高压天然气管道泄漏孔位置对喷射火的影响
高压天然气管道泄漏孔位置对喷射火的影响
马子超，吕淑然，王春雪，詹求杰，李泽华
（首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京100070）
摘 要：利用FDS对比研究泄漏孔在顶部、侧面和底部对喷射火的影响，研究高压天然气管道泄漏孔位置对周围人员与设备的危害。分析喷射火焰的几何特征、热辐射、危害半径。结果表明：泄漏孔在9点钟方向时，喷射火沿水平方向喷射130ｍ，高温区与热辐射区覆盖整个燃气输配站；泄漏孔在6点钟方向时，地面阻碍了喷射火在竖直方向上的蔓延，危害范围减小；泄漏孔在12点钟方向时，高温区域与热辐射区域在竖直方向上，对人员与设备的危害最低。
关键词：喷射火；天然气管道；泄漏位置；数值模拟；危害半径
中图分类号：X913.4 ，X932 ，TE832 文献标志码：Ａ
文章编号：1009-0029（2017）01-0013-03
北京市燃气主要由城市管网陕京一线、二线、三线和港清线、港清复线等供气。经过高压A站、高压B站和次高压A、次高B调压后再进入中压城市管网。高压输配站中的高压输配管网一旦失效，泄漏气体遇火极易发生火灾。根据AP1581，燃气泄漏发生安全排放、喷射火、火球火灾、蒸气云爆炸的概率分别是0.80、0.10、0.06、0.04，所以燃气管道发生喷射火的事故居多。燃气管道泄漏从泄漏口喷出，如遇火源，会迅速喷发出喷射火，工作人员常采取关闭阀门的应急救援措施，但存留在管道中的燃气仍然会使喷射火持续燃烧，无法立即熄灭，其热辐射强度可造成周围储气设施的损坏、倒塌等后果。
为了避免喷射火事故的发生，国内外学者主要对其影响因素及危害特性进行了研究。Chamberlain根据Kalghatgi喷射火实验数据，结合Shell Research数学模型，得出喷射火几何特性模型的计算式。火灾的危害性大，实验成本高，做燃气喷射火实验需要大量经费，故采用数值模拟软件成为研究机构和高校的主要研究方式，如CFD、FDS、FLUENT等。
现有研究结论大部分集中在储罐或燃气管道的同一方向上，对天然气管道不同泄漏位置的研究较少。笔者利用FDS模拟研究高压天然气管道6点钟、9点钟、12点钟三个方向泄漏孔对喷射火特性的影响，分析这三种情况下的危害范围。
１ 模型构建
采用FDS进行模拟研究。模拟场景为高压燃气输配站中的露天高压输配管道。考虑不同泄漏位置对燃气喷射火的影响，将泄漏孔设置在管道6点钟、9点钟、12点钟三个方向上。模拟网格区域划分为Xｍｉｎ＝0，Xｍａｘ＝180；Yｍｉｎ＝15，Yｍａｘ＝35；Zｍｉｎ＝0，Zｍａｘ＝80。根据AP1581，设置泄漏口面积为0.5㎡，离地高度1ｍ，环境温度为20℃，外界压力为0.1MPa。在X＝4ｍ处设置热通量探测器，在X＝2ｍ处设置温度探测器，X轴方向每隔5ｍ设置一个探测器。由于模拟场景对称，故检测其一侧数据，每个探测器采集数据1000次，取平均值。
２ 结果分析
２．１ 火焰几何特性分析
最初，泄漏孔位置在高压天然气管道12点钟方向时，喷射火燃烧周围空气，形成压力差。压力推动火焰迅速扩散，湍流作用明显，甲烷与氧气充分混合燃烧迅速形成紧密的蘑菇云，火焰轮廓迅速上升，达到最大值。Y轴温度分布如图１所示。晴朗天气时，喷射火在1.2ｓ时为燃烧最强烈阶段，火焰达到80ｍ，火焰受压力影响抬升高度超过50ｍ，2.7ｓ时喷射火形成底部为近60ｍ层流火焰，顶部为湍流火焰趋于稳定。
泄漏孔位置在高压天然气管道9点钟方向时，喷射火沿地面迅速扩散，2.7ｓ时在泄漏孔前方78ｍ处形成蘑菇云。3.8ｓ时涡流出现在火焰顶部，使喷射火顶部出现破碎结构，出现不稳定燃烧状态，形成多个涡流组成的浮力驱动湍流火焰，火焰长度缩短。喷射孔继续喷射燃气与空气卷吸燃烧，火焰长度增补回来，形成周期变化。
泄漏孔位置在高压天然气管6点钟方向时，监测数据显示，地面阻碍了天然气的射流，火焰向四周蔓延，增大了X轴方向的火焰长度。其原因为：泄漏气体量为定值，泄漏气体沿地板横向扩散并燃烧，到12ｍ处火焰长度不再变化，因燃气射流速度减小无法进入燃烧区。由泄漏开始，喷射火撞击地面时火焰最大，之后变小趋于稳定。其原因为：喷射火在到地面前，在管道与地板之间形成涡旋结构，其迫使火焰强烈褶皱和伸展，加快了天然气与空气的燃烧。在0.9ｓ时火势达到最大，因未燃烧气体无法横向扩散进入燃烧区，火势减缓，1.4ｓ形成稳定的燃烧状态，竖直方向上的火焰扩散速率为0。
２．３ 热辐射分析
热通量与距离的关系如图2所示。热辐射来源于分子辐射和黑体辐射。分子辐射主要来源于CO２和H２O，黑体辐射是火焰内的碳黑造成的。泄漏孔在顶部和底部时，热通量值与泄漏孔距离呈指数关系，泄漏孔处主要受喷射火产生的黑体辐射作用，热通量大。远离喷射火，热通量开始迅速降低。40ｍ后主要受分子辐射作用，故热通量缓慢下降并趋于平缓。泄漏孔在侧面时，因喷射火从水平方向蔓延，温度探测器在火焰表面上方20ｍ处，所以检测到的热通量明显高于其他两种工况。随着距离的增加，泄漏燃气浓度减小，平均热通量平缓下降。
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