摘要：预防和控制燃气泄漏事故的发生以及合理评价燃气事故的风险，是燃气输运安全领域研究的重点课题，其关键技术在于燃气泄漏位置的确定。为了更加科学合理地对燃气事故进行预防、控制和评价，提出了基于首末端监控的双向同步仿真与实地监测相结合的时差最小化的三色泄漏定位方法和基于GIS的城市燃气管网区域风险评价方法，并针对其实现关键技术进行了探讨和分析：以增加耗散项和初始点、延长出口点的方法，简化了动态仿真模型求解过程，增加了结果的稳定性；建立了变孔径泄漏及扩散综合计算模型，运用格林函数得出了其相应经验解析公式，弥补了非定常泄漏研究及其扩散技术模型无法对泄漏扩散浓度做出合理可靠分析的不足；对燃气浓度极限和冲击波致人伤亡的危险性给予了分析。

关键词：燃气管道；泄漏；预警；GIS定位；区域；风险评价

    城市燃气管网是一个分布在人口和建筑集中区域的复杂系统，其安全运行受到许多因素的影响，一旦发生燃气泄漏、火灾爆炸事故，将会造成严重的人员伤亡和财产损失^[1～3]。预防和控制燃气泄漏事故的发生，合理评价燃气事故的风险，成为燃气输运安全领域研究的重点之一。泄漏位置的确定^[4～7]是预防和控制燃气泄漏事故、评定燃气泄漏事故后果的基础，也是目前燃气输运安全领域研究的重点，但在实际应用过程中，还存在较多的问题。风险评价在燃气输运领域才开始初步的研究，且目前主要采用的是将单纯事故发生所造成的后果与事故概率相结合的方法来进行分析。为了能够更科学合理地对燃气事故进行预防、控制和评价，对围绕燃气管网泄漏定位、动态泄漏的泄漏率及泄漏量的分析计算、泄漏燃气的扩散规律及事故的伤害和破坏范围、三维GIS管网绘制、区域风险评价等进行了初步的探讨，并对其关键技术进行了研究。

    为了降低监控成本，提高报警的精确度，排除误报警的可能性，采用首末端监控的同步双向仿真双对比的三色泄漏报警及定位法来进行研究。

1.1.1黄色泄漏报警

    当燃气泄漏事故发生时，为了安全、快速、便捷地进行抢修和救灾，将事故的危害性降到最低，就必须要快速准确地在燃气泄漏事故发生时给予预警。当管道发生泄漏时，泄漏点处由于管道内外的压差，流体迅速流失，压力下降，泄漏点两边的流体由于存在压差而向泄漏点处补充，这一过程依次向上下游传递。因此，当泄漏发生时相关信息传输到监测点，测得的压力、流量参数将与同一时刻用仿真方法所得压力和流量参数存在较大的误差。为了能够在最短时间内发现泄漏，将利用智能数据采集模块和数传电台同时对管线两端的数据进行实时采集，对比前后两时刻首末端压力参数，如果差值较大，则此时发出黄色泄漏报警。

1.1.2橙色泄漏报警及误报排除

    为确保报警精度及排除误报警，此时分别利用该时刻首端和末端参数分别为初始条件对管网进行首末端仿真，分别得到管线的压力分布曲线2和曲线3。仿真压力分布及定位如图1所示(曲线1为管道首端为固定输入气源情况下，泄漏前一时刻仿真压力分布曲线；曲线为管道首端为非固定输入气源情况下，泄漏前一时刻仿真压力分布曲线)。如果此时曲线2和曲线3首末端的压力相对误差均较大，且不在仿真允许误差范围内，则此时可发出橙色泄漏报警。反之，如果误差较小，在允许的误差范围内，则可认为此时压力变化是由于管道输送流量或者用户使用量发生变化造成的，此时则可解除泄漏报警。

 

1.1.3红色泄漏报警及误报排除

    为了进一步提高报警的精确性，排除误报警的可能性，此时必须调用下一时刻参数，分别进行首末端仿真，如果此时仿真压力分布曲线2和曲线3的首末端压力值相对误差均较小，且在仿真允许误差范围之内，同时，两条曲线2和曲线3之间相对误差也较大，此时，则可以发出泄漏红色报警，即确定泄漏事故发生。反之，则取消泄漏报警。

1.2.1泄漏预警基础时间确定

    为了缩短泄漏事故的报警时间，提高报警精度，采用双向同步系统仿真的方法。此时能确定泄漏发生的最短时间为min(τ₁，τ₂，τ₃)^[4]，其中：τ₁为泄漏所造成的扰动传播到管道首端所需时间；τ₂为泄漏所造成的扰动传播到管道终端所需时间；τ₃为泄漏所造成的扰动熵变过程传播到管道终端所需时间。

1.2.2监控及仿真时间间隔的确定

    一般说来，泄漏监控及仿真数据时间间隔越小越好，但是根据2.1中黄色报警最小时间理论来看，在实际运行中时间间隔需要考虑采集系统的设置，同时仿真软件在针对管网进行仿真时也是需要一定时间的。如果针对全程监控管道而言，则△τ可以取一个较小的值，以实现理论时间报警。

1.2.3泄漏预警时差最小化时间

    根据上述分析可知，文献[4]、[5]所得到的时间不可能是实际运行中得到发出最终警报的最短时间，在实际情况下，当泄漏事故发生时，真正的最短报警时间应该是发出黄色预警时间(τ_y)、橙色预警时间(τ_o)和红色预警时间(τ_r)之和，即：

    τ=τ_y+τ_o+2τ_r+2τ_f    (1)

τ_y的确定就成为泄漏定位时间的关键，而τ_y为：

 

    目前针对监控点实施实时数据采集监控已是一件非常容易的事情，故此，△τ值采用一个较小的时间。此时，τ_y可用泄漏信息传播所需时间min(τ₁，τ₂，τ₃)来近似表示。故此，泄漏最小化时间可简化为：

    τ=τ_y+τ_o+2τ_r=τy+2τ_f=min(τ₁，τ₂，τ₃)+2τ_f    (3)

    仿真压力分布曲线2和曲线3交叉点所在的离散点所代表区域即为泄漏点所在区域。其具体泄漏位置的确定，则可根据管网网格化点进行分析计算得到。

由于泄漏报警需要采用系统仿真来进行，因此管网仿真模型及求解方法也需要给予考虑和分析。针对管网动态非等温仿真模型已进行了一定的研究，但其在工程实际方面的应用国内还鲜有报道。动态非等温数学模型可以表示为^[1]：

 

但目前的模型求解方法给予了较多的简化，求解结果可靠性大大降低，同时其求解结果方法也相对较为烦琐^[1]。在此，将针对动态非等温仿真模型的求解方法给予改进。

 

    根据Crank-Nicolson格式，并通过在方程的右端添加四阶耗散项和耗散格式修正项以避免定常数值解中出现奇偶失联波动并增强格式稳定性。同时，为了保证模型求解过程的稳定性，在公式左端添加二阶耗散项来实现。同时，根据文献[8]的简化条件和方法，将采用延长初始时刻和延长出口点数的方法以简化的求解。

    燃气管网区域风险评价将从泄漏率和泄漏量、泄漏动态扩散、火灾爆炸事故危险性、事故概率、事故区域风险等方面入手进行分析。

    当燃气输运管道发生大孔径泄漏时，由于气源的存在，在一定时间内，可认为泄漏维持一种定常泄漏状态。而当气源被自动或人为切断后，泄漏将会呈现出一种泄漏率逐渐降低，直到停止的过程。目前泄漏扩散的研究，还无法对上述泄漏情况的扩散浓度做出合理可靠的分析。为此，将针对燃气动态泄漏扩散模型结合稳态扩散模型来进行分析。

根据质量守恒方程可以得到此时非稳态泄漏率的表达式^[3]：

 

据临界压力判别标准，并结合临界流、亚临界流变孔径孔口泄漏下任意时刻的P、T、ρ、Q_m、m的计算关系式^[1]，运用格林函数可得出其温度和压力经验解析公式如下：

   

    通过进一步分析计算，确立变孔径泄漏模型(小孔、大孔及管道模型)的适用相对孔径范围，并确定出各影响因素对泄漏率和泄漏量的影响。