鄭州大學(xué)畢業(yè)論文題目：煤氣泄漏的危害后果計算方法研究學(xué)生姓名： 徐煥生（20120350221）指導(dǎo)教師： 劉詩飛（副教授）專 業(yè)： 安全工程專業(yè)學(xué)院（系）：力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院2016 年 6 月 1 日鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文目 錄摘要 .01 緒論 .11.1 選題背景和意義 .11.2 氣體泄漏國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .11.3 氣體泄漏研究的主要方法及本文的研究方法 .21.4 主要工作 .22 煤氣泄漏擴散模擬的理論基礎(chǔ) .32.1 煤氣泄漏事故的危害性 .32.2 煤氣泄漏模型的分類 .42.3 煤氣擴散數(shù)學(xué)模型的選取 .83 Fluent 理論基礎(chǔ)及研究方法 .93.1 軟件介紹 .93.2 控制方程 .93.3 湍流模型 .104 煤氣管道泄漏擴散的數(shù)值模擬 .114.1 擴散模型的基本假設(shè)條件 .114.2 模擬背景模型的建立 .114.3 FLUENT 中求解的設(shè)置 .144.4 模擬結(jié)果分析 .155 煤氣泄漏事故后果模擬 .195.1 環(huán)境風(fēng)速對毒害范圍的影響規(guī)律 .195.2 泄漏孔徑對毒害范圍的影響規(guī)律 .215.3 泄漏線速度對毒害范圍的影響規(guī)律 .236 微機數(shù)值模擬與計算結(jié)果的比較 .256.1 煤氣泄漏擴散基礎(chǔ)參數(shù)的選擇 .256.2 煤氣泄漏后不同風(fēng)速毒害范圍的計算 .266.3 煤氣泄漏后不同泄漏孔徑毒害范圍的計算 .27鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文6.4 煤氣泄漏后不同泄漏線速度毒害范圍的計算 .286.5 兩種數(shù)值模擬方法的比較 .296.6 兩種數(shù)值模擬方法的優(yōu)劣 .317 煤氣泄漏應(yīng)急救援 .317.1 應(yīng)急組織機構(gòu) .317.2 應(yīng)急救援 .327.3 應(yīng)急結(jié)束 .328 結(jié)論 .33致謝 .34參考文獻 .35鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文0摘 要煤氣在生產(chǎn)、運輸、使用的過程中存在很大的風(fēng)險，容易發(fā)生泄漏導(dǎo)致事故的發(fā)生，造成財產(chǎn)損失人員傷亡。煤氣是易燃易爆的氣體，煤氣擴散到大氣中后遇火源可能會發(fā)生火災(zāi)和爆炸，還會引發(fā)中毒事故。泄漏氣體會給處在泄漏產(chǎn)所的人員帶嚴重的生命安全威脅，因此研究煤氣泄漏擴散規(guī)律以及其泄漏后毒害范圍的影響因素是很有必要的。本文用CFD軟件Fluent模擬了煤氣管道在不同環(huán)境風(fēng)速、泄漏孔徑和不同泄漏線速度下煤氣泄漏擴散的情況，并得出了煤氣泄漏擴散的一般規(guī)律以及不同參數(shù)條件對煤氣泄漏后毒害范圍的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上還用擴散模式進行了煤氣泄漏后毒害范圍的計算，并把計算結(jié)果與微機數(shù)值模擬結(jié)果進行了比較，分析了兩者的差異和各自的不足。本文的結(jié)論將為工業(yè)產(chǎn)所應(yīng)急救援提供技術(shù)和理論支持，對組織應(yīng)急救援有著重要意義。關(guān)鍵詞：煤氣，泄漏模式，數(shù)值模擬，應(yīng)急響應(yīng)ABSTRACTThe gas leakage cause the accident easily,which in the process of production, transportation and using.The gas is the gases of flammable and explosive.The gas maybe cause the fire and explosion,even cause the poisioning accident when the gas diffusion into the atmosphere.Gas leak will bring the threat of life to the people in the leakage ,so it is necessary to research the rule of gas leak.The paper reach a decison about rules of gas leak through simulating the situations of the gas leak in different air speed 、different leakage area and different leakage speed.On the basis of this the paper uses the diffusion model to calculate the scope of the leaking gas. In the end the paper compared numeric calculation with number simulation and analyzed the diferences and shortcoming betweed numeric calculation and number simulation. The conclusion of this paper will provide theoretical support for chemical enterprise, it is important to emergency rescue.Key words: Gas; Leakage model; Numerical simulation; Emergency response鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文11 緒論1.1 選題背景和意義1.1.1 研究背景近年來我國工業(yè)煤氣泄漏事故屢有發(fā)生，事故后果非常嚴重，其中主要原因就是一旦事故發(fā)生后人們無法準(zhǔn)確的得出泄漏氣體的毒害范圍，不能第一時間做出正確的救援方案。工業(yè)場所煤氣泄漏擴散過程十分復(fù)雜，泄漏擴散過程受到泄漏源強、泄漏源高度、環(huán)境風(fēng)速、泄漏速度等因素的影響。而泄漏事故后果又十分嚴重，所以研究煤氣泄漏擴散規(guī)律就顯得十分重要。1.1.2 研究目的及意義在我國煤炭資源是目前工業(yè)企業(yè)中不可替代的能源，而煤氣在給企業(yè)帶來經(jīng)濟效益的同時，也給人們的生命財產(chǎn)安全帶來威脅。煤氣的泄漏往往造成火災(zāi)爆炸、中毒等嚴重的事故后果。本文對煤氣泄漏危害后果計算方法的研究將有助于指導(dǎo)工業(yè)企業(yè)在煤氣泄漏事故發(fā)生后及時采取正確的應(yīng)急救援措施，有助于化工企業(yè)或者相關(guān)政府部門在事故發(fā)生后了解煤氣泄漏擴散趨勢和毒害范圍的分布，并且可以以本文的研究為依據(jù)指導(dǎo)事故后的應(yīng)急救援工作。本文還建立了煤氣泄漏后的風(fēng)險控制對策并制定了相應(yīng)的應(yīng)急救援措施，可為化工企業(yè)或政府相關(guān)部門提供參考。本文成果也為環(huán)保部門在煤氣泄漏事故發(fā)生后對環(huán)境危害后果的評估提供了參考依據(jù)，對環(huán)境保護也有十分重要的意義 2。1.2 氣體泄漏國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究現(xiàn)狀國外在氣體泄漏這方面的研究相對成熟，不少國外學(xué)者也提出了許多擴散的計算模型，主要的數(shù)值擴散模型有高斯模型(Gaussian plume/puff model ),BM 模型、Sutton 模型、FEM ( 3-D Finite Element Model)等等。 隨著計算機的普及和計算能力的不斷提高，微機數(shù)值模擬得到了迅速的發(fā)展。利用計算機軟件進行氣體泄漏擴散規(guī)律的研究被越來越多的專家學(xué)者所采用。這種數(shù)值方法通過建立基本守恒方程，結(jié)合邊界條件，用數(shù)值計算理論實現(xiàn)對泄漏流體的濃度場、溫度場、流場等的模擬，達到了對擴散過程的詳細描述。通過軟件來實現(xiàn)預(yù)報真實的泄漏過程完全有可能取代現(xiàn)場試驗來研究流體泄漏擴散規(guī)律。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)關(guān)于危化氣體泄漏擴散的研究起步比較晚，投入資源也不太多。在“八五”期間，中國石化公司安全工程研究院提出了有關(guān)泄漏擴散的 HLY 模型；與此同時，原化鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文2工部勞動保護研究所也研究總結(jié)了有毒有害物質(zhì)的事故性泄漏，并建立起事故性泄漏模式及泄漏源模型 1。全國各大高校如大連理工大學(xué)、北京化工大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)等也都相繼開始關(guān)注并研究危化氣體泄漏擴散，也都取得了一定成果。1.3 氣體泄漏研究的主要方法及本文的研究方法 目前，學(xué)術(shù)界流行的有關(guān)?；瘹怏w泄漏及其擴散的研究方法有如下幾種：（1）風(fēng)洞試驗 風(fēng)洞實驗具有準(zhǔn)確性高、實驗效率高等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在空氣動力學(xué)研究中。然而，?；瘹怏w擴散在現(xiàn)實條件下受多方面因素的影響，這種方法不能模擬出實際存在的全部因素具有局限性；而且風(fēng)洞實驗消耗費用較高，運行時間長、難度大，所以并沒有被廣泛用于?；瘹怏w的研究當(dāng)中。（2）實驗研究法 實驗研究法能夠反映出?；瘹怏w泄漏后的擴散和分布情況，但實驗研究法對復(fù)雜的實際情況的實驗結(jié)果并不是很準(zhǔn)確，而且實驗研究法需要大量時間、人力來完成實驗，對研究人員的要求也很高。（3）計算機數(shù)值模擬計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)值模擬的普遍應(yīng)用使得人們越來越多的依靠微機數(shù)值模擬的方法來研究氣體泄漏擴散規(guī)律。計算機功能的升級，使得一些龐大的、復(fù)雜的實際問題可以在較短的時間內(nèi)被解決；并且可以把模擬結(jié)果使用圖形直觀、形象的呈現(xiàn)出來。計算機仿真模擬有這樣優(yōu)勢，不可避免的也有自己的劣勢，就是仿真結(jié)果真實性往往容易受到人們的質(zhì)疑。針對這樣缺點，唯一的解決辦法就是針對相關(guān)問題建立物理模型并進行實驗研究，然后對比模擬結(jié)果與實驗結(jié)果能否吻合，來確保計算機模擬的可靠度。本文的研究方法：本文采用微機數(shù)值模擬和理論分析計算相結(jié)合的方法研究煤氣泄漏擴散規(guī)律。選擇CFD 計算軟件 Fluent 進行仿真模擬，針對不同泄漏參數(shù)進行模擬，在對模擬結(jié)果總結(jié)的基礎(chǔ)上與理論計算的結(jié)果做對比，總結(jié)出煤氣泄漏擴散規(guī)律以及毒害范圍的影響因素。1.4 主要工作本文研究的主要工作有： （1）對工業(yè)場所煤氣泄漏擴散研究的必要性。（2）根據(jù)危化氣體擴散理論基礎(chǔ)結(jié)合煤氣理化特性，選擇合適的數(shù)值模型進行數(shù)值模擬。（3）選擇 Fluent 軟件進行數(shù)值模擬，用 Gambit 軟件建立模型，劃分網(wǎng)格；針對具體情況設(shè)定流場初始條件、邊界條件；利用迭代掃描完成計算。（4）處理數(shù)值模擬結(jié)果，得出模擬條件下煤氣的濃度分布圖。（5）將模擬結(jié)果結(jié)合模擬條件得出工業(yè)場所煤氣泄漏擴散中風(fēng)速、泄漏口面積、泄漏線速度對其危險擴散區(qū)域的影響規(guī)律。鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文3（6）根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果以及煤氣泄漏擴散的一般規(guī)律制定泄漏事故發(fā)生后的應(yīng)急救援預(yù)案。2 煤氣泄漏擴散模擬的理論基礎(chǔ)2.1 煤氣泄漏事故的危害性2.1.1 火災(zāi)和爆炸危害煤氣是由多種可燃氣體以及有些惰性氣體混合而成的混合氣，常見的煤氣種類主要有：焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、水煤氣等幾種，它們的主要成分及主要性質(zhì)見表 2.1。表 2.1 煤氣的成分及主要性質(zhì)Tab. 2.1 The composition and main nature of gas成分% 焦?fàn)t煤氣 高爐煤氣 發(fā)生爐煤氣 轉(zhuǎn)爐煤氣 水煤氣甲烷 2030 36 1.2碳氫化合物 2 0.5一氧化碳 58 2730 2631 6070 3438氫氣 5560 1.51.8 910 52氮氣 78 5557 55 4二氧化碳 33.5 812 1.53.0 8.2發(fā)熱量（ ）3/kNmcal39004400 850950 14001700 18002200 2737重度（ ）g0.450.55 1.295 1.081.25燃點 600650 700 700 6500700 600主要性質(zhì)無色有臭味有毒易燃易爆無色無味有劇毒易燃易爆有色有臭味有劇毒易燃易爆無色無味有劇毒易燃易爆無色有劇毒易燃易爆從上表可以看出煤氣的主要成分是一氧化碳、氫氣和甲烷等，而一氧化碳、甲烷以及氫氣都是易燃易爆氣體，這也就決定了煤氣具有易燃易爆的特性。由于氣體燃燒不需像固體、液體那樣要經(jīng)過熔化、分解、蒸發(fā)等相變過程，而在常溫常壓下就可以按任意比例和氧化劑相互擴散混合，在混合達到一定濃度時，遇點火源即可發(fā)生燃燒（或爆炸）鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文4。因此氣體的燃燒速度大于固體液體。氣體的燃燒形式主要有擴散燃燒和預(yù)混燃燒兩種：（1）擴散燃燒，擴散燃燒是指可燃氣體與氣體氧化劑一邊混合一邊燃燒。氣體混合速度決定氣體的燃燒速度，氣體擴散多少就燒掉多少。擴散燃燒的特點是火焰不運動可燃氣體和氣體氧化劑在可燃氣噴口進行。（2）預(yù)混燃燒，預(yù)混燃燒是指可燃氣體和空氣預(yù)先混合，遇到火源產(chǎn)生帶有沖擊力的燃燒。這種形式的燃燒具有燃燒速度快、溫度高、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓奶攸c。煤氣爆炸造成的破壞通常有直接的爆炸作用，沖擊波和火災(zāi)等三種形式，往往都會造成嚴重的后果。（1）直接的爆炸作用，是指爆炸直接作用于爆炸源周圍的人員、建筑以及設(shè)備，造成人員傷亡、建筑設(shè)備的損壞等。（2）沖擊波的破壞作用，爆炸時所產(chǎn)生的高溫高壓氣體以極高的速度膨脹，像活塞一樣壓縮未燃區(qū)域的氣體，將爆炸產(chǎn)生的能量傳遞給周圍空氣，空氣受到?jīng)_擊從而形成沖擊波。沖擊波在傳播過程中會對周圍的人員造成傷害對機械設(shè)備以及建筑物造成一定程度的毀壞。（3）火災(zāi)，煤氣泄漏后與空氣混合發(fā)生爆炸一般都會引起火災(zāi)。2.1.2 毒性危害工業(yè)場所中使用的煤氣的主要成分有一氧化碳、氫氣和甲烷等，其中氫氣和甲烷并沒有毒性危害，但是對于高濃度的氫氣和甲烷也會造成人員的窒息。下面主要介紹一下一氧化碳的毒性危害。（1）理化性質(zhì)：一氧化碳（CO）為無色、無味有毒的氣體，相對密度 0.967，熔點-205.1，沸點 -191.5，自燃點 608.89，與空氣混合爆炸極限 12%75%，在空氣中燃燒呈藍色火焰，遇熱、明火易發(fā)生燃燒爆炸，在 400700 間分解為碳和二氧化碳，微溶于水易被稀氨溶液吸收。（2）中毒機理：一氧化碳（CO）經(jīng)呼吸道進入體內(nèi)迅速與血液中的血紅蛋白（Hb）結(jié)合，形成碳氧血紅蛋白（HbCO）；由于 CO 與 Hb 的親和力比氧與 Hb 的親和力約大 300 倍，故小量的 CO 即能與氧競爭，充分形成 HbCO，而使血液攜氧能力降低。（3）中毒表現(xiàn)：輕度中毒主要表現(xiàn)為以腦缺氧為主的臨床癥狀，如劇烈的頭痛、頭昏、四肢無力、惡心、嘔吐，或出現(xiàn)輕度至中度意識障礙；中度中度除上述癥狀加重外，出現(xiàn)淺至中度昏迷；重度中度出現(xiàn)深昏迷或去大腦皮層狀態(tài)。2.2 煤氣泄漏模型的分類本文研究的煤氣泄漏的危化后果計算方法主要是通過對工業(yè)場所中煤氣(一氧化碳)泄漏后的動態(tài)擴散情況進行量化計算，而要實現(xiàn)準(zhǔn)確的計算的前提就是要選擇相對準(zhǔn)確的泄漏擴散數(shù)學(xué)模型，泄漏擴散數(shù)學(xué)模型的選擇直接關(guān)系到了計算和預(yù)測結(jié)果的精確性。鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院 2016 屆本科畢業(yè)論文5而為了簡化模型，方便計算模擬，本文對煤氣管道的泄漏擴散進行數(shù)值模擬與分析，在眾多氣體擴散模型中，結(jié)合煤氣的理化特性，選擇合適的模型作為研究煤氣擴散的應(yīng)用模型。確定泄漏速率是分析泄漏擴散和評價事故危害后果的關(guān)鍵所在，泄漏速率的確定所依據(jù)的模型是小孔泄漏模型、管道泄漏模型和大孔泄漏模型。小孔泄漏模型假設(shè)比較多計算也較為方便；大孔泄漏模型假設(shè)比較少計算結(jié)果相對準(zhǔn)確；管道泄漏模型是大孔泄漏模型的一種特殊情況。近幾年有許多學(xué)者對?；瘹怏w在管道中的輸送、泄漏檢測以及管道泄漏模型等方面做了大量的研究，為管道氣體泄漏危險區(qū)域的劃分和事故后果評價提供了依據(jù)。氣體泄漏模型一般分為如下幾類：（1）一般泄漏速率模型：一般速率泄漏模型是通過判斷泄漏時氣體流動屬于聲速（臨界流）還是亞聲速（次臨界流）流動來確定其泄漏速率模型。當(dāng) 時，氣體流動屬于音速流動（臨界流），有：12kap（2.1）12qkordmRT