高壓天然氣管道泄漏孔位置對噴射火的影響
高壓天然氣管道泄漏孔位置對噴射火的影響
馬子超，呂淑然，王春雪，詹求杰，李澤華
（首都經濟貿易大學安全與環境工程學院，北京100070）
摘 要：利用FDS對比研究泄漏孔在頂部、側面和底部對噴射火的影響，研究高壓天然氣管道泄漏孔位置對周圍人員與設備的危害。分析噴射火焰的幾何特征、熱輻射、危害半徑。結果表明：泄漏孔在9點鐘方向時，噴射火沿水平方向噴射130ｍ，高溫區與熱輻射區覆蓋整個燃氣輸配站；泄漏孔在6點鐘方向時，地面阻礙了噴射火在豎直方向上的蔓延，危害范圍減小；泄漏孔在12點鐘方向時，高溫區域與熱輻射區域在豎直方向上，對人員與設備的危害最低。
關鍵詞：噴射火；天然氣管道；泄漏位置；數值模擬；危害半徑
中圖分類號：X913.4 ，X932 ，TE832 文獻標志碼：Ａ
文章編號：1009-0029（2017）01-0013-03
北京市燃氣主要由城市管網陜京一線、二線、三線和港清線、港清復線等供氣。經過高壓A站、高壓B站和次高壓A、次高B調壓后再進入中壓城市管網。高壓輸配站中的高壓輸配管網一旦失效，泄漏氣體遇火極易發生火災。根據AP1581，燃氣泄漏發生安全排放、噴射火、火球火災、蒸氣云爆炸的概率分別是0.80、0.10、0.06、0.04，所以燃氣管道發生噴射火的事故居多。燃氣管道泄漏從泄漏口噴出，如遇火源，會迅速噴發出噴射火，工作人員常采取關閉閥門的應急救援措施，但存留在管道中的燃氣仍然會使噴射火持續燃燒，無法立即熄滅，其熱輻射強度可造成周圍儲氣設施的損壞、倒塌等后果。
為了避免噴射火事故的發生，國內外學者主要對其影響因素及危害特性進行了研究。Chamberlain根據Kalghatgi噴射火實驗數據，結合Shell Research數學模型，得出噴射火幾何特性模型的計算式。火災的危害性大，實驗成本高，做燃氣噴射火實驗需要大量經費，故采用數值模擬軟件成為研究機構和高校的主要研究方式，如CFD、FDS、FLUENT等。
現有研究結論大部分集中在儲罐或燃氣管道的同一方向上，對天然氣管道不同泄漏位置的研究較少。筆者利用FDS模擬研究高壓天然氣管道6點鐘、9點鐘、12點鐘三個方向泄漏孔對噴射火特性的影響，分析這三種情況下的危害范圍。
１ 模型構建
采用FDS進行模擬研究。模擬場景為高壓燃氣輸配站中的露天高壓輸配管道。考慮不同泄漏位置對燃氣噴射火的影響，將泄漏孔設置在管道6點鐘、9點鐘、12點鐘三個方向上。模擬網格區域劃分為Xｍｉｎ＝0，Xｍａｘ＝180；Yｍｉｎ＝15，Yｍａｘ＝35；Zｍｉｎ＝0，Zｍａｘ＝80。根據AP1581，設置泄漏口面積為0.5㎡，離地高度1ｍ，環境溫度為20℃，外界壓力為0.1MPa。在X＝4ｍ處設置熱通量探測器，在X＝2ｍ處設置溫度探測器，X軸方向每隔5ｍ設置一個探測器。由于模擬場景對稱，故檢測其一側數據，每個探測器采集數據1000次，取平均值。
２ 結果分析
２．１ 火焰幾何特性分析
最初，泄漏孔位置在高壓天然氣管道12點鐘方向時，噴射火燃燒周圍空氣，形成壓力差。壓力推動火焰迅速擴散，湍流作用明顯，甲烷與氧氣充分混合燃燒迅速形成緊密的蘑菇云，火焰輪廓迅速上升，達到最大值。Y軸溫度分布如圖１所示。晴朗天氣時，噴射火在1.2ｓ時為燃燒最強烈階段，火焰達到80ｍ，火焰受壓力影響抬升高度超過50ｍ，2.7ｓ時噴射火形成底部為近60ｍ層流火焰，頂部為湍流火焰趨于穩定。
泄漏孔位置在高壓天然氣管道9點鐘方向時，噴射火沿地面迅速擴散，2.7ｓ時在泄漏孔前方78ｍ處形成蘑菇云。3.8ｓ時渦流出現在火焰頂部，使噴射火頂部出現破碎結構，出現不穩定燃燒狀態，形成多個渦流組成的浮力驅動湍流火焰，火焰長度縮短。噴射孔繼續噴射燃氣與空氣卷吸燃燒，火焰長度增補回來，形成周期變化。
泄漏孔位置在高壓天然氣管6點鐘方向時，監測數據顯示，地面阻礙了天然氣的射流，火焰向四周蔓延，增大了X軸方向的火焰長度。其原因為：泄漏氣體量為定值，泄漏氣體沿地板橫向擴散并燃燒，到12ｍ處火焰長度不再變化，因燃氣射流速度減小無法進入燃燒區。由泄漏開始，噴射火撞擊地面時火焰最大，之后變小趨于穩定。其原因為：噴射火在到地面前，在管道與地板之間形成渦旋結構，其迫使火焰強烈褶皺和伸展，加快了天然氣與空氣的燃燒。在0.9ｓ時火勢達到最大，因未燃燒氣體無法橫向擴散進入燃燒區，火勢減緩，1.4ｓ形成穩定的燃燒狀態，豎直方向上的火焰擴散速率為0。
２．３ 熱輻射分析
熱通量與距離的關系如圖2所示。熱輻射來源于分子輻射和黑體輻射。分子輻射主要來源于CO２和H２O，黑體輻射是火焰內的碳黑造成的。泄漏孔在頂部和底部時，熱通量值與泄漏孔距離呈指數關系，泄漏孔處主要受噴射火產生的黑體輻射作用，熱通量大。遠離噴射火，熱通量開始迅速降低。40ｍ后主要受分子輻射作用，故熱通量緩慢下降并趨于平緩。泄漏孔在側面時，因噴射火從水平方向蔓延，溫度探測器在火焰表面上方20ｍ處，所以檢測到的熱通量明顯高于其他兩種工況。隨著距離的增加，泄漏燃氣濃度減小，平均熱通量平緩下降。
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