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

  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130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 

文章編號1009-0029201701-0013-03

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,CFDFDS、FLUENT。

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。

 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Xmin0,Xmax180Ymin15,Ymax35Zmin0,Zmax80。根據(jù)AP1581,設(shè)置泄漏口面積為0.5,離地高度1,環(huán)境溫度為20外界壓力為0.1MPa。X4處設(shè)置熱通量探測器X2處設(shè)置溫度探測器,X軸方向每隔5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,取平均值

 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軸溫度分布如圖所示。晴朗天氣時噴射火在1.2時為燃燒最強烈階段,火焰達到80,火焰受壓力影響抬升高度超過50,2.7時噴射火形成底部為近60層流火焰,頂部為湍流火焰趨于穩(wěn)定

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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,2.7時在泄漏孔前方78處形成蘑菇云。3.8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,12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)。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。0.9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,1.4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COHO,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。40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20,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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