楊健 許寧 周星 黃澔 諸葛偉 郝永梅

1.常州港華燃氣有限公司 2.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院

隨著城市發(fā)展規(guī)模的不斷擴大，天然氣的用量需求越來越大，管道運輸作為最經(jīng)濟、安全的天然氣運輸方式，天然氣管道成為城市發(fā)展不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施之一[1-2]。目前，我國服役年齡在25年以上的輸送管道已超過60%，大量的管道已進入故障多發(fā)期。管道故障后泄漏的天然氣遇到火源極易引發(fā)火災(zāi)爆炸事故，會造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，從而導(dǎo)致一系列的經(jīng)濟和社會問題[3-4]。

天然氣管道泄漏一般引發(fā)火球、射流火焰、蒸汽云爆炸等事故類型，其中，射流火焰是最易發(fā)生的事故類型。射流火焰一般由高壓儲存天然氣泄漏遇點火源形成，其后果往往呈現(xiàn)破壞范圍廣、威力大等特點[5-6]。國內(nèi)外很多學(xué)者已對射流火焰及其事故危害進行了研究,雷婷等[7]對分離器典型泄漏孔徑下的射流火焰進行了特性研究；王莉莉等[8]建立數(shù)學(xué)模型，解出射流火焰危害半徑，并分析泄漏孔徑和危害半徑的關(guān)系；黃平等[9]結(jié)合具體案例，通過Fluent軟件模擬，計算出不同條件下的射流火焰長度及熱輻射分布情況，最后進行事故風險評估；周魁斌等[10]根據(jù)不同模型,將其耦合成一種更加科學(xué)的射流火焰計算模型，可以應(yīng)用于不同泄漏狀況；T. Bajcar等[11]建立了天然氣計量站風險評估系統(tǒng)，補充了射流火焰風險評估模型；S. J. Tong等[12]建立射流火焰模型，借助MATLAB計算機輔助程序計算，結(jié)合相關(guān)的數(shù)據(jù)形象描繪傷害圖；Y. Zhao等[13]利用有限體積法求解流動方程，預(yù)測了射流在空氣中的演化，采用k-ζ湍流模型進行計算。

總體來看，國內(nèi)外研究人員對射流火焰的研究，大部分是關(guān)于管道泄漏引起的射流火焰事故，一般默認選取豎直狀態(tài)，而現(xiàn)場實際情況的泄漏孔可以朝向不同的角度，對這方面的研究也相對缺乏，導(dǎo)致對不同方向射流火焰危害范圍的評估所做的探索非常有限。

鑒于此，為了探究天然氣管道泄漏角度對射流火焰的影響，進一步提高射流火焰的危害范圍評估的精確性，本研究利用FDS分別模擬天然氣以與水平方向夾角為0°、30°和90°泄漏并引發(fā)射流火焰的情況，將模擬結(jié)果與傳統(tǒng)理論模型及改進后的評估模型分別進行對比，分析這3種情況下的射流火焰特性和危害范圍，并為應(yīng)對不同情況的應(yīng)急工作提供參考。

1 理論模型

1.1 泄漏速率計算模型

泄漏速率是計算天然氣射流火焰?zhèn)Ψ秶闹匾獏?shù)，射流火焰的火焰幾何尺寸和輻射強度均與泄漏速率相關(guān)[14]。根據(jù)內(nèi)外壓力的比值，確定氣體泄漏是聲速流動還是亞聲速流動，兩種流動方式對應(yīng)兩種泄漏速率模型，代入環(huán)境條件參數(shù)，可求得泄漏速率，并作為FDS模擬的初始變量。

(1)

(2)

式中：p0為管道外環(huán)境壓力，Pa；p為管道內(nèi)壓力，Pa；k為氣體絕熱指數(shù)，天然氣一般取1.306；Q為泄漏速率，kg/s；Cd為氣體泄漏系數(shù)，圓形泄漏孔取1.00；M為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；T為氣體初始溫度，K；A為裂口面積，m2；R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)，取8.314。

1.2 不同角度射流火焰的幾何特性分析

射流火焰的熱通量與火焰幾何特性有關(guān)，之前研究火焰幾何特性主要考慮火焰長度，然而管道不同泄漏角度(孔軸線與管道水平面的夾角)也是重要影響因素，因此射流火焰的危害分析應(yīng)將管道泄漏角度考慮進去。火焰長度一般是指有風狀態(tài)下的長度，與無風狀態(tài)下的火焰長度相關(guān)。火焰長度是從泄漏燃料出口邊緣到最遠的下游位置之間的軸向距離，其中的火焰尖端對人眼可見[15]。

有風狀態(tài)下射流火焰長度計算公式如下：

Rb0=Y×Ds

(3)

(4)

Ds=[4×Q/(π×ρ0×uj)]1/2

(5)

Lb=Lb0×(0.51×e-0.4uw+0.49)×

[1-0.006 07×(θ-90°)]

(6)

式中：Lb為有風狀態(tài)下射流火焰長度，m；Lb0為無風狀態(tài)下射流火焰長度，m；Ds為燃燒等效直徑，m；Q為氣體泄漏速率，kg/s；ρ0為空氣密度，kg/m2；ρ氣為氣體密度，kg/m2；A為裂口面積，m2；uw為風速，m/s；uj為射流速度，m/s；θ為孔軸線與管道水平面的夾角，0°～90°；Y為比例系數(shù)(射流火焰長度與其直徑呈一定的比例關(guān)系)。

式(3)中Y通過式(7)求得：

(7)

式中：Cb為常數(shù)0.2；Ca、Cc為中間變量，由如下公式求得：

(8)

(9)

(10)

式中：g為重力加速度，m/s2；M為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；F為燃燒氣體質(zhì)量所占的比例，%。

1.3 不同射流角度的危害計算模型

射流火焰對周圍建筑物及人員的危害主要是熱輻射，可使周圍的設(shè)施燃燒破壞，發(fā)生一系列的連鎖反應(yīng)，致使火災(zāi)蔓延擴大，造成更多的財產(chǎn)損失和人員傷亡。由此看出，射流火焰熱輻射危害范圍遠大于火焰本體造成的危害范圍。因此，在對射流火焰幾何特性進行分析后，需進一步計算熱通量，并計算出傷害半徑[15]。

(1) 熱通量計算公式如式(11)所示：

(11)

式中：I(r′)為目標接收到的熱通量，kW/m2；η為效率因子，一般取0.2；Q為泄漏速率，kg/s；r′為目標與火焰中心之間的距離，m；Tjet為輻射率系數(shù)，射流火焰一般取1；He為可燃氣體燃燒發(fā)熱量，kJ/kg，天然氣的一般取5.56×104kJ/kg；R1為火焰錐體長度，m。

為了簡化計算，通?？蓪⑹?11)簡化如下：

(12)

(2) 危害半徑計算公式如式(13)所示：

(13)

由式(12)、式(13)可知，以前關(guān)于射流火焰研究基本沒有考慮射流的角度，本研究的意義是在原來射流火焰計算模型的基礎(chǔ)上，增加泄漏角度的參變量，讓原來的計算模型更符合現(xiàn)場實際情況。改進后模型如下。

危害半徑與射流火焰長度及射流角度相關(guān)。

當r≤Lb×tanθ時：

(14)

式中：ra為改進后的危害半徑，m；θ為泄漏孔軸線與水平方向的夾角，(°)。

將式(13)代入式(14)中，得到：

(15)

當r>Lb×tanθ時：

(16)

將式(13)代入式(16)中，得到：

ra=Lb×cosθ+

(17)

2 射流火焰數(shù)值模擬

2.1 模型構(gòu)建及邊界條件

采用FDS軟件進行模擬研究，研究的泄漏管道見圖1。管道規(guī)格為DN150 mm，鋼制(表面鍍鋅)。模擬真實開敞環(huán)境，延Y軸管道建模，管道三維模型如圖2所示。將3種情況中位于管道中心截面的3點鐘、2點鐘和12點鐘位置處的泄漏孔分別命名為孔1、孔2和孔3，其泄漏方向分別與X軸正方向成0°、30°和90°的夾角。

模擬設(shè)置管內(nèi)氣體溫度30 ℃、環(huán)境溫度20 ℃、環(huán)境風速1 m/s、管內(nèi)壓力4.0 MPa、管道外壓力為標準大氣壓，模擬實驗通風狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，除去地面，其他5個面設(shè)置為通風面。本次射流火焰模擬小孔泄漏，泄漏孔徑為20 mm。根據(jù)第1節(jié)模型公式，通過管道內(nèi)外比值確定此次泄漏為聲速泄漏，確定泄漏速率為0.215 kg/s。

2.2 不同角度射流火焰幾何特性分析

在FDS模擬環(huán)境下，火焰噴射過程中形成燃燒云，射流火焰在2.92 s時，在壓力作用下高度超過50 m，在4.06 s時射流火焰趨于穩(wěn)定。當泄漏方向與水平方向成30°夾角時，天然氣在泄漏時受周圍壓力差抬升作用的影響向Z軸正方向傾斜。射流火焰在3.31 s時形成完整的蘑菇云，在4.98 s時射流火焰趨于穩(wěn)定，且火焰高度突破50 m。當水平泄漏時，射流火焰噴射出去，4.08 s時在噴射朝向處形成燃燒云團，5.73 s時火焰噴射頂端有渦流出現(xiàn)，火焰頂部有明顯波動，出現(xiàn)多個渦流組成的浮力驅(qū)動滿流火焰，火焰長度縮短。由于噴射孔不斷噴射燃氣與空氣混合燃燒，火焰長度成周期變化。

由X-Z平面溫度切片得到各射流火焰穩(wěn)定后的溫度分布如圖3所示。

2.3 溫度場分析

由圖3切片溫度可知，3處泄漏口模擬火焰最高溫度均在1 000 ℃左右，位于射流火焰頂部及火焰面。泄漏孔附近基本上沒有天然氣燃燒現(xiàn)象，天然氣向外急速噴射，空口處天然氣濃度不適合燃燒，空口處溫度不是很高，但是存在速度流場，氣體在噴射出去過程中，隨著能量的消耗，氣流速度逐漸減小，并且流場由較小的區(qū)域向四周擴散[17]。由第2.3節(jié)可知3種情況射流火焰在燃燒6 s后均趨于穩(wěn)定，以15 s時收集到的數(shù)據(jù)為例，數(shù)值模擬中由各熱電偶收集到的射流火焰穩(wěn)定燃燒后的溫度數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同角度射流火焰燃燒15 s時各距離處的溫度距離/m溫度/℃ 90°泄漏 30°泄漏 0°泄漏2172.40218.60463.501296.10306.20725.902259.10183.30618.903236.5398.20309.904226.1056.80135.805222.8038.6076.706221.4032.3043.407220.6025.7034.608220.2023.1026.209220.1021.7023.00

2.4 熱輻射分析

在數(shù)值模擬中可通過設(shè)置熱輻射監(jiān)測裝置進行收集，由第2.3節(jié)可知各角度射流火焰在燃燒6 s后均趨于穩(wěn)定，以15 s時收集到的數(shù)據(jù)為例，數(shù)值模擬中由圖3中各熱輻射監(jiān)測裝置收集到的射流火焰穩(wěn)定燃燒后的熱通量數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同角度射流火焰燃燒15 s時各距離處的熱通量距離/m熱通量/(kW·m-2) 90°泄漏 30°泄漏 0°泄漏243.1828.1658.301226.6469.72102.302212.5845.3089.60325.2825.2560.30422.077.8032.80521.123.8618.50620.751.685.60720.570.882.81820.480.071.21920.440.010.23

3 危害分析

人員或者設(shè)備接受熱量都會有一個臨界值，為了方便比較評估，一般對照熱通量準則，目標接收到熱通量超出對應(yīng)標準則會受到相應(yīng)程度傷害[18]。根據(jù)模擬時監(jiān)測裝置收集到的熱通量數(shù)據(jù)，對比天然氣工藝裝置設(shè)施的火災(zāi)熱輻射破壞標準值[19]，確定傷害半徑和設(shè)備損壞半徑，結(jié)果如表3所列。

表3 熱輻射危害半徑分類傷害程度熱通量/(kW·m-2)危害半徑/m 90°泄漏 30°泄漏 0°泄漏對人的傷害安全半徑1.6456276重傷半徑6.4264358死亡半徑25.0123245對設(shè)備的損壞操作設(shè)備全部破環(huán)37.572843無火焰時,在長時間輻射作用下木材燃燒的最小能量25.0123245有火焰時,木材燃燒、塑料熔化的最小能量12.522464930 min玻璃破裂4.0365266PVC絕熱電纜破壞2.0426073

同樣，選取以人為對象時的危害范圍評估數(shù)據(jù)，將上述模擬結(jié)果與改進后的危害范圍預(yù)測理論的計算結(jié)果進行對比，對比情況如圖4所示。

由圖4可以看出，由改進后的危害范圍預(yù)測模型計算的危害范圍與模擬數(shù)據(jù)吻合度較好，但二者仍然存在誤差。其主要原因為數(shù)值模擬收集的熱通量為距地面1.8 m高處而并非與管道同一水平面上的熱通量，因此模擬所得的危害范圍稍小于改進后的理論計算值。

同時，由表1可知，天然氣以90°方向泄漏時，火焰在豎直方向上噴射，減小了輻射范圍，因此與另外兩種方向的射流火焰相比，同等嚴重程度的危害半徑更小。由于熱輻射收集裝置分布于距地面1.8 m高的水平線上，距離90°方向的射流火焰更遠。因此，該管道90°泄漏時的危害半徑最小。

在3種情況中，天然氣以0°方向泄漏引起射流火焰的危害最大，死亡區(qū)域是以51.3 m為半徑的圓，重傷區(qū)域是內(nèi)圓半徑51.3 m、外圓半徑61.8 m的圓環(huán)區(qū)域。以此類推，輕傷區(qū)域與安全區(qū)域的邊界線為半徑82.7 m的圓。天然氣以30°方向泄漏引起的射流火焰，從死亡到安全，邊界線分別為以半徑35.5 m、47.4 m、69.5 m的圓環(huán)?？梢姡@兩種方向的射流火焰危害半徑較為接近，這是因為30°的角度較小，天然氣以30°方向泄漏時，重力作用使得泄漏氣體的運動軌跡接近0°泄漏的氣體運動軌跡。

4 結(jié)論

本研究采用氣體泄漏模型，通過理論計算和FDS軟件模擬，構(gòu)建三維管道模型，分別模擬泄漏射流不同方向和維度的火焰狀況，得出以下結(jié)論。

(1) 不同角度的射流火焰在幾何特性、溫度、熱輻射等方面差異較大，在進行管道泄漏射流火焰危害分析時需考慮射流火焰角度因素，傳統(tǒng)射流火焰理論模型不能直接應(yīng)用于水平及其他角度的射流火焰。

(2) 針對管道泄漏角度問題，對原有的危害范圍預(yù)測模型進行改進，提出了適用于不同角度的射流火焰危害半徑預(yù)測模型，經(jīng)數(shù)值模擬驗證了其合理性。

(3) 天然氣管道泄漏角度0°～90°，也就是水平到豎直，射流火焰?zhèn)Ψ秶粩鄿p小，最小值就是傳統(tǒng)射流火焰危害模型的計算值。改進后的射流模型增加泄漏角度，可以更精確地計算出射流火焰?zhèn)Ψ秶?，為現(xiàn)場安全防護提供理論依據(jù)。

(4) 根據(jù)各角度射流火焰的危害嚴重程度，管道的保護工作應(yīng)重點放在對側(cè)面的保護上，極力避免管道發(fā)生側(cè)面泄漏的情況，降低射流火焰事故的嚴重程度。