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(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院,北京100070)
摘 要:利用FDS對比研究泄漏孔在頂部、側(cè)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(shè)備的危害。分析噴射火焰的幾何特征、熱輻射、危害半徑。結(jié)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(qū)與熱輻射區(qū)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(qū)域與熱輻射區(qū)域在豎直方向上,對人員與設(shè)備的危害最低。
關(guān)鍵詞:噴射火;天然氣管道;泄漏位置;數(shù)值模擬;危害半徑
中圖分類號:X913.4 ,X932 ,TE832 文獻標(biāo)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(wǎng)陜京一線、二線、三線和港清線、港清復(fù)線等供氣。經(jīng)過高壓A站、高壓B站和次高壓A、次高B調(diào)壓后再進入中壓城市管網(wǎng)。高壓輸配站中的高壓輸配管網(wǎng)一旦失效,泄漏氣體遇火極易發(fā)生火災(zāi)。根據(jù)AP1581,燃氣泄漏發(fā)生安全排放、噴射火、火球火災(zāi)、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(fā)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(fā)出噴射火,工作人員常采取關(guān)閉閥門的應(yīng)急救援措施,但存留在管道中的燃氣仍然會使噴射火持續(xù)燃燒,無法立即熄滅,其熱輻射強度可造成周圍儲氣設(shè)施的損壞、倒塌等后果。
為了避免噴射火事故的發(fā)生,國內(nèi)外學(xué)者主要對其影響因素及危害特性進行了研究。Chamberlain根據(jù)Kalghatgi噴射火實驗數(shù)據(jù),結(jié)合Shell Research數(shù)學(xué)模型,得出噴射火幾何特性模型的計算式。火災(zāi)的危害性大,實驗成本高,做燃氣噴射火實驗需要大量經(jīng)費,故采用數(shù)值模擬軟件成為研究機構(gòu)和高校的主要研究方式,如CFD、FDS、FLUENT等。
現(xiàn)有研究結(jié)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(gòu)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(shè)置在管道6點鐘、9點鐘、12點鐘三個方向上。模擬網(wǎng)格區(qū)域劃分為Xmin=0,Xmax=180;Ymin=15,Ymax=35;Zmin=0,Zmax=80。根據(jù)AP1581,設(shè)置泄漏口面積為0.5㎡,離地高度1m,環(huán)境溫度為20℃,外界壓力為0.1MPa。在X=4m處設(shè)置熱通量探測器,在X=2m處設(shè)置溫度探測器,X軸方向每隔5m設(shè)置一個探測器。由于模擬場景對稱,故檢測其一側(cè)數(shù)據(jù),每個探測器采集數(shù)據(jù)1000次,取平均值。
2 結(jié)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(wěn)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(xiàn)在火焰頂部,使噴射火頂部出現(xiàn)破碎結(jié)構(gòu),出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒狀態(tài),形成多個渦流組成的浮力驅(qū)動湍流火焰,火焰長度縮短。噴射孔繼續(xù)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(jiān)測數(shù)據(jù)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(qū)。由泄漏開始,噴射火撞擊地面時火焰最大,之后變小趨于穩(wěn)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(jié)構(gòu),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(qū),火勢減緩,1.4s形成穩(wěn)定的燃燒狀態(tài),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(guān)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(nèi)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(shù)關(guān)系,泄漏孔處主要受噴射火產(chǎn)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(cè)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。
上一篇 : 型鋼混凝土約束柱耐火極限實用計算方法
下一篇 : 熱輻射通量對PMMA 燃燒特性影響的實驗研究