基于ALOHA的城市燃气管道泄漏火灾爆炸影响区域的数值模拟

马庆春，张 博

基于ALOHA的城市燃气管道泄漏火灾爆炸影响区域的数值模拟

马庆春，张 博

(中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京 102249)

针对城市燃气管道泄漏事故，分析了燃气管道泄漏后可能会导致喷射火、气云燃烧和气云爆炸等事故后果类型，利用ALOHA模拟软件中的喷射火模型、闪火模型和气云爆炸模型对上述三种事故后果类型分别进行数值模拟，得到每种事故可能的影响区域，并根据事故后果的严重程度，将危险区域划分为不同的等级。最后以北京市某次高压燃气管道发生泄漏导致火灾爆炸事故为例，利用上述方法模拟可能导致的不同事故后果，得到事故的不同分区，并将图表中的模拟结果定位在地图中，实现了事故影响区域的直观表现，有助于为事故后的应急救援和人员紧急疏散提供地理位置信息。

ALOHA；燃气管道泄漏；火灾爆炸；影响区域；数值模拟

近年来，我国发生了多起燃气管道泄漏事故，严重时还导致火灾或爆炸事故的发生，威胁着附近居民的生命及财产安全，给人们的正常生活带来了严重的影响。据不完全统计，在2015年3～5月期间，全国范围内共发生107次燃气事故，其中燃气管道泄漏事故占20%左右。此外，近年来，北京市还发生多次燃气管道泄漏导致周边居民紧急疏散的事故，如2005年4月12日，亦庄开发区内施工不当导致管道泄漏，附近600多户居民被紧急疏散，2006年6月9日丰台区玉泉营附近燃气管道遭到施工破坏，附近百余居民被疏散[1]。因此，对燃气管道泄漏事故的影响区域进行研究，预估城市燃气管道泄漏造成的危害范围，能够使应急管理人员明确危险区域的范围，以便组织该区域内的人员按秩序安全撤离，减少人员伤亡和财产损失。

综合分析近年来发生的燃气管道泄漏事故，管道泄漏后的主要危害是火灾及爆炸。目前，针对燃气泄漏事故火灾爆炸的研究主要采用数学模型或数值模拟的方法来进行计算。数学模型主要包括气体泄漏数学模型、喷射火数学模型、气云爆炸数学模型等[2-6]。如韩朱旸等[7]对城市燃气管网泄漏后可能导致的不同事故后果及每种后果对应的物理模型进行了分析和综述；牛伟伟[1]对城市天然气管道泄漏的影响因素进行了分析，并将天然气管道泄漏后火灾爆炸数学模型应用到事故应急救援系统中。数值模拟方法主要是利用计算机软件对燃气管道泄漏情况进行模拟，如流体力学软件Fluent、气体泄漏扩散及爆炸软件FLACS、后果模拟软件PHAST及SAFETI等[8-12]，但这些数值模拟方法一般为离线模拟，过程比较复杂，计算耗时，不能在事故发生后实时地得出模拟结果，不利于应急人员及时做出疏散决策。

针对上述不足，本文通过ALOHA软件对燃气管道泄漏后的火灾爆炸情况进行数值模拟，利用其中的喷射火模型、闪火模型和气云爆炸模型对燃气管道泄漏后可能导致的喷射火、气云燃烧和气云爆炸事故的影响区域进行计算与评估，且过程简单，事故影响区域明了，便于事故后人员应急疏散时路径的优选。

1 城市燃气管道泄漏事故后果类型

城市燃气管道泄漏的原因通常包括以下几个方面：①管道腐蚀、老化出现小孔或裂纹，导致燃气从小孔或裂纹处泄漏；②管道受到第三方破坏，出现裂纹或断裂，致使燃气泄漏，如遭到外力撞击或车辆碾压等；③管道上的阀门或其他附件损坏，致使管线泄漏；④用户在使用过程中私自改装燃气管线，引起管道泄漏等。泄漏后的燃气将会与空气混合形成爆炸性混合气体，在遇到明火或其他点火源时很有可能发生火灾或爆炸[13-14]。

城市燃气管道泄漏后可能会导致喷射火、气云燃烧和气云爆炸三种不同的事故后果类型。

(1) 喷射火。管道在腐蚀、老化或第三方破坏情况下发生泄漏，如果管道内压力较高，燃气将会在高压作用下高速向外喷出。燃气在向外喷射过程中产生静电火花或遇到明火、电火花或其他点火源等，则很有可能形成向外喷射的火焰，导致发生喷射火，喷射火是燃气管道泄漏后比较常见的一种事故后果类型。

(2) 气云燃烧。正常运行的管道或开挖裸露在外的管道发生泄漏后，如果燃气没有在泄漏口立即点燃，将会沿管沟或通风口等向外扩散，并与空气充分混合形成爆炸性混合气体，在遇到明火等点火源后，很有可能引发气云燃烧或爆炸，气云燃烧将会产生大量的热辐射，对周边人员及环境造成严重的危害。

(3) 气云爆炸。气云爆炸发生的前提与气云燃烧类似，也是燃气在与空气充分混合后引起的，但气云爆炸的最大危害是产生较大的爆炸冲击波破坏。

虽然天然气密度比空气小，很难形成持续的气云，发生气云燃烧和气云爆炸的机率相对较小，但是气云燃烧和气云爆炸将会给周边居民的正常生活产生严重影响，造成一定危害，因此有必要对燃气泄漏可能导致的事故后果及其具体影响区域进行评估。

2 ALOHA数值模拟方法

ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)是为应对危险化学品泄漏及应急培训与演练开发的一种计算机模拟软件，其数据库内包含千余种化学品的信息，主要用于模拟危险化学品泄漏后的有毒气体扩散、火灾和爆炸过程。ALOHA模拟软件提供了气体直接扩散(Direct)、液池蒸发(Puddle)、储罐泄漏(Tank)和气体管道泄漏(Gas Pipeline)4种泄漏源形式，并通过一系列对话框的形式提示输入场景信息(如危险化学品信息、天气情况、泄漏源等)及设备信息等之后，以图表或文本框的形式输出计算结果，其操作简便、结果形象直观。ALOHA软件中气体管道泄漏源(Source)下的喷射火模型、闪火模型和气云爆炸模型可用于模拟城市天然气管道泄漏的火灾爆炸过程,其具体流程如下(见图1)：

(1) 设置危险化学品泄漏的位置、时间及泄漏点周围建筑物信息等。

(2) 在ALOHA数据库内选择具体的危险化学品。

(3) 设置危险化学品泄漏时的大气条件及其他环境信息，如环境温度、风速、风向、湿度、云层情况、地面粗糙程度等。

(4) 选择泄漏源并设置泄漏设备的具体信息，如温度、压力等。

图1 基于ALOHA的城市燃气管道泄漏火灾爆炸数值模拟流程Fig.1 Flow chart of numerical simulation of fire and explosion caused by the urban natural gas pipeline leakage based on ALOHA

(5) 以图表或文本的格式显示泄漏事故影响区域。

3 实例应用与分析

依据ALOHA对燃气管道泄漏后火灾爆炸的数值模拟流程，本文以北京市某段次高压燃气管道泄漏为例，建立燃气管道泄漏后火灾爆炸的基本模型，在此基础上利用ALOHA软件对燃气管道泄漏火灾爆炸事故的后果进行数值模拟，并估算事故的大致影响区域。

3.1 燃气管道泄漏事故概况

北京市某段次高压燃气管道发生管道破裂导致泄漏事故，其中事故发生地点具体位置如图2所示。事故发生当天为东风，平均风速为2 m/s，大气温度为20℃。泄漏管道全长30 km，直径为500 mm，管道的正常工作压力为0.7 MPa，管道内温度为20℃，泄漏口直径约为管道直径的20%[15]。

图2 燃气管道泄漏点位置示意图Fig.2 Schematic map of location of the natural gas pipeline leakage spot

3.2 燃气管道泄漏事故主要参数设置

表1为ALOHA软件模拟中的一些主要参数，包括泄漏物质、地理位置、大气环境和泄漏源等信息。

表1 燃气管道泄漏事故主要参数

3.3 模型求解

本次模拟主要涉及到的模型有喷射火模型、闪火模型和蒸气云爆炸模型。

3.3.1 喷射火

喷射火的主要危害是热辐射对周围人员的伤害及对建筑物的损害。ALOHA软件中以喷射火模型对喷射火热辐射进行模拟，并以喷射火热辐射在60 s内对人体造成致命伤害(10 kW/m2)、二度烧伤(5 kW/m2)和皮肤疼痛伤害(2 kW/m2)作为划分危险区域的3个界限[16]。

3.3.2 气云燃烧

气云燃烧的危害也是产生大量的热辐射。ALOHA软件中以闪火模型对气云燃烧进行模拟，并以爆炸下限LEL(Lower Explosive Limit)(5%)、60%LEL(3%)作为划分危险区域的2个界限。

3.3.3 气云爆炸

天然气发生气云爆炸的概率虽然小于气云燃烧，但气云爆炸产生的爆炸冲击波不仅会对人体产生致命伤害，而且对建筑物破坏也很大。ALOHA软件中以蒸气云爆炸模型对气云爆炸产生的冲击波进行模拟，并以爆炸冲击波对建筑物产生破坏(8.0psi)、人员严重伤害(3.5psi)和玻璃震碎(1.0psi)作为划分危险区域的3个界限。

3.4 模拟结果与分析

3.4.1 喷射火

该燃气管道泄道可能发生喷射火事故的影响区域数值模拟结果见表2,将燃气管道泄漏发生喷射火的可能区域在地图中的显示见图3。由图3可见，喷射火热辐射的影响区域内除了建筑工地以外，并没有覆盖其他人员密集场所；此外泄漏点位于交叉路口旁，因此如果天然气泄漏后发生喷射火，将会对过往行人及靠近泄漏点的建筑工地内的人员产生较大的伤害。

表2 燃气管道泄漏可能发生喷射火事故的影响区域

图3 燃气管道泄漏可能发生喷射火事故的影响 区域示意图Fig.3 Schematic diagram of the affected areas of the possible jet fire accident caused by the natural gas pipeline leakage

3.4.2 气云燃烧

燃气管道泄漏可能发生气云燃烧的影响区域的数值模拟结果见表3。模拟所得数据是用2个小于或等于爆炸下限的值LEL和60%LEL作为划分依据，因此得到的结果可能会略大于真实值，但并不影响考虑后续的应急疏散等。燃气管道泄漏发生气云燃烧的可能区域在地图中的显示见图4。由图4可见，泄漏点以西约78 m内为危险区，并且由于风向的不确定性，天然气可能还会向西北或西南方向扩散。因此，为了防止发生火灾或爆炸事故，应该尽快通知危险区域内人员停止可能产生点火源的行为，并组织危险区域内居民向泄漏点以东方向疏散，以尽可能减小人员伤亡的可能。

表3 燃气管道泄漏可能发生气云燃烧事故的影响区域

图4 燃气管道泄漏可能发生气云燃烧事故的影响 区域示意图Fig.4 Schematic diagram of the affected areas of the possible vapor cloud fire caused by the natural gas pipeline leakage

3.4.3 气云爆炸

燃气管道泄漏可能发生气云爆炸事故的影响区域的数值模拟结果见表4,燃气管道泄漏发生气云爆轰的可能区域在地图上的显示见图5。由图5可见，燃气管道泄漏发生气云爆轰后对周围80多米内的区域都会产生影响，且危害较大，周围31 m内的非加固建筑物将会遭到毁坏，人员也会受到严重伤害。因此，一旦发生燃气泄漏，要在尽量短的时间内进行人员疏散，以避免人员伤亡和财产损失。

表4 燃气管道泄漏可能发生气云爆炸事故的影响区域

图5 燃气管道泄漏可能发生气云爆炸事故的影响 区域示意图Fig.5 Schematic diagram of the affected areas of the possible vapor cloud fire caused by the natural gas pipeline leakage

4 结论与建议

本文针对城市燃气管道泄漏事故，分析了燃气管道泄漏后可能导致的事故后果，利用ALOHA模拟软件对不同的事故后果进行了数值模拟，确定出事故可能的影响区域，并对其进行危险区域划分。通过实例应用，利用上述方法模拟可能导致的不同事故后果，得到事故的不同分区，并实现了事故影响区域的直观表现，从而验证了可将ALOHA软件模拟作为确定城市燃气管道泄漏事故影响区域的重要手段。此外，由于本文只是对燃气管道泄漏后可能导致的事故的影响区域进行估计，并没有对泄漏事故进行详细的风险分析，因此今后可以在此基础上对燃气管道泄漏事故后果进行研究，为制定准确的应急救援预案奠定基础。

[1] 牛伟伟.城市燃气管道事故应急救援系统研究[D].北京:首都经济贸易大学,2012.

[2] 魏立新,辛颖,余斌.大庆油田天然气管道泄漏事故后果模拟[J].油气储运,2008,27(6):41-43.

[3] 陈杰,石超,李求进,等.CNG加气站事故后果分析方法研究[J].中国安全生产科学技术,2009,5(5):79-82.

[4] 吴峰,王锐.天然气管道泄漏事故后果量化评价分析[J].煤气与热力,2012,32(5):B34-B36.

[5] 孙永庆,钟群鹏,张峥.城市燃气管道风险评估中失效后果的计算[J].天然气工业,2006,26(1):120-122.

[6] 张琼雅.城镇天然气管道泄漏扩散的CFD模拟及后果分析[D].重庆:重庆大学,2013.

[7] 韩朱旸,翁文国.燃气管网定量风险分析方法综述[J].中国安全科学学报,2009,19(7):154-162.

[8] Mohammad D,Faisal K,Kelly H,et al.An integrated approach for fire and explosion consequence modelling[J].FireSafetyJournal,2013,61:324-337.

[9] Dan S,Lee C,Park J,et al.Quantitative risk analysis of fire and explosion on the top-side LNG-liquefaction process of LNG-FPSO[J].ProcessSafetyandEnvironmentalProtection,2014,92:430- 441.

[10]Yet P,Shu C,Chong C.Applications of 3D QRA technique to the fire/explosion simulation and hazard mitigation within a naphtha-cracking plant[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2009,22:506-515.

[11]Dadashzadeh M,Abbassi R,Khan F,et al.Explosion modeling and analysis of BP deepwater horizon accident[J].SafetyScience,2013,57:150-160.

[12]Shao H,Duan G.Risk quantitative calculation and ALOHA simulation on the leakage accident of natural gas power plant[J].ProcediaEngineering,2012,45:352-359.

[13]亢永,许开立,刘家喜.城市燃气管道系统安全管理模式探讨[J].安全与环境工程,2013,20(3):91-93.

[14]刘振伟,程五一,阮星岛，等.燃气管道泄漏立体式隐患排查及危险性评估[J].安全与环境工程,2014,21(6):144-148.

[15]王琪华.北京通州区天然气管道泄漏火灾事故处置纪实[J].中国应急救援,2015(1):44-48.

[16]唐少佳,王炜,刘茂.ALOHA在危险品公路运输应急决策支持系统中的应用[J].安全与环境学报,2007,7(4):122-125.

Numerical Simulation of Fire & Explosion-affected Areas Caused by the Urban Natural Gas Pipeline Leakage Based on ALOHA

MA Qingchun,ZHANG Bo

(CollegeofMechanicalandTransportationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China)

Aiming at the leakage accidents of the urban natural gas pipeline,this paper analyzes the types of accident consequences including jet fire,flash fire and vapor cloud explosion.Then the paper conducts numerical simulations of the above three types by applying the corresponding models in ALOHA to obtain the affected areas under each accident scenario.Next,the paper divides the dangerous areas into different levels based on accident consequences.Lastly,the paper takes the fire and explosion accidents caused by the leakage of a sub-high pressure natural gas pipeline in Beijing as an example,applies the above method to simulate the possible accident consequences and obtain the sub-regions.Besides,in order to realize the visualization of the affected areas,the paper shows the simulation results on Google Earth,which shall be helpful for emergency rescue and evacuation after accidents by providing geographical position information of the accidents.

ALOHA;natural gas pipeline leakage;fire and explosion;affected area;numerical simulation

张明广(1981—)，男，副教授，主要从事化工园区风险分析方面的研究工作。E-mail：tianzhuima@sina.com

1671-1556(2016)02-0075-05

2015-07-27

2015-10-14

马庆春(1972—)，女，博士，副教授，主要从事石油化工安全检测与事故模拟技术等方面的研究。E-mail: maqingchun@cup.edu.cn

X928.7;TU996.7

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.02.015