摘要
点源模型、THORNTON模型和API RP521模型是计算分析喷射火事故后果的3种基本理论模型。本文对以上3种喷射火事故后果模型进行了对比分析，找出了各模型的优缺点，指出了各模型的适用范围，可为有效控制天然气管道喷射火事故提供一定的指导意义。
关键词：天然气管道 喷射火 事故后果
引言
易燃、易爆是天然气的固有特性，管道一旦发生泄漏，极有可能引起火灾、爆炸事故，导致巨大的财产损失和人员伤亡。而喷射火是天然气管道失效泄漏后果中最普遍的一类火灾情形，且相比闪火、火球、蒸气云爆炸等事故，喷射火事故发生的可能性较高。喷射火的主要危害是热辐射，其事故一旦发生，会对天然气管道周围人员和财产安全造成极大伤害，事故后果较为严重。因此，对喷射火事故的危害后果进行研究具有重大意义。目前，喷射火热辐射影响的计算模型主要有：点源模型、THORNTON模型和API RP521模型等。笔者对这三种模型进行了对比分析，找出了各模型的优缺点，指出了各模型的适用范围，这不仅可为正确评估喷射火的伤害范围及划分安全距离提供科学依据，也有助于企业制定防范措施和事故应急预案，对有效控制天然气管道喷射火事故具有重大意义。
正文
1 喷射火事故后果计算模型
目前，国内外计算热辐射的经典数学模型主要有两种：点源模型和固体火焰模型[1]。其中，固体火焰模型主要包括THORNTON模型、APIRPS21模型等。
1.1 点源模型
描述喷射火的点源热辐射计算模型是一种包括气流效应在内的喷射扩散模式的扩展。它把整个喷射火看成是由沿喷射中心线上的全部点热源组成，每个点热源的热辐射通量相等[2]。热辐射通量可根据如下公式进行计算：
式中：
q–点热源热辐射通量，kW；
h-效率因子，可取0.35；
Qo-泄漏速度，kg/s；
Hc-燃烧热，kJ/kg，对天然气而言，可取55600kJ/kg。
对于风险评价分析来讲，通常用喷射中心线上的5个点热源来比作喷射火焰。另外，在喷射火热辐射强度的计算中存在很多的未知因素，为了方便计算，假定喷射火为喷射中心线上一个能量集中的点热源。据此与假定点热源相距X处的目标所受到的热辐射强度即为：
式中：
I-目标点相距点热源X处的热辐射强度，W/m2；
q-点热源热辐射通量，kW；
l -辐射率，一般取0.2；
X-目标点到点热源的距离，m。
1.2 THORNTON模型
THORNTON模型是经过了大量的科学验证，并且在陆地和水面上进行了大量的试验得到的。该模型假定喷射火形状为平截体圆锥形，同固体表面一样具有相同的表面辐射率[4]，有风条件下喷射火形状。
该模型将喷射火热辐射强度的计算大致分为4个部分[5-10]：
（1）计算扩展喷射的出口速度。在出口速度的计算中，需要可燃物质的相关物理参数，主要有相对分子质量、气体存储条件、泊松常数等。
（2）计算火焰形状尺寸。火焰的位置和形状的计算是该部分的主要内容。火焰倾角和从地上升距离的确定是位置计算的主要部分，火焰表面积的确定是火焰形状计算的主要部分。
（3）计算火焰表面热辐射率。喷射火焰表面热辐射比率与每秒的燃烧能量相乘再与喷射火焰面积相除，可得喷射火焰表面热辐射率。
（4）计算某一距离目标所受热辐射强度。
对于稳态燃烧区域外的某一点，其接受到的热辐射强度为：
式中：
r-目标距离泄漏口的距离，m；
I(r)-距离r处的辐射强度kW/m2；
Tjet-辐射率系数，取0.2；
Hc-甲烷的燃烧热，55600kJ/kg；
Q0-天然气的泄漏速度kg/s；
h-效率因子，取0.35。
1.3 API RP521模型
API RP521模型是美国石油学会提出的用于模拟喷射火的半经验模型，属于固体火焰模型。该模型认为火焰由于风或重力的影响变弯，近似为香蕉形，把火焰分成9段，用10个截面圆的半径、圆心坐标、截面圆与水平方向的倾角来描述火焰形状[2,6]。
2 喷射火模型的对比分析
（1）点源模型忽略了喷射火的形状尺寸、管道的破裂面积，气象环境条件等因素，简化喷射火焰是由喷射中心线上的点热源组成，与喷射火焰的实际情况存在一定差异，因而该模型的计算过程较为简单，但目标所受喷射火热辐射强度的计算结果准确性不高。
（2）点源模型适用于空间内任意角度喷射的情况，而在计算精度要求较高的情况下，不宜使用该模型去计算喷射火事故后果。点源模型中，当距离喷射火热辐射起点的距离趋近于零时，热辐射趋向于无穷大，这与实际情况不相吻合，因此该模型不适用于近场喷射火的情形，而THORNTON模型和API RP521模型能够在一定程度上解决近场喷射火的问题。
（3）THORNTON模型充分考虑了火焰的形状尺寸、气象环境条件、裂口形状、管道破裂面积等因素对热辐射强度的影响，符合喷射火热辐射的实际特征，因而该模型模拟的喷射火焰比较接近真实情况，计算结果较为准确，但是其视角因子计算存在难度，使得计算过程较为复杂。另外，THORNTON模型中的某些物理参数存在不确定性，一般采用人为选取特征数值的方法来确定上述参数，这具有一定的人为主观性，使得计算结果存在一定误差。
（4）THORNTON 模型适用于 0°~ 180°之间任何方向的喷射情形，且用于近场喷射火时的精度远远高于点源模型。在技术条件和管理水平较高的情况下，可以使用该模型进行喷射火事故后果的模拟计算。另外，THORNTON模型过分依赖于火焰形状和表面积的计算，使其在某些场合下的实用性不高。
（5）API RP521模型只可用于垂直方向和水平方向的喷射，并适用于近场喷射火的情形。该模型采用PHAST软件模拟，减少了人为误差，其计算过程较为简单快捷，并考虑了风和重力等因素对火焰形状的影响，使得喷射火热辐射强度的计算结果具有较高的准确性。但是，API RP521模型并未考虑喷射火焰内部热辐射强度的变化，考虑喷射方向时不具有一般性，导致其本身具有一定的误差，使之在实际应用中存在局限性。
3 结论
点源模型、THORNTON模型和API RP521模型各有优缺点，适用范围各不相同，使得在对某一天然气管道喷射火事故后果进行计算分析时，三种模型所得模拟计算结果并不相一致。鉴于这三种模型各自的差异性，需要根据现场的实际情况，恰当地选择喷射火事故后果模型，模拟计算出比较接近真实情况的喷射火事故后果，以便正确评估喷射火的伤害范围，采取相应的事故应急救援措施，从而有效地控制天然气管道喷射火事故，减少人员伤亡和财产损失。当然，这三种模型各自都存在一定的缺陷，仍需在喷射火模型的修正上展开深入的研究。
参考文献
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