朱禹洲， 侯翠翠

(1.北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所，北京100011；2.北京市燕山工業(yè)燃?xì)庠O(shè)備有限公司，北京100011)

1 概述

燃?xì)饩哂幸兹家妆匦?，其輸配、儲存和使用過程均需采取相應(yīng)安全技術(shù)措施。爆炸危險區(qū)域劃分是電氣防爆安全技術(shù)措施的基礎(chǔ)，決定了工藝流程的合理性、周圍電氣設(shè)備防護的復(fù)雜程度，甚至直接決定整套設(shè)計方案可行性。高壓、中壓城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉鋸S站和其他使用燃?xì)獾墓S區(qū)域，一般有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對其爆炸危險區(qū)域劃分進(jìn)行規(guī)定，且得到嚴(yán)格執(zhí)行，安全性較高。但是，燃?xì)庥脩舳?燃?xì)庥脩粼O(shè)施)爆炸危險區(qū)域的劃分目前存在較大困難?，F(xiàn)有方法或未考慮釋放源特性，或無法對用戶端的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)分析?，F(xiàn)有方法面對用戶端的復(fù)雜條件可操作性較差，不能準(zhǔn)確、合理地劃分爆炸危險區(qū)域，不能有效保證燃?xì)獾氖褂冒踩?。本文通過對比現(xiàn)有方法，應(yīng)用計算機仿真分析方法將釋放源特性、周邊障礙物、通風(fēng)條件作為整體進(jìn)行綜合分析，研究適用于燃?xì)庥脩舳说谋ㄎｋU區(qū)域劃分方法。

2 現(xiàn)有劃分方法比較

現(xiàn)有爆炸危險區(qū)域的劃分方法有4種。方法1，基于長時間實踐總結(jié)出經(jīng)驗范圍，并以圖例的方法指導(dǎo)具體設(shè)備設(shè)施爆炸危險區(qū)域的劃分。此方法是目前國內(nèi)設(shè)計單位主流的劃分方法，其參考標(biāo)準(zhǔn)是GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》(2020年版)和GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》。方法2，基于半經(jīng)驗半理論分析的危險區(qū)域估算方法，其參考標(biāo)準(zhǔn)是GB 3836.14—2014《爆炸性環(huán)境 第14部分:場所分類 爆炸性氣體環(huán)境》。方法3，基于氣體射流理論和擴散模型等純理論分析方法。方法4，基于有限元分析的計算機仿真分析方法。

2.1 GB 50058—2014劃分方法

GB 50028—2006是國內(nèi)城鎮(zhèn)燃?xì)忸I(lǐng)域最重要的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)之一，標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電氣防爆的技術(shù)措施參照GB 50058—2014相關(guān)規(guī)定，其爆炸危險區(qū)域劃分方法與GB 50058—2014一致。GB 50058—2014主要參照美國石油工業(yè)協(xié)會(API)以及美國消防協(xié)會(NFPA)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，依據(jù)石油、化工工業(yè)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗制定，其適用范圍包括“生產(chǎn)、加工、處理、轉(zhuǎn)運或貯存過程中出現(xiàn)或可能出現(xiàn)爆炸危險環(huán)境”的區(qū)域。這些區(qū)域涉及的可燃物質(zhì)一般壓力較高，數(shù)量較多，危險性高。標(biāo)準(zhǔn)基于經(jīng)驗給出了在最不利條件下可燃物質(zhì)可能擴散的最遠(yuǎn)距離，以此劃分爆炸危險區(qū)域，并以圖例方法向設(shè)計人員提供設(shè)計指導(dǎo)。例如，通風(fēng)良好條件下，釋放天然氣的二級釋放源將形成一個爆炸危險區(qū)域。該爆炸危險區(qū)域的等級為2區(qū)，范圍為地坪至釋放源上方7.5 m且半徑為4.5 m的圓柱形區(qū)域，該爆炸危險區(qū)域的劃分示例見圖1(當(dāng)釋放源距地坪高度超過4.5 m時爆炸危險區(qū)域有差異，見GB 50058—2014)。該方法流程簡便、界限分明、安全性高，在國內(nèi)廣受設(shè)計單位青睞。

圖1 GB 50058—2014爆炸危險區(qū)域劃分示例

雖然這種劃分方法安全性高，但高要求也給防爆措施的落實造成困難。例如，參照GB 50058—2014規(guī)定，使用燃?xì)獾纳虡I(yè)廚房內(nèi)一定存在爆炸危險區(qū)域，且整個廚房基本都處于2區(qū)以內(nèi)，廚房內(nèi)的所有設(shè)備均須進(jìn)行防爆設(shè)計。顯然，這一要求在實際應(yīng)用中是不可行的，因此燃?xì)馍虡I(yè)廚房目前并未被視為爆炸危險區(qū)域，從而埋下一些安全隱患。實際上，GB 50058—2014在標(biāo)準(zhǔn)適用范圍內(nèi)明確說明不適用城鎮(zhèn)燃?xì)忸I(lǐng)域，因此GB 50028—2006不應(yīng)該參考GB 50058—2014。但是，由于國內(nèi)沒有其他上位標(biāo)準(zhǔn)可以參考，出于安全因素考慮，GB 50028—2006還是參考了GB 50058—2014的方法。另外需要說明的是，GB 50028—2006僅對門站、儲配站、調(diào)壓站等輸配系統(tǒng)廠站進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定，未對燃?xì)庥脩舳诉M(jìn)行規(guī)定。

2.2 GB 3836.14—2014劃分方法

GB 3836.14—2014采標(biāo)于國際電工協(xié)會IEC 60079《爆炸性環(huán)境系列標(biāo)準(zhǔn)》(Series Explosive Atmosphere Standards)，主要規(guī)定了不同釋放源及環(huán)境條件下爆炸危險區(qū)域劃分方法，其中爆炸危險區(qū)域劃分流程見圖2，圖中假設(shè)體積指爆炸危險區(qū)域的預(yù)估體積。

圖2 GB 3836.14—2014爆炸危險區(qū)域劃分流程

燃?xì)庑孤┦轻尫旁吹囊环N形式。小孔燃?xì)庑孤┛梢圆捎眯】仔孤┠Ｐ瓦M(jìn)行求解，從而得到釋放速度。該模型在眾多研究和實踐中被采用，較為準(zhǔn)確可靠[1-3]。

通風(fēng)特性求解過程中，最小通風(fēng)量依據(jù)GB 3836.14—2014第B.5.2.2款，用式(1)計算。

(1)

式中qV，min——最小通風(fēng)量，m3/s

qm，max——釋放源釋放可燃?xì)怏w的最大質(zhì)量流量，kg/s

k——不同爆炸下限對應(yīng)的安全系數(shù)，對于連續(xù)級和一級釋放源取0.25，對于二級釋放源取0.5

ρLEL——可燃?xì)怏w的爆炸質(zhì)量濃度下限，kg/m3

T——環(huán)境溫度，K

分析可見，該求解方法對全面通風(fēng)稀釋方程進(jìn)行了簡化，假設(shè)釋放出的所有可燃?xì)怏w瞬間被通風(fēng)稀釋，且均勻分布在釋放源周圍?，F(xiàn)實中，釋放源周圍的可燃?xì)怏w質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨距釋放源的距離增加呈下降趨勢，可燃?xì)怏w主要集中在中心部分，因此該求解方法求得的最小通風(fēng)量要大于實際需求量。最小通風(fēng)量可以理解為評估爆炸危險區(qū)域范圍的一個標(biāo)準(zhǔn)參量，在此標(biāo)準(zhǔn)參量的基礎(chǔ)上疊加通風(fēng)對可燃物質(zhì)擴散速度的影響，確定對應(yīng)的爆炸危險區(qū)域假設(shè)體積。

依據(jù)GB 3836.14—2014第B.5.2.2款，假設(shè)體積Vz計算見下式：

(2)

式中Vz——假設(shè)體積，m3

f——通風(fēng)效率的倒數(shù)，理想狀態(tài)下f取1，空氣流動受阻時f最大可取5

C——換氣次數(shù)，h-1

可見，GB 3836.14—2014劃分方法充分考慮了釋放源的特性、周圍的通風(fēng)條件對于爆炸危險區(qū)域的影響，比GB 50058—2014更靈活、準(zhǔn)確。但該方法也存在一些問題：所有釋放源都需要單獨計算分析，過程過于復(fù)雜；求解過程中的釋放口面積選取缺少可靠依據(jù)；求解得到的假設(shè)體積與爆炸危險區(qū)域并不是直接對應(yīng)關(guān)系，需要專家依據(jù)假設(shè)體積結(jié)合主觀經(jīng)驗分析確定。因此，國內(nèi)設(shè)計單位較少采用。

2.3 純理論分析方法

① 射流模型

燃?xì)忉尫胚^程符合射流、擴散等理論模型，可采用理論分析的方法對其質(zhì)量分?jǐn)?shù)場、速度場進(jìn)行求解。在軸線方向上，距釋放口一定距離處有觀察點A。在非等溫射流條件下燃?xì)忉尫派淞鞯木砦P(guān)系見下式[3]。

(3)

式中qm,en——從釋放口到觀察點A被卷吸進(jìn)入射流的空氣質(zhì)量流量，kg/s

qm, 0——射流出口燃?xì)赓|(zhì)量流量，kg/s

ρa——周圍流體密度，kg/m3

ρ0——射流流體密度，kg/m3

r0——軸線方向上觀察點A離釋放口的距離，m

d——釋放口直徑，m

燃?xì)忉尫艜r，燃?xì)馍淞鞑粩嗑砦車諝膺M(jìn)入射流并與之混合?？梢姡牧髯杂缮淞髟诶碚撉闆r下，射流內(nèi)某處的質(zhì)量分?jǐn)?shù)場只與釋放口直徑和射流流體密度有關(guān)，即只要釋放口面積一定，不管管內(nèi)壓力如何，它釋放所形成的可燃?xì)怏w云團體積、位置、質(zhì)量分?jǐn)?shù)都相同，這有悖于常識。因為該模型過于理想化，僅考慮了氣體的流動，沒考慮氣體的擴散，這在射流的初期流速高于擴散速度多個數(shù)量級時是比較準(zhǔn)確的，但是后期兩者速度差減小，擴散作用顯現(xiàn)，其準(zhǔn)確度就會下降。另外，該模型僅針對自由射流，實際環(huán)境下，完全無風(fēng)、無阻礙的情況較少，因此該模型的適用面很小。

② 高斯模型

燃?xì)忉尫藕髸卺尫旁锤浇纬扇細(xì)庠茍F，云團在環(huán)境中自由擴散規(guī)律通常采用高斯模型進(jìn)行計算。定義任意點(記為點B)離釋放點的距離為r。當(dāng)釋放點附近平均風(fēng)速小于0.5 m/s時，則點B處燃?xì)赓|(zhì)量濃度見下式[1]：

(4)

式中ρB——燃?xì)庠邳cB處的質(zhì)量濃度，kg/m3

a、b——擴散系數(shù)，m

r——點B離釋放點的距離，m

h——釋放點距地高度，m

tw——靜風(fēng)持續(xù)時間，s，取3 600整倍數(shù)

高斯模型假定燃?xì)膺B續(xù)均勻地排放，空間的大氣條件均勻穩(wěn)定，水平和垂直方向上的擴散都服從正態(tài)分布。相較于射流模型，高斯模型主要考慮了氣體的擴散作用，但忽略浮力及重力的作用，因此只能對輕空氣或者相對密度接近1的氣體擴散進(jìn)行計算分析，其適用于速度較低的燃?xì)忉尫胚^程，或自由射流的末期。

結(jié)合射流模型和高斯模型特點，將二者結(jié)合使用應(yīng)該可以得到更為精確的理論解，但其求解的復(fù)雜程度較高。同時，它同樣無法考慮復(fù)雜的大氣條件和障礙物對其造成的影響。

2.4 計算機仿真分析方法

計算機仿真分析方法快速、準(zhǔn)確、結(jié)果直觀、適用面廣，能夠解決多元參數(shù)耦合問題，是目前技術(shù)研究、工程設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛的分析方法。圖3是采用計算機仿真技術(shù)分析燃?xì)夤艿涝趶?fù)雜環(huán)境內(nèi)燃?xì)忉尫诺倪^程及其云團的特征。

圖3 采用計算機仿真分析燃?xì)夤艿涝趶?fù)雜環(huán)境內(nèi)燃?xì)忉尫诺倪^程及其云團的特征

圖3所分析的環(huán)境中，既有空間位置不同、幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的障礙物體，也有多股多方向流動的通風(fēng)氣流。面對這種復(fù)雜的條件，前述的3種方法都沒有辦法劃分出科學(xué)、合理的爆炸危險區(qū)域。因此，本文推薦采用計算機仿真分析方法作為燃?xì)庥脩舳说谋ㄎｋU區(qū)域劃分的主要方法。

3 計算機仿真分析方法示例

下文對燃?xì)庥脩舳艘患傧脶尫虐咐捎糜嬎銠C仿真分析方法對復(fù)雜環(huán)境內(nèi)燃?xì)忉尫胚^程、燃?xì)庠茍F特征、周邊障礙物對燃?xì)庠茍F的影響等進(jìn)行分析，為劃定適宜的爆炸危險區(qū)域提供依據(jù)。

3.1 模型的參數(shù)設(shè)置

應(yīng)用CFD仿真軟件精確研究環(huán)境對燃?xì)忉尫盘匦缘挠绊?，需要完整考慮燃?xì)鈮毫?、種類、通風(fēng)方式、釋放口形狀尺寸以及障礙物等多項內(nèi)容[4]。對假想釋放案例的各項環(huán)境及釋放口條件設(shè)置如下：三維模型為邊長10 m正方體，坐標(biāo)原點為地面中心處，釋放口坐標(biāo)(3 m,0 m,1 m)，釋放口直徑為8 mm，釋放方向為-x方向，其中障礙物設(shè)置在距離釋放口1 m處，障礙物高、寬均為2 m，厚度0.1 m，障礙物墻面與yOz平面平行，在Oy方向居中，底面與地面緊密接觸。三維模擬物理模型見圖4。為保證網(wǎng)格計算合理性，采用網(wǎng)格無關(guān)性分析確定合適的網(wǎng)格數(shù)量。主要參數(shù)設(shè)置見表1。三維模型內(nèi)初始狀態(tài)充滿壓力為101 325 Pa、溫度為20 ℃的空氣。環(huán)境壓力為101 325 Pa、溫度為20 ℃，通風(fēng)溫度為20 ℃。本文定義爆炸質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限、爆炸質(zhì)量分?jǐn)?shù)下限，分別對應(yīng)爆炸上限、爆炸下限。爆炸質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限為2.84%，爆炸質(zhì)量分?jǐn)?shù)下限為8.92%。燃?xì)獍醇兗淄榭紤]，溫度為20 ℃。

圖4 三維模擬物理模型

表1 主要參數(shù)設(shè)置

一般燃?xì)庥脩舳说娜細(xì)鈮毫榈蛪?，供氣管道可能涉及中壓B，因此根據(jù)常見的用氣設(shè)備及供氣管道情況選取2、10、150 kPa共3種燃?xì)鈮毫坝袩o障礙物的情況，分6種工況進(jìn)行模擬分析。受限于硬件算力限制，筆者將3種燃?xì)鈮毫ο箩尫胚^程通過小孔泄漏模型轉(zhuǎn)化成釋放速度進(jìn)行模擬，此轉(zhuǎn)化方法能滿足實際工程問題的分析需要[5]。具體模擬工況見表2。左側(cè)面為進(jìn)風(fēng)口，右側(cè)面為出風(fēng)口，各模擬工況空氣流動速度均為0.3 m/s，方向為-x方向。

表2 具體模擬工況

3.2 仿真結(jié)果分析

① 燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，工況3、4燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)分布見圖5(圖中圖例數(shù)值為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。由圖5a可以看出，當(dāng)無障礙物時，燃?xì)庵饕尸F(xiàn)射流特征，射程較遠(yuǎn)，燃?xì)庥绊懛秶^大，燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)呈火炬形狀分布。

由圖5b可以看出，當(dāng)設(shè)置障礙物時，燃?xì)馐苷系K物阻擋，速度迅速衰減，流動方向改變，燃?xì)庠谄渥髠?cè)逐漸堆積，燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)升高且燃?xì)庠茍F范圍不斷增大。詳細(xì)分析障礙物附近的燃?xì)庠茍F發(fā)現(xiàn)，障礙物左側(cè)的云團呈不規(guī)則形狀集聚，射流核心區(qū)上下兩側(cè)的云團形狀存在較大差異，燃?xì)庠茍F在受障礙物阻擋后折返流動，最終越過釋放口所在豎直截面，出現(xiàn)在釋放口左側(cè)較遠(yuǎn)位置。障礙物右側(cè)雖然被阻擋，但是也在障礙物的動力陰影區(qū)出現(xiàn)形狀不規(guī)則燃?xì)庠茍F。由此可見，簡單的障礙物就會對燃?xì)獾牧鲃印U散、燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)分布規(guī)律等造成非常復(fù)雜的影響。

圖5 工況3、4燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(軟件截圖)

燃?xì)庥脩舳藢嶋H障礙物的位置、形狀、尺寸更為多變，通過純理論的計算方法，顯然無法準(zhǔn)確預(yù)測燃?xì)獾牧鲃?、擴散、燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)分布規(guī)律。

② 爆炸區(qū)域和危險區(qū)域

本文將燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)處于爆炸質(zhì)量分?jǐn)?shù)下限以上的區(qū)域稱為爆炸區(qū)域；將燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于爆炸質(zhì)量分?jǐn)?shù)下限的20%，即燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于0.57%的區(qū)域稱為危險區(qū)域，該區(qū)域為特殊情況下可能發(fā)生爆炸的區(qū)域。圖6為不同燃?xì)鈮毫ο掠小o障礙物時爆炸區(qū)域和危險區(qū)域體積對比。

圖6 不同燃?xì)鈮毫ο掠?、無障礙物時爆炸區(qū)域和危險區(qū)域體積對比

由圖6可以看出，無障礙物時，3種燃?xì)鈮毫ο碌谋▍^(qū)域、危險區(qū)域體積都隨燃?xì)鈮毫υ龃笾饾u增大。

有障礙物時，爆炸區(qū)域、危險區(qū)域體積隨壓力變化的趨勢要復(fù)雜許多。障礙物既可以使射流減速并限制燃?xì)饬鲃又粮h(yuǎn)區(qū)域，也可以增強擾動擴大燃?xì)庠茍F波及范圍。這兩種作用是相反的，在不同作用主導(dǎo)狀態(tài)下產(chǎn)生完全不同的效果。爆炸區(qū)域主要由速度較快的射流核心構(gòu)成，障礙物阻擋可以大大降低其流動速度，迫使射流提前發(fā)展至射流末端的狀態(tài)，初始速度越快影響越大，隨燃?xì)鈮毫ι撸▍^(qū)域先降低后升高。

對于中、低速湍流構(gòu)成的流動混合狀態(tài)(包括小部分射流核心以及射流中段和末端)，障礙物則可以進(jìn)一步加強混合作用，從而增大其體積。圖6a中，不同燃?xì)鈮毫ο?，有障礙物時爆炸區(qū)域體積均大于無障礙物時。圖6b中，燃?xì)鈮毫Ψ謩e為10、150 kPa時，有障礙物時危險區(qū)域體積大于無障礙物時。說明這些工況下障礙物主要發(fā)揮加強擾動作用，使燃?xì)馀c空氣混合更加充分，增大了爆炸區(qū)域、危險區(qū)域體積。

對于圖6b，燃?xì)鈮毫? kPa危險區(qū)域體積比無障礙物反而變小。分析其流動特性，由于此時射流速度較低，衰減快，到達(dá)障礙物時已衰減至接近0，燃?xì)饣咎幱跀U散狀態(tài)，障礙物完全發(fā)揮阻擋作用，從而降低了危險區(qū)域體積。此種工況下，障礙物對燃?xì)忉尫女a(chǎn)生的燃?xì)庠茍F擴散有較強的抑制作用，可以大大縮小危險區(qū)域。

需要特別注意的是，不管有無障礙物，燃?xì)忉尫女a(chǎn)生的危險區(qū)域體積都比爆炸區(qū)域體積大4個數(shù)量級，說明燃?xì)忉尫攀欠浅ＮｋU的事故，即使是小流量的釋放也會出現(xiàn)大范圍的可能發(fā)生爆炸的區(qū)域。

綜上所述，面對燃?xì)庥脩舳藦?fù)雜多變的環(huán)境條件，GB 50058—2014劃分方法、GB 3836.14—2014劃分方法、純理論分析方法無法劃分出準(zhǔn)確的爆炸危險區(qū)域。采用計算機仿真分析方法，在進(jìn)行爆炸危險區(qū)域劃分時，面對釋放壓力、通風(fēng)、障礙物、死角處等耦合的復(fù)雜多變的環(huán)境條件，能夠分析燃?xì)忉尫胚^程及燃?xì)庠茍F的特征，可以為劃定準(zhǔn)確的爆炸危險區(qū)域提供詳細(xì)依據(jù)，具有一定的現(xiàn)實意義。

4 結(jié)論

以釋放源特性影響、周邊障礙物影響、通風(fēng)條件影響作為爆炸危險區(qū)域劃分方法的分析要素，對4種劃分方法(GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》劃分方法、GB 3836.14—2014《爆炸性環(huán)境 第14部分：場所分類 爆炸性氣體環(huán)境》劃分方法、純理論分析方法、計算機仿真分析方法)進(jìn)行對比分析，研究適用于燃?xì)庥脩舳说谋ㄎｋU區(qū)域劃分方法。對燃?xì)庥脩舳艘患傧脶尫虐咐?，采用計算機仿真分析方法對復(fù)雜環(huán)境內(nèi)燃?xì)忉尫胚^程、燃?xì)庠茍F特征、周邊障礙物對燃?xì)庠茍F的影響進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)：

① 面對釋放壓力、通風(fēng)、障礙物、死角處等耦合的復(fù)雜多變環(huán)境條件時，GB 50058—2014劃分方法、GB 3836.14—2014劃分方法和純理論分析方法均有較大局限性，不能劃分出準(zhǔn)確的爆炸危險區(qū)域。

② 采用計算機仿真分析方法，能夠為劃定準(zhǔn)確的爆炸危險區(qū)域提供詳細(xì)依據(jù)。