李 剛，黃庭川，張曉宇，劉宗陽

（東北大學 資源與土木工程學院，沈陽 110819）

國內(nèi)冶金企業(yè)普遍采用轉(zhuǎn)爐煉鋼，因此在鋼鐵生產(chǎn)加工過程中會產(chǎn)生大量轉(zhuǎn)爐煤氣.當煤氣輸運管路系統(tǒng)發(fā)生故障時，法蘭、安全閥及管道連接處均有可能發(fā)生煤氣泄漏，一旦泄漏就可能導致火災(zāi)、中毒及爆炸事故的發(fā)生.2019年5月29日，南昌某鋼廠室外轉(zhuǎn)爐煤氣管道泄漏發(fā)生燃燒爆炸，導致現(xiàn)場作業(yè)人員1死9傷，究其原因是該廠未合理劃分爆炸危險區(qū)域且未采取相應(yīng)的防爆措施[1].在劃分爆炸危險區(qū)域的過程中，現(xiàn)有的國家標準在資料性附錄中對某些典型場所給出了指導性建議，但現(xiàn)實生產(chǎn)過程中影響爆炸危險區(qū)域范圍的因素較多，如何具體、定量地確定室外爆炸危險區(qū)域范圍一直未得到改善和解決.危險區(qū)域范圍劃分過窄不安全，劃分過寬經(jīng)濟上又不可行.因此，如何科學合理地劃分室外有泄漏風險場所的爆炸危險區(qū)域范圍是目前廣大冶金企業(yè)氣體防爆安全整改工作的重點疑難問題之一.

國內(nèi)外眾多學者針對危險性氣體泄漏問題進行了大量的實驗及數(shù)值模擬研究.Barley等[2]通過實驗研究了泄漏口所處的高度、通風方式及泄漏速率對氫氣在空間內(nèi)擴散分布的影響，并將實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進行驗證.Agarwal等[3]利用CFD軟件模擬了風速對天然氣泄漏的影響，發(fā)現(xiàn)了不同風速條件所對應(yīng)的安全區(qū)域范圍.Li等[4]利用Fluent建立海底輸氣管道泄漏引起可燃氣體釋放和擴散行為的模型，研究了不同的氣體釋放速率、水深及泄漏位置對擴散的影響.Li等[5]對密閉空間天然氣泄漏進行數(shù)值模擬，得出室內(nèi)不同泄漏點的天然氣泄漏擴散特性及風速對泄漏區(qū)域的影響.Nagaosa等[6]提出了一種描述可燃氣體擴散的數(shù)值公式，并引入計算流體力學來研究氣體泄漏率對其濃度分布的影響.

然而，僅有少數(shù)學者針對危險性氣體泄漏后形成的爆炸危險區(qū)域范圍進行研究.目前，工業(yè)現(xiàn)場通常都依據(jù)現(xiàn)有國家標準推薦的少量典型示例進行爆炸危險區(qū)域劃分，并在此基礎(chǔ)上進行防爆電氣選擇，但這缺乏足夠的理論和實驗依據(jù).本文中以某鋼廠轉(zhuǎn)爐煤氣凈化回收系統(tǒng)室外管道閥組的煤氣泄漏為例，運用數(shù)值模擬方法研究在不同的環(huán)境風速、泄漏壓力及泄漏孔徑條件下轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏情況及爆炸危險區(qū)域范圍的變化，期望能為冶金企業(yè)爆炸危險區(qū)域的劃分提供重要參考和依據(jù).

1 泄漏擴散數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學模型

假定轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏為連續(xù)泄漏，煤氣泄漏后與空氣形成混合物，且各組分之間不發(fā)生化學反應(yīng)，在整個泄漏過程混合氣體均呈湍流流動狀態(tài).根據(jù)以上假設(shè)，本文中該廠轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏問題為無化學反應(yīng)的單相多組分擴散問題，需求解的方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程和湍流模型方程，分別介紹如下：

1.2 模型驗證

桑尼島實驗將氟利昂與氮氣混合物在14 m高處釋放，并在地面障礙物前后進行氣體濃度實時監(jiān)測，以得到不同時刻的氣體濃度數(shù)據(jù).為了探究數(shù)值模擬的有效性，Tauseef等[7]對第26次桑尼島實驗結(jié)果進行模擬.結(jié)果表明：采用與該氣體擴散行為相一致的Realizablek-ε湍流模型能使最終實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬誤差僅有2.2%，相較于其他模型，該模型的預測更接近實驗數(shù)據(jù).因此，本文中采用 RANS控制方程，同時選擇Realizablek-ε湍流模型及組分輸運方程對轉(zhuǎn)爐煤氣的局部瞬時濃度進行監(jiān)測，并利用理想氣體狀態(tài)方程來評估氣體混合物的相關(guān)性質(zhì).

1.3 物理模型及網(wǎng)格劃分

為探究轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏后爆炸危險區(qū)域的變化規(guī)律，本文中以某鋼廠轉(zhuǎn)爐煤氣凈化回收系統(tǒng)管道閥組平臺的轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏為例，使用 SCDM 19.0建立物理模型，如圖1所示.計算域為20 m×10 m的矩形區(qū)域，閥組平臺距地面高度為5 m.根據(jù)實地觀察和分析，可能的泄漏點多為閥組平臺內(nèi)法蘭間縫隙、排氣孔和管道接頭.為了便于模擬，假定環(huán)境風與煤氣泄漏噴射的初始方向一致，并將以上三處形狀大小不同的泄漏口按面積分別等效為直徑 10，40，100 mm的圓形孔口.使用Meshing將模型劃分為四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元最小尺寸為0.01 m.由于泄漏口附近的速度梯度較大，故加密劃分泄漏口附近網(wǎng)格，網(wǎng)格單元平均質(zhì)量為0.982 06.

圖1 物理模型（m）Fig.1 physical model

1.4 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

本文中主要研究非穩(wěn)態(tài)條件下轉(zhuǎn)爐煤氣的泄漏擴散情況，煤氣泄漏口設(shè)為壓力入口，入口壓力分別為2，5，10 kpa，與轉(zhuǎn)爐煤氣柜外輸送管道、轉(zhuǎn)爐煤氣凈化回收系統(tǒng)管道及轉(zhuǎn)爐煤氣調(diào)壓站外部管道壓力相對應(yīng).左側(cè)空氣入口設(shè)為速度入口，根據(jù)廠區(qū)實際情況及當?shù)貧夂驐l件將入口速度分別設(shè)為 0，0.5，1，2，3，5 m／s.下邊界設(shè)為壁面邊界條件，其余邊界均為大氣環(huán)境，設(shè)為壓力出口，相對壓力（環(huán)境壓力）為0.環(huán)境和壁面的溫度均為300 K，模擬過程考慮浮力和重力加速度的影響.

2 計算結(jié)果分析

2.1 煤氣泄漏規(guī)律及爆炸危險區(qū)域范圍

為探究室外轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏的規(guī)律，本文中以轉(zhuǎn)爐煤氣凈化回收系統(tǒng)室外管道閥組的煤氣在無風條件下泄漏作為室外氣體泄漏的標準場景.利用ANSYS Fluent 19.0對該場景下的泄漏擴散情況進行數(shù)值模擬.圖2示出了泄漏時間分別為1，5，10，20 s的轉(zhuǎn)爐煤氣體積分數(shù)云圖.在轉(zhuǎn)爐煤氣發(fā)生泄漏的初始階段，由于管道內(nèi)壓力大于環(huán)境壓力，泄漏口附近區(qū)域的初始動量占據(jù)主要地位，流動特性近似于射流[8].在沿程靜止環(huán)境流體的阻滯作用下，煤氣水平射出6 m后，初始動量作用逐漸減弱，這是因為轉(zhuǎn)爐煤氣的密度略大于空氣，使得轉(zhuǎn)爐煤氣有向下擴散趨勢[9].在大氣湍流作用下，5 s后煤氣從高濃度向低濃度區(qū)域擴散直至地面，且水平擴散距離大于20 m.與此同時，密度較小的空氣不斷地進入煤氣的主體相中，引起一定程度的稀釋.10 s后煤氣擴散較為平穩(wěn)，近地面處有少許波動.20 s后煤氣濃度場趨于穩(wěn)定，擴散范圍不再變化.

圖2 不同時刻轉(zhuǎn)爐煤氣體積分數(shù)Fig.2 The volume fraction of converter gas at different times

該鋼廠所使用的轉(zhuǎn)爐煤氣是由多種氣體組成的混合氣體，各組分的體積分數(shù)分別為氫氣1.5%、氧氣0.4%、二氧化碳19.4%、氮氣20.7%、一氧化碳58%，轉(zhuǎn)爐煤氣各組分體積分數(shù)之比為φ（CO2） ／φ（CO）＝ 0.33，φ（N2） ／φ（H2）＝ 13.8.由圖3可知，CO2／CO混合爆炸極限為17%～70%、N2／H2混合爆炸極限為 64% ～76%[10].理查特里爆炸極限計算公式如下所示：

圖3 混合氣體爆炸極限圖Fig.3 Explosion limit diagram of mixed gas

式中：Lm為混合氣體的爆炸極限，%；Ln為n氣體的爆炸極限，%；φn為n氣體的體積分數(shù)，且φ1+φ2+φ3+…+φn＝100%.

經(jīng)計算可得轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸極限為20.4%～71.5%，體積分數(shù)介于此區(qū)間的轉(zhuǎn)爐煤氣遇點火源均可發(fā)生爆炸[11].圖4示出了轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏后的體積分數(shù)在爆炸危險區(qū)域范圍隨時間的變化情況.從圖4可以看出：當泄漏時間為1 s時，爆炸危險區(qū)域分布于水平方向6.5 m范圍內(nèi)；隨著煤氣的繼續(xù)泄漏，爆炸危險區(qū)域向下擴散至地面并向兩側(cè)蔓延，水平方向最遠擴散至9 m；當泄漏20 s后，爆炸危險區(qū)域趨于穩(wěn)定，泄漏口與爆炸危險區(qū)域最遠距離不再變化，保持為11.8 m.

圖4 不同時刻轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸危險區(qū)域范圍Fig.4 The scope of the converter gas explosion hazard area at different times

2.2 環(huán)境風速對爆炸危險區(qū)域范圍的影響

為探究不同環(huán)境風速對煤氣泄漏后爆炸危險區(qū)域范圍的影響，選擇風速 0，0.5，1，2，3，5 m／s六種工況進行模擬計算，假定泄漏孔徑為40 mm，煤氣泄漏壓力為5 kpa.根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸的極限范圍，得到不同時刻的爆炸危險區(qū)域云圖，由此繪制出六種風速下煤氣泄漏后爆炸危險區(qū)域范圍與泄漏時間對應(yīng)的曲線，如圖5所示.

圖5 不同環(huán)境風速下爆炸危險區(qū)域范圍隨泄漏時間變化曲線Fig.5 Variation curve of explosion hazard area with leakage time under different environmental wind speed

由圖5可知，在泄漏開始階段，由于管道內(nèi)存在初始壓力，轉(zhuǎn)爐煤氣以射流形式泄漏到環(huán)境中，泄漏口附近氣體流動速度較大，此時環(huán)境風速對轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸危險區(qū)域范圍的影響較小.對比圖中泄漏時間為1 s的爆炸危險區(qū)域范圍可知：當環(huán)境無風時，1 s內(nèi)煤氣爆炸危險區(qū)域范圍可擴大至6.5 m；隨著風速的增大，爆炸危險區(qū)域范圍也在增大；當環(huán)境風速為5 m／s時，1 s內(nèi)煤氣爆炸危險區(qū)域范圍可擴大至7.9 m.在繼續(xù)泄漏的過程中，煤氣的射流效應(yīng)逐漸減弱，泄漏速率下降，風速對其擴散的影響增強，使得射流軸線和主要擴散區(qū)向地面及下風向偏移[4].

從圖5還可以看出：當環(huán)境無風時，15 s內(nèi)煤氣爆炸危險區(qū)域范圍隨時間的增加均勻增大，之后便保持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，此時爆炸危險區(qū)域穩(wěn)定在11.8 m范圍內(nèi)；當環(huán)境風速為0.5 m／s時，風對煤氣擴散起到了一定的促進作用，同時空氣稀釋作用加強，煤氣射流卷吸氣體，導致氣體間產(chǎn)生碰撞，從而使煤氣質(zhì)量分數(shù)出現(xiàn)微小的波動[12].因此，在泄漏時間為 5～15 s時，煤氣的爆炸危險區(qū)域范圍有所波動，但整體呈擴大趨勢，25 s后煤氣擴散達到穩(wěn)定狀態(tài)，爆炸危險區(qū)域范圍最大可達15.8 m.當環(huán)境風速增大至1 m／s時，爆炸危險區(qū)域范圍最大達到16.2 m.由于風對泄漏的轉(zhuǎn)爐煤氣有稀釋和輸運的作用，隨著環(huán)境風速的繼續(xù)增大，強風會加速煤氣擴散使空間內(nèi)煤氣的濃度大幅降低，泄漏口軸線上的煤氣形態(tài)隨風向變得細長，5 s后爆炸危險區(qū)域穩(wěn)定在7.2 m范圍內(nèi).當風速超過2 m／s時，無論風速如何增大，爆炸危險區(qū)域最終都會穩(wěn)定在7.2 m范圍之內(nèi).由此看出：較低風速有利于泄漏氣云的擴散，同時也會增大爆炸危險區(qū)域范圍；強風則會稀釋煤氣，減小爆炸危險區(qū)域范圍.

2.3 泄漏壓力對爆炸危險區(qū)域范圍的影響

假定在無風環(huán)境下，當泄漏孔徑為40 mm時，對轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏壓力分別為2，5，10 kpa的三種工況進行模擬，探究不同泄漏壓力對爆炸危險區(qū)域范圍的影響.在三種泄漏壓力下，煤氣爆炸危險區(qū)域范圍隨泄漏時間變化的曲線如圖6所示.

圖6 不同泄漏壓力下爆炸危險區(qū)域范圍隨泄漏時間變化曲線Fig.6 Variation curve of explosion hazard area range with leakage time under different leakage pressures

由圖6可知，在泄漏初始階段，轉(zhuǎn)爐煤氣以射流形式擴散，不同的泄漏壓力導致煤氣開始泄漏時具有的初始動量不同.當泄漏時間為1 s時，三種泄漏壓力條件所對應(yīng)的爆炸危險區(qū)域范圍依次為5.95，6.5，7.5 m.隨著泄漏壓力的增大，煤氣受浮力的影響減小，水平擴散距離增大，體積分數(shù)在爆炸極限范圍內(nèi)的區(qū)域同時增大.在三種不同泄漏壓力的條件下，煤氣爆炸危險區(qū)域蔓延至地面所需時間分別為8，5，4 s，此時對應(yīng)的爆炸危險區(qū)域范圍分別為10.5，9，8.4 m.在泄漏時間達到20 s后，泄漏壓力對爆炸危險區(qū)域范圍的影響逐漸減弱，三種泄漏壓力條件對應(yīng)的爆炸危險區(qū)域范圍均趨于穩(wěn)定，分別為 11.7，11.8，11.9 m，三者相差不大.

綜上分析：在泄漏初始階段，泄漏壓力對爆炸危險區(qū)域范圍影響較大，泄漏壓力越大，爆炸危險區(qū)域范圍就越大；在自由擴散階段，泄漏壓力越小，轉(zhuǎn)爐煤氣受浮力的影響越明顯，擴散到地面所需的時間也越長，但煤氣在空間中的分布結(jié)構(gòu)大致相同；當泄漏到達穩(wěn)定狀態(tài)后，泄漏壓力對爆炸危險區(qū)域范圍影響較小，但隨著泄漏壓力的增大，爆炸危險區(qū)域與泄漏口之間的距離會稍有增大.

2.4 泄漏孔徑對爆炸危險區(qū)域范圍的影響

在無風環(huán)境和泄漏壓力為5 kpa的條件下，探究泄漏孔徑的變化對爆炸危險區(qū)域范圍的影響.設(shè)定泄漏孔徑分別為 10，40，100 mm，通過統(tǒng)計整理模擬結(jié)果，得出不同孔徑下爆炸危險區(qū)域范圍與泄漏時間的對應(yīng)關(guān)系曲線如圖7所示.

圖7 不同泄漏孔徑下爆炸危險區(qū)域范圍隨泄漏時間變化曲線Fig.7 Variation curve of explosion hazard area range with leakage time under different leakage apertures

對比圖中三條曲線可以發(fā)現(xiàn)，當泄漏孔徑為10 mm時，轉(zhuǎn)爐煤氣雖具有一定初始動量，但由于泄漏孔徑較小，泄漏出的煤氣在泄漏口附近保持較低濃度.在煤氣的射流作用下，泄漏口水平軸線1.8 m范圍內(nèi)均屬于爆炸危險區(qū)域.在泄漏發(fā)生10 s后，爆炸危險區(qū)域穩(wěn)定在2 m范圍內(nèi).當泄漏孔徑增大至40 mm時，在泄漏壓力不變的情況下，煤氣的泄漏量增大，泄漏口附近的煤氣濃度大幅提升，1 s內(nèi)爆炸危險區(qū)域范圍會達到7.1 m.由于受到負浮力作用[13]，煤氣將繼續(xù)向下擴散，爆炸危險區(qū)域范圍也隨之擴大，25 s后達到穩(wěn)定狀態(tài)，爆炸危險區(qū)域保持在11.8 m范圍內(nèi).當泄漏孔徑為100 mm時，爆炸危險區(qū)域在泄漏10 s時達到穩(wěn)定狀態(tài)，其最遠端與泄漏口的距離達到23.5 m.由此可見，泄漏孔徑的不同會直接影響轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏量，導致爆炸危險區(qū)域范圍大幅變化.隨著泄漏孔徑的增大，煤氣的擴散范圍增大，爆炸危險區(qū)域范圍也在增大.

2.5 標準對比分析

根據(jù)《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》（GB 50058—2014）來劃分比空氣重的可燃物的爆炸危險區(qū)域，發(fā)現(xiàn)該標準中僅將第二級釋放源15 m范圍內(nèi)劃分為二區(qū)，卻并未對環(huán)境風速、泄漏壓力、可燃物泄出量的影響進行定量說明.

綜合前文分析可知：當環(huán)境風速小于1 m／s時，爆炸危險區(qū)域范圍最遠可達16.8 m，現(xiàn)有國家標準并不能滿足防爆要求，在現(xiàn)場危險區(qū)域劃分時需作調(diào)整；當環(huán)境風速增大至2 m／s以上時，標準可滿足防爆要求；在其他因素不變的情況下，僅改變泄漏壓力對爆炸危險區(qū)域范圍影響較小，三種泄漏壓力下爆炸危險區(qū)域均在規(guī)定的15 m范圍內(nèi)，標準滿足防爆要求；泄漏孔徑對爆炸危險區(qū)域范圍影響顯著，當泄漏孔徑為100 mm時，爆炸危險區(qū)域遠超標準規(guī)定的15 m范圍，標準不滿足防爆要求.因此，在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)極力避免因檢修或故障造成的大孔徑泄漏情況.

3 結(jié) 論

（1）與轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏方向相同的環(huán)境風對煤氣擴散有促進作用，小于1 m／s的環(huán)境風會擴大爆炸危險區(qū)域范圍，大于2 m／s的環(huán)境風因稀釋作用會縮小爆炸危險區(qū)域范圍，使爆炸危險區(qū)域最終穩(wěn)定在7.2 m范圍內(nèi).

（2）泄漏壓力的變化對煤氣泄漏初始階段爆炸危險區(qū)域范圍影響較大，對煤氣在空間中分布的影響極小.泄漏壓力越小，煤氣受浮力影響越明顯，煤氣泄漏到地面所需時間越長.隨著泄漏壓力增大，爆炸危險區(qū)域的最遠端與泄漏口的距離隨之增大.

（3）泄漏孔徑會直接影響轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏量，其大小對爆炸危險區(qū)域范圍影響顯著.泄漏孔徑越大，爆炸危險區(qū)域越大.當泄漏孔徑為100 mm時，爆炸危險區(qū)域范圍可達23.5 m.