CN115691705A - 一种气体泄漏扩散监测方法及系统 - Google Patents

一种气体泄漏扩散监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种气体泄漏扩散监测方法及系统，其包括如下步骤：确定泄漏气体的流动状态；根据泄漏气体的流动状态获取泄漏气体源强；根据泄漏气体的气团类型选择气团浓度计算参数；根据获取的气团浓度计算参数计算泄漏气体气团浓度；根据泄漏气体的气团浓度获取气体泄漏影响参数，并根据气体泄漏影响参数生成泄漏气体的气团的三维仿真模型，并将泄漏气体的气团的三维仿真模型在GIS地图上进行加载。本发明基于源强估算技术对泄漏气体的初始形态进行准确预判，确保后续将其输入扩散监测模型后，可以对气体扩散进行准确的形态预测，以保证扩散监测结果的准确性。

Description

一种气体泄漏扩散监测方法及系统
技术领域
本发明涉及气体泄漏监测技术领域，特别涉及一种气体泄漏扩散监测方法及系统。
背景技术
有毒有害气体广泛存在于化学生产过程中和人们的日常生活中，一旦使用或维护不当则极易造成泄漏，往往引发火灾、爆炸、灼伤、中毒、窒息等重大事故。
气体泄漏事故发生后，需尽快确认气体泄漏的影响参数并监测气体泄漏的形态变化、方向走向等，以便采取正确果断的应急措施，将危险控制在可控范围，将损失降低到最低。
目前，在气体扩散监测方面，主要采用的模型是高斯模型，但其无法准确估算气体泄漏的初始源强，从而导致最终获得的结果不准确。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种气体泄漏扩散监测方法及系统，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，提供一种气体泄漏扩散监测方法，其包括如下步骤：
确定泄漏气体的流动状态；
根据泄漏气体的流动状态获取泄漏气体源强；
根据泄漏气体的气团类型选择气团浓度计算参数；
根据获取的气团浓度计算参数计算泄漏气体气团浓度；
根据泄漏气体的气团浓度获取气体泄漏影响参数，并根据气体泄漏影响参数生成泄漏气体的气团的三维仿真模型，并将泄漏气体的气团的三维仿真模型在GIS地图上进行加载。
优选的，根据公式(1)判断泄漏气体的流动状态；
Figure BDA0003938257530000011
其中，p为气体输送管道内的压力(Pa)；p0为气体输送管道外的压力(Pa)；k为比热比；
当公式(1)成立时，确定泄漏气体处于音速流动状态，若不成立，确定泄漏气体处于亚音速流动状态。
优选的，当泄漏气体处于音速流动状态时，根据公式(2)获取泄漏气体源强Q：
Figure BDA0003938257530000021
其中，Cd为气体泄漏系数；M为泄漏气体的摩尔质量；T为泄漏气体的初始热力学温度；A为气体泄漏点的面积；R为热力学常数。
优选的，当泄漏气体处于亚音速流动状态时，根据公式(3)获取泄漏气体源强Q：
Figure BDA0003938257530000022
其中，Cd为气体泄漏系数；M为泄漏气体的摩尔质量；T为泄漏气体的初始热力学温度；A为气体泄漏点的面积；R为热力学常数。
优选的，泄漏气体的气团类型确定方法如下：
若泄漏气体的相对密度小于或等于1，且为连续泄漏时所形成的气团为羽状气团；
若泄漏气体的相对密度比空气密度大，则确定该泄漏气体为重气，当重气泄漏后形成的重气气团与空气之间的密度差小于0.001kg/m3时，则认为重气气团转变成中性状态，且进入被动气体扩散阶段，进入被动气体扩散阶段后所形成的气团为重气体作用后气团。
优选的，如泄漏气体的气团类型为羽状气团，则气团浓度计算参数包括：
泄漏气体离开管道的气体泄漏点后，沿管道轴向扩散的最大距离x、沿垂直于管道左右方向扩散的最大距离y、沿垂直于管道上下方向扩散的最大距离z；
泄漏气体源强Q；
泄漏气体在顺风向的扩散系数σx；
泄漏气体在侧风向的扩散系数σy；
泄漏气体在垂直顺风向方向的扩散系数σz；
排口高度H。
优选的，如为羽状气团，则按公式(4)计算泄漏气体气团浓度C(x，y，z)：
Figure BDA0003938257530000031
优选的，如泄漏气体的气团类型为为重气体作用后气团，则气团浓度计算参数包括：
任一气体泄漏点的泄漏气体浓度C；
泄漏气体离开管道的气体泄漏点后，沿管道轴向扩散的最大距离x、沿垂直于管道左右方向扩散的最大距离y、沿垂直于管道上下方向扩散的最大距离z；
泄漏气体源强Q；
泄漏气体在顺风向的扩散系数σx；
泄漏气体在侧风向的扩散系数σy；
泄漏气体在垂直顺风向方向的扩散系数σz；
排口高度H；
风速u；
时间t。
优选的，如为重气体作用后气团，则按公式(5)计算泄漏气体气团浓度C(x，y，z，t)：
Figure BDA0003938257530000032
还提供一种气体泄漏扩散监测系统，其包括：
泄漏气体流动状态判断单元，其用于在确定产生泄漏点后，判断泄漏气体的流动状态；
音速泄漏气体源强计算单元，其用于获取处于音速流动状态的泄漏气体的泄漏气体源强；
亚音速泄漏气体源强计算单元，其用于获取处于音速流动状态的泄漏气体的泄漏气体源强；
泄漏气体气团浓度计算单元，其用于计算气团类型为羽状气团的泄漏气体的气团浓度，以及，计算气团类型为重气体作用后气团的泄漏气体的气团浓度；
气体泄漏影响参数获取单元，其用于根据泄漏气体的气团浓度获取气体泄漏影响参数；
三维建模单元，其用于根据气体泄漏影响参数生成泄漏气体的气团的三维仿真模型；
加载单元，其用于在GIS地图上加载所述泄漏气体的气团的三维仿真模型。
本发明的技术效果：本发明基于源强估算技术对泄漏气体的初始形态进行准确预判，确保后续将其输入扩散监测模型后，可以对气体扩散进行准确的形态预测，以保证扩散监测结果的准确性，同时以三维仿真+GIS的方式展示监测结果，由此可直观获取气体泄漏影响范围，以便及时做出正确的应急处置。
附图说明
图1是本发明气体泄漏扩散监测方法的步骤流程图；
图2是本发明中xyz距离的示意图；
图3是本发明中顺风向、侧风向以及垂直顺风向方向的示意图；
图4是本发明中在GIS地图上加载气团三维仿真模型的效果图；
图5是本发明气体泄漏扩散监测系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
实施例1：
请参照图1，本实施例提供了一种气体泄漏扩散监测方法，其具体包括如下步骤：
S1、采用人工巡视或者监测两阀室之间的管道压强变化(压强变小即说明存在泄漏点)等方式确定管道是否产生气体泄漏点；；
S2、由于泄漏气体在音速与亚音速状态下流动时的泄漏气体源强计算公式完全不同，因此需要先确定泄漏气体的流动状态，其中，所述泄漏气体包括天然气、H2、N2、O2、CO2、SO2、NH3、CO等，具体的，需根据公式(1)判断泄漏气体的流动状态；
Figure BDA0003938257530000051
其中，p为气体输送管道内的压力(Pa)；p0为气体输送管道外的压力(Pa)；k为比热比，即定压比热与定容比热的比值，其取值范围参见表1(本实施例中，k的取值为1.306)：
表1比热比取值范围表
序号 热力学温度(T<sub>0</sub>(K)) 比热比(k)
1 0 1.401
2 200 1.390
3 400 1.368
4 600 1.349
5 800 1.332
6 1000 1.320
7 1500 1.306
当公式(1)成立时，确定泄漏气体处于音速流动状态，若不成立，确定泄漏气体处于亚音速流动状态；
S3、当泄漏气体处于音速流动状态时，根据公式(2)获取泄漏气体源强Q：
Figure BDA0003938257530000052
当泄漏气体处于亚音速流动状态时，根据公式(3)获取泄漏气体源强Q：
Figure BDA0003938257530000053
其中，Cd为气体泄漏系数，其取值范围与气体泄漏点的形状有关，两者之间的关系具体参见表2；
表2气体泄漏系数取值范围表
Figure BDA0003938257530000054
Figure BDA0003938257530000061
M为泄漏气体的摩尔质量；
T为泄漏气体的初始热力学温度(K)；
A为气体泄漏点的面积(m2)；
R为热力学常数，即8.314J/(mol·K)。
S4、根据泄漏气体的气团类型选择气团浓度计算参数；
具体的，由于泄漏气体的气团类型与泄漏气体的类别以及密度有关，因此，泄漏气体的气团类型确定方法如下：
若泄漏气体的相对密度小于或等于1，且为连续泄漏时所形成的气团为羽状气团；
若泄漏气体的相对密度比空气密度大，则确定该泄漏气体为重气，当重气泄漏后经过重气扩散阶段形成的重气气团与空气之间的密度差小于0.001kg/m3时，则认为重气气团转变成中性状态，且进入被动气体扩散阶段，进入被动气体扩散阶段后所形成的气团为重气体作用后气团；
进一步的，如泄漏气体的气团类型为羽状气团，则气团浓度计算参数包括：
泄漏气体离开管道的气体泄漏点100后，沿管道轴向扩散的最大距离x、沿垂直于管道左右方向扩散的最大距离y、沿垂直于管道上下方向扩散的最大距离z；且距离x、y、z单位均为米；
泄漏气体源强Q(kg/s)，需要说明的是，需根据泄漏气体的流动状态来选择对应的泄漏气体源强Q；
泄漏气体在顺风向(也即管道轴向)的扩散系数σx；
泄漏气体在侧风向(也即管道左右方向)的扩散系数σy；
泄漏气体在垂直顺风向方向(也即垂直于管道上下方向)的扩散系数σz，顺风向、侧风向、垂直顺风向方向的示意图如图3所示；
需要说明的是，扩散系数仅与泄漏气体类型有关，同一种泄漏气体的扩散系数σx、σy、σz相同，且扩散系数σx、σy、σz的取值范围如表3所示：
表3泄漏气体的扩散系数表
序号 气体类型 扩散系统
1 H<sub>2</sub> 0.511
2 N<sub>2</sub> 0.132
3 O<sub>2</sub> 0.178
4 CO<sub>2</sub> 0.138
5 SO<sub>2</sub> 0.103
6 NH<sub>3</sub> 0.200
7 H<sub>2</sub>O 0.220
8 HCL 0.130
排口高度H(m)，排口高度即泄漏气体在空中到达的最高点与泄漏点之间的距离；
如泄漏气体气团类型为重气体作用后气团，则气团浓度计算参数包括：
任一气体泄漏点100的泄漏气体浓度C(kg/m3)；
泄漏气体离开管道的气体泄漏点100后，沿管道轴向扩散的最大距离x、沿垂直于管道左右方向扩散的最大距离y、沿垂直于管道上下方向扩散的最大距离z；且距离x、y、z单位均为米；
泄漏气体源强Q(kg/s)；
泄漏气体在顺风向(也即管道轴向)的扩散系数σx；
泄漏气体在侧风向(也即管道左右方向)的扩散系数σy；
泄漏气体在垂直顺风向方向(也即垂直于管道上下方向)的扩散系数σz，顺风向、侧风向、垂直顺风向方向的示意图如图3所示；
排口高度H(m)；
风速u(m/s)；
时间t(s)；
S5、根据获取的气团浓度计算参数计算泄漏气体气团浓度，具体包括：
如为羽状气团，则按公式(4)计算泄漏气体气团浓度C(x，y，z)(kg/m3)：
Figure BDA0003938257530000071
如为重气体作用后气团，则按公式(5)计算泄漏气体气团浓度C(x，y，z，t)(kg/m3)：
Figure BDA0003938257530000081
S6、根据泄漏气体的气团浓度获取气体泄漏影响参数，且所述气体泄漏影响参数包括：泄漏气体体积、泄漏气体气带宽度等其中的一种或几种；
将气体泄漏影响参数载入Cesium软件的三维粒子组件模块，以时间为主轴，自动建模生成泄漏气体的气团的三维仿真模型；
根据不同的业务场景，在GIS地图上加载所述泄漏气体的气团的三维仿真模型(如图4所示)，以展现气体扩散监测结果。
实施例2：
本实施例提供了一种用于实现实施例1所述气体泄漏扩散监测方法的气体泄漏扩散监测系统，如图5所示，其包括：
泄漏气体流动状态判断单元1，其用于在确定产生泄漏点后，根据公式(1)判断泄漏气体的流动状态；
音速泄漏气体源强计算单元2，其用于根据公式(2)获取处于音速流动状态的泄漏气体的泄漏气体源强；
亚音速泄漏气体源强计算单元3，其用于根据公式(3)获取处于音速流动状态的泄漏气体的泄漏气体源强；
泄漏气体气团浓度计算单元4，其用于根据公式(4)计算气团类型为羽状气团的泄漏气体的气团浓度，以及，根据公式(5)计算气团类型为重气体作用后气团的泄漏气体的气团浓度；
气体泄漏影响参数获取单元5，其用于根据泄漏气体的气团浓度获取气体泄漏影响参数；
三维建模单元6，其用于根据气体泄漏影响参数生成泄漏气体的气团的三维仿真模型；
加载单元7，其用于在GIS地图上加载所述泄漏气体的气团的三维仿真模型。
综上所述，本发明基于源强估算技术对泄漏气体的初始形态进行准确预判，确保后续将其输入扩散监测模型后，可以对气体扩散进行准确的形态预测，以保证扩散监测结果的准确性，同时以三维仿真+GIS的方式展示监测结果，由此可直观获取气体泄漏影响范围，以便及时做出正确的应急处置
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体泄漏扩散监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定泄漏气体的流动状态；
根据泄漏气体的流动状态获取泄漏气体源强；
根据泄漏气体的气团类型选择气团浓度计算参数；
根据获取的气团浓度计算参数计算泄漏气体气团浓度；
根据泄漏气体的气团浓度获取气体泄漏影响参数，并根据气体泄漏影响参数生成泄漏气体的气团的三维仿真模型，并将泄漏气体的气团的三维仿真模型在GIS地图上进行加载。
2.如权利要求1所述的气体泄漏扩散监测方法，其特征在于，根据公式(1)判断泄漏气体的流动状态；
Figure FDA0003938257520000011
其中，p为气体输送管道内的压力；p0为气体输送管道外的压力；k为比热比；
当公式(1)成立时，确定泄漏气体处于音速流动状态，若不成立，确定泄漏气体处于亚音速流动状态。
3.如权利要求1所述的气体泄漏扩散监测方法，其特征在于，当泄漏气体处于音速流动状态时，根据公式(2)获取泄漏气体源强Q：
Figure FDA0003938257520000012
其中，Cd为气体泄漏系数；M为泄漏气体的摩尔质量；T为泄漏气体的初始热力学温度；A为气体泄漏点的面积；R为热力学常数。
4.如权利要求1所述的气体泄漏扩散监测方法，其特征在于，当泄漏气体处于亚音速流动状态时，根据公式(3)获取泄漏气体源强Q：
Figure FDA0003938257520000013
其中，Cd为气体泄漏系数；M为泄漏气体的摩尔质量；T为泄漏气体的初始热力学温度；A为气体泄漏点的面积；R为热力学常数。
5.如权利要求1所述的气体泄漏扩散监测方法，其特征在于，泄漏气体的气团类型确定方法如下：
若泄漏气体的相对密度小于或等于1，且为连续泄漏时所形成的气团为羽状气团；
若泄漏气体的相对密度比空气密度大，则确定该泄漏气体为重气，当重气泄漏后形成的重气气团与空气之间的密度差小于0.001kg/m3时，则认为重气气团转变成中性状态，且进入被动气体扩散阶段，进入被动气体扩散阶段后所形成的气团为重气体作用后气团。
6.如权利要求5所述的气体泄漏扩散监测方法，其特征在于，如泄漏气体的气团类型为羽状气团，则气团浓度计算参数包括：
泄漏气体离开管道的气体泄漏点后，沿管道轴向扩散的最大距离x、沿垂直于管道左右方向扩散的最大距离y、沿垂直于管道上下方向扩散的最大距离z；
泄漏气体源强Q；
泄漏气体在顺风向的扩散系数σx；
泄漏气体在侧风向的扩散系数σy；
泄漏气体在垂直顺风向方向的扩散系数σz；
排口高度H。
7.如权利要求6所述的气体泄漏扩散监测方法，其特征在于，如为羽状气团，则按公式(4)计算泄漏气体气团浓度C(x，y，z)：
Figure FDA0003938257520000021
8.如权利要求5所述的气体泄漏扩散监测方法，其特征在于，如泄漏气体的气团类型为为重气体作用后气团，则气团浓度计算参数包括：
任一气体泄漏点的泄漏气体浓度C；
泄漏气体离开管道的气体泄漏点后，沿管道轴向扩散的最大距离x、沿垂直于管道左右方向扩散的最大距离y、沿垂直于管道上下方向扩散的最大距离z；
泄漏气体源强Q；
泄漏气体在顺风向的扩散系数σx；
泄漏气体在侧风向的扩散系数σy；
泄漏气体在垂直顺风向方向的扩散系数σz；
排口高度H；
风速u；
时间t。
9.权利要求8所述的气体泄漏扩散监测方法，其特征在于，如为重气体作用后气团，则按公式(5)计算泄漏气体气团浓度C(x，y，z，t)：
Figure FDA0003938257520000031
10.一种气体泄漏扩散监测系统，其特征在于，包括：
泄漏气体流动状态判断单元，其用于在确定产生泄漏点后，判断泄漏气体的流动状态；
音速泄漏气体源强计算单元，其用于获取处于音速流动状态的泄漏气体的泄漏气体源强；
亚音速泄漏气体源强计算单元，其用于获取处于音速流动状态的泄漏气体的泄漏气体源强；
泄漏气体气团浓度计算单元，其用于计算气团类型为羽状气团的泄漏气体的气团浓度，以及，计算气团类型为重气体作用后气团的泄漏气体的气团浓度；
气体泄漏影响参数获取单元，其用于根据泄漏气体的气团浓度获取气体泄漏影响参数；
三维建模单元，其用于根据气体泄漏影响参数生成泄漏气体的气团的三维仿真模型；
加载单元，其用于在GIS地图上加载所述泄漏气体的气团的三维仿真模型。
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