之比；
当泄漏物为气体时，该泄漏物的实际状态为非临界流，上式中的排放温度按照如下公式进行计算：
Figure BDA0002476017830000082
Figure BDA0002476017830000083
Figure BDA0002476017830000084
E＝排放速率；Ao＝初始破口面积；pa＝环境压力；M＝摩尔质量；Ts＝气体节流后的储存温度；R＝通用气体常数；Cp＝在Ts温度下的气体比热容；ρ＝储存密度；E＝排放速率；u0＝初始出口速率。
当泄漏物为两相流时，上式确定出中排放温度的公式中的气液比例Frel按照如下公式确定：
当两相流的实际状态为临界流时，气液比例按照如下公式进行：
Figure BDA0002476017830000091
F*＝在节流后两相流气液比例；T*＝两相流节流后的储存温度；Trel＝排放温度；Frel*＝两相流减压后的气液比例；Cpl＝在Ts温度下液体比热容；λ＝在标准沸点Tb下的汽化热；
该式中的排放温度按照如下公式计算：
如两相流物质的Frel≥1,用以下公式计算排放温度Trel:
Figure BDA0002476017830000092
式中：
λ＝在标准沸点Tb下的汽化热；Cpl＝在温度Ts下，液体比热容；
如果两相流物质的Frel<1,使用克劳修斯-克拉皮龙方程估算排放温度
Figure BDA0002476017830000093
式中：
Trel＝排放温度；M＝分子量；λ＝在标准沸点Tb下的汽化热；R＝气体常数；Tb＝
标准沸点；pa＝环境压力；
当两相流的实际状态为非临界流时，气液比例按照如下公式进行：
Figure BDA0002476017830000094
Trel＝排放温度；M＝摩尔质量；λ＝在标准沸点Tb下的汽化热；R＝气体常数；Ts＝气体节流后的储存温度；Cp＝在Ts温度下的气体比热容；ps＝储存压力；pa＝环境压力。
该式中的排放温度按照如下公式进行计算：
Figure BDA0002476017830000101
式中：
Trel＝排放温度；Ts＝气体节流后的储存温度；γ＝恒定压力下的比热容与恒定体积下的比热容之比。
实施例
如发生泄漏的非液体物质为甲烷；
表一是该泄漏物为甲烷的化学特性为：
分子量(MW) 16.04 kg/kg-mol
沸点(Tb) 111.6 K
临界温度 190.04 K
临界压力 45.4 atm
比热比(gamma) 1.31
气体等压热容 2240 J/kg-K
气体等体积热容 1,716 J/kg-K
蒸发热 509880 J/kg
气体常数(R) 8314 J/mol-K
液体密度 424.1 kg/m3
表二是检测到的气象数据为：
环境温度 298 K
环境压力 86100 Pa
相对湿度 50 ％
风向 270 度
风速 1.5 m/s
风速计高度 10 m
地表情况 1
云层覆盖率 100 ％
表面粗糙度 1 m
表三，为检测到的泄漏数据；
Figure BDA0002476017830000111
表四为计算出的相关数据：
排放速率＝泄漏量/泄漏时间 0.964 kg/s
破口面积＝排放速率/储存密度/出口速率 0.001230725 m<sup>2</sup>
出口速率(仪表采集) 155.266 m/s
1.判断是否为临界流
非液体在泄漏出口处的压力(P*) 403122.9331 Pa
是否为临界流 Choked
气体节流后的储存温度(T*) 245.5146613 K
是否为单相 单相
T*下的饱和蒸气压 419932.3433 Pa
2.排放温度(Trel) 171.0975068 K
实际大气压下的沸点 109.5758875 K
3.泄漏物质密度(ρrel) 0.970853754 kg/m<sup>3</sup>
泄漏孔洞上的泄漏物质密度(ρs) 3.167775658 kg/m<sup>3</sup>
4.源直径(Drel) 0.07148 m
ρs＝ρ* 3.167775658
面积 0.00401334 m<sup>2</sup>
以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种非液体泄漏影响范围实时预测方法，其特征在于，包括：
S1、获取非液体泄漏后的储存压力，并根据获取到的非液体泄漏后的储存压力计算出非液体泄漏出口处的压力，将取得的非液体泄漏出口处的压力与环境实施大气压力进行对比，并根据对比的结果判断出得出非液体泄漏的实际状态；
其中非液体的储存压力是通过储存罐上设有的压力传感器进行检测，检测到的储存压力为PS，确定非液体泄漏口压力的公式为：
Figure FDA0003795956240000011
式中：P*：非液体在泄漏出口处的压力；
γ：定压比热容与定容比热容之比；PS：存储压力；
检测出的现场环境的实时大气压力为P1，当确定出的非液体泄漏口压力P*大于P1，则非液体泄漏的实际状态为临界流，当确定出的非液体泄漏口压力P*小于P1，则非液体泄漏的实际状态为非临界流；
S2、对不同非液体泄漏实际状态的非液体泄漏口出口速率和排放速率进行检测，并提取泄漏化学品的储存密度，将获取到泄漏口出口速率、排放速率和储存密度输入到扩散源强模型中，获得排放源面积；
其中扩散源强模型按照如下方法建立：
S201、通过获取到的泄漏口的排放速率和出口速率及泄漏物的储存密度按照如下公式计算出泄漏孔洞直径；
Figure FDA0003795956240000012
Figure FDA0003795956240000013
A＝破口面积；ρ＝储存密度；E＝排放速率；u＝出口速率；Ds＝泄漏孔洞直径；
S202、根据计算出的泄漏孔洞直径Ds带入到以下公式得到排放源面积：
Figure FDA0003795956240000014
式中：ρrel＝泄漏物质密度；Drel＝排放源直径；Ds＝泄漏孔洞直径；ρs＝泄漏孔洞上泄漏物质密度；
Figure FDA0003795956240000021
Arel＝排放源面积；
如泄漏的非液体为气体时，气体泄漏物质密度ρrel按照以下公式确定：
Figure FDA0003795956240000022
式中：
ρrel＝气体密度，kg/m3；Pa＝环境压力；R＝气体常数；Trel＝排放温度；Mi＝气体的分子量；
当泄漏的气体属于临界流时，该临界流状态下的排放温度Trel按照如下公式确定：
Figure FDA0003795956240000023
式中：
Trel＝排放温度；Ts＝气体节流后储存温度；γ＝恒定压力下比热容与恒定体积下的比热容之比；
当泄漏的气体属于非临界流时，该非临界流状态下的排放温度Trel按照如下公式确定：
Figure FDA0003795956240000024
Figure FDA0003795956240000025
Figure FDA0003795956240000026
E＝排放速率；Ao＝初始破口面积；pa＝环境压力；M＝摩尔质量；Ts＝气体节流后储存温度；R＝通用气体常数；Cp＝在Ts温度下气体比热容；ρ＝储存密度；u0＝初始出口速率；
当泄漏的非液体为两相流时，该两相流密度ρi按照以下公式确定：
Figure FDA0003795956240000031
Figure FDA0003795956240000032
ρi＝两相流密度；ρrel＝两相流气体密度；Frel＝气液比例；Pa＝环境压力；R＝通用气体常数；Mi＝气体分子量；
当泄漏的两相流属于临界流时，该临界流状态下的气液比例Frel按照如下公式确定：
Figure FDA0003795956240000033
F*＝节流后两相流气液比例；T*＝两相流节流后储存温度；Trel＝排放温度；Frel＝两相流减压后气液比例；Cpl＝在Ts温度下液体比热容；λ＝在标准沸点Tb下的汽化热；
当上式中如两相流物质的Frel≥1,用以下公式计算排放温度Trel:
Figure FDA0003795956240000034
式中：
λ＝在标准沸点Tb下的汽化热；Cpl＝在温度Ts下，液体比热容；
如果两相流物质的Frel<1,使用克劳修斯-克拉皮龙方程估算排放温度
Figure FDA0003795956240000041
式中：
Trel＝排放温度；λ＝在标准沸点Tb下汽化热；R＝气体常数；Tb＝标准沸点；pa＝环境压力；
当泄漏的两相流属于非临界流时，该非临界流状态下的气液比例Frel按照如下公式确定：
Figure FDA0003795956240000042
Trel＝排放温度；M＝摩尔质量；λ＝在标准沸点Tb下的汽化热；R＝气体常数；Ts＝气体节流后储存温度；Cp＝在Ts温度下气体比热容；ps＝储存压力；pa＝环境压力；
上式中的排放温度Trel按照如下公式确定：
Figure FDA0003795956240000043
式中：
Trel＝排放温度；Ts＝气体节流后储存温度；γ＝恒定压力下的比热容与恒定体积下的比热容之比。
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