綜合管廊燃氣管道泄漏模擬實驗臺的研制

張瑞達， 許淑惠， 袁欣然， 郝卿儒， 徐榮吉

(北京建筑大學(xué) 北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心， 建筑用能國家級虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心， 北京 100044)

0 引 言

2014年起，國家開始大規(guī)模地投資建設(shè)地下綜合管廊，2015年我國建成的綜合管廊長度約為1 000 km，投資約880億元[1]。綜合管廊是指建于城市道路地下，用于容納多種市政管線的公用設(shè)施[2]。綜合管廊能夠保障城市基礎(chǔ)設(shè)施的安全，改善城市環(huán)境，眾多的優(yōu)勢使之成為市政公用管線鋪設(shè)的主流趨勢和必要發(fā)展方向[3-4]。燃氣管道在綜合管廊中需要單獨設(shè)艙[5]，而燃氣管道屬于高危管線，在管廊的密閉空間內(nèi)，若發(fā)生泄漏會有爆炸危險，引起的后果非常嚴重[6]，所以需要研究燃氣管道在燃氣艙內(nèi)發(fā)生泄漏時的擴散規(guī)律，以應(yīng)對泄漏情況的發(fā)生，保障綜合管廊的安全。

為了預(yù)防綜合管廊事故的發(fā)生，李文婷結(jié)合上海市某綜合管廊項目，運用 FDS 分析軟件，對地下綜合管廊電纜火災(zāi)煙氣蔓延過程和熱量傳遞過程進行模擬分析[7]；趙永昌等在隧道模型基礎(chǔ)上，搭建了 1∶3∶6 的小尺寸地下綜合管廊實體模型，對電力艙室火災(zāi)溫度場進行研究[8]；方自虎等采用CO2代替燃氣在管廊里一側(cè)進行泄漏的方式建立管艙泄漏模型，用于燃氣泄漏擴散模型實驗[9-11]；胡敏華以深圳的大梅沙-鹽田坳燃氣共同溝為例，設(shè)計了包含管溝模型、氣體釋放裝置和報警系統(tǒng)的實驗臺，模擬天然氣在靜風(fēng)狀態(tài)下的泄漏，可用于綜合管廊報警的研究[12-13]。

通過閱讀大量文獻發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者主要對綜合管廊電力艙的火災(zāi)情況進行研究[14]，并且為研究燃氣艙燃氣泄漏情況所設(shè)計的燃氣艙泄漏實驗臺較簡單，沒有考慮管廊的通風(fēng)狀態(tài)，只能進行靜態(tài)實驗。本文設(shè)計了一種能充分保證實驗安全性和可靠性的綜合管廊燃氣泄漏模擬實驗臺，該實驗臺能對綜合管廊內(nèi)不同情況下的燃氣泄漏情況進行模擬，通過分析實驗測得的數(shù)據(jù)，可知道燃氣泄漏后管廊內(nèi)不同位置的燃氣體積分數(shù)，用于對管廊燃氣艙燃氣泄漏后擴散規(guī)律的研究。

1 實驗臺方案設(shè)計

對北京某實際項目中綜合管廊燃氣艙進行分析，該燃氣艙斷面尺寸為1.7 m×3.4 m，其中燃氣管道布置在管艙右側(cè)，直徑300 mm，由支座支撐，支座高500 mm，艙內(nèi)留有1 m寬的檢修通道以及預(yù)留燃氣管線，如圖1(a)所示。燃氣管艙以200 m長度劃為一個防火分區(qū)，并采用防火門分隔開，在燃氣管艙內(nèi)，當燃氣泄漏后，防火門關(guān)閉，可控制燃氣擴散區(qū)域在一個防火區(qū)間內(nèi)，然后通過排風(fēng)井將燃氣排出管艙，所以將模擬的燃氣管艙長度定為200 m。為對燃氣艙內(nèi)發(fā)生燃氣泄漏后的模擬結(jié)果形象描述，需定義管艙內(nèi)觀測面。因此，以A—A斷面為觀測面，如圖1(b)所示，觀察燃氣的擴散情況。

按照實際項目中的燃氣艙設(shè)計模擬實驗臺，根據(jù)流體力學(xué)中的相似理論以及搭建實驗臺的場地面積，選擇按照比例1∶20對實際燃氣艙設(shè)計實驗臺尺寸，搭建實驗臺并進行模擬實驗。同樣地，按比例縮放A—A觀測面，將其作為實驗管廊模型的觀測面，用于在實驗時觀察燃氣的擴散情況。實驗臺燃氣艙斷面尺寸為85 mm×170 mm，長度為10 m，由于燃氣管道體積占整個管艙空間的1.22%，因此不再敷設(shè)燃氣管道，并采用針頭泄漏的方式代替燃氣管道破損泄漏。由于整個實驗臺長度為10 m，擴散區(qū)域較短，因此將泄漏口設(shè)計在實驗臺中靠近進風(fēng)口的一側(cè)。

圖1 北京某項目綜合管廊燃氣艙 (mm)

由于實驗臺搭建的場地在室內(nèi)，考慮到實驗的安全性，采用其他氣體代替燃氣在空氣中泄漏的實驗方法。通過分析燃氣的物性條件、相對密度以及其他參數(shù)，選擇無毒且常見的氣體進行替代。發(fā)現(xiàn)可用N2氣體代替燃氣，CO2氣體代替空氣。管廊內(nèi)燃氣管道輸送的燃氣為天然氣，天然氣的主要成分是CH4[15]，燃氣與空氣的密度比為0.63～0.68，而N2與CO2在常溫常壓下的密度比為0.642，兩者密度比較接近，因此認為采用N2代替燃氣，CO2代替空氣的模擬方法是可以的。

實驗設(shè)計原理圖如圖2所示，實驗氣體為純度99.999%的N2和CO2，儲氣氣瓶出口壓力可調(diào)。首先CO2氣體通過進風(fēng)口流入整個模型管廊中，當管廊模型充滿CO2時，開啟N2氣瓶以及電磁閥，使N2在充滿CO2的管廊模型中泄漏，使用氣體采樣系統(tǒng)對管廊觀測面10個測點的混合氣體進行同時采集，然后使用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對將采集后的混合氣體進行成分和含量的分析。

2 實驗臺搭建

2.1 綜合管廊模型

綜合管廊模型包括管廊本體、進風(fēng)井、排風(fēng)井、實驗臺支架等。管廊本體材料為有機玻璃材質(zhì)，采用分段式設(shè)計，便于安裝和連接。管廊本體長度為10 m，分為8段，每段長度為1.25 m，用法蘭和固定螺母連接，同時在連接處設(shè)置墊片，以保持管廊本體的密閉性。為了定量分析管廊內(nèi)不同位置、同一時刻的氣體含量，在每段管段側(cè)面設(shè)有多個采樣點，配合氣體采樣系統(tǒng)使用。泄漏口所處的分管段在側(cè)面上部和中間位置設(shè)均有采樣孔，其他管段只在中間位置設(shè)有采樣孔。每個采樣孔都設(shè)有一個圓形墊片，以此密封和固定采樣裝置的針頭。具體位置如圖3所示。

圖2 實驗臺設(shè)計原理圖 (mm)

(a) 泄漏口所處分管段

(b) 管廊管段采樣點位置

搭建綜合管廊實驗臺時用進風(fēng)井和排風(fēng)井代替實際管廊中的進風(fēng)口和排風(fēng)口，進風(fēng)井和排風(fēng)井斷面尺寸為0.07 m×0.07 m。在整座實驗臺的兩側(cè)分別設(shè)有擋板，模擬燃氣管艙的封閉防火區(qū)。管廊管段進風(fēng)口側(cè)連接CO2氣瓶，開啟CO2氣瓶的閥門后，高純度CO2氣體從CO2氣瓶中流出，通過進氣軟管進入進氣井，再通過穩(wěn)定氣流用的均流板后，流入管廊內(nèi)部。在第3段管廊管段，距進風(fēng)口3.125 m且距管廊側(cè)面27.5 mm處的底部鉆有小孔，設(shè)為泄漏孔，泄漏點針頭插入到泄漏孔內(nèi)。泄漏口處針頭卸取方便，可換不同直徑的針頭進行實驗，針頭直徑最小為0.16 mm，最大達到1.26 mm，泄漏點針頭既可以采用徑向開孔，也可采用側(cè)面開孔，針頭可繞直徑實現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動，從而模擬不同的泄漏口大小和泄漏口方位的泄漏過程。高純度N2從N2氣瓶中流出，可通過氣瓶閥門調(diào)節(jié)泄漏點N2出口壓力，N2通過進氣軟管和泄漏點針頭，由管廊底面泄漏孔進入管廊內(nèi)。在LabVIEW軟件上控制電磁閥的開關(guān)，可以調(diào)節(jié)N2的泄漏過程。實驗后，管廊中的混合氣體由排氣井經(jīng)排氣軟管排出。通過設(shè)置不同的實驗工況，可用于研究燃氣泄漏后氣體擴散影響因素，設(shè)置工況見表1。

表1 實驗工況設(shè)置表

為方便觀察和操作，實驗臺支架材質(zhì)采用標準鋁合金型材，通過標準的直角連接件和螺釘固定，高度可調(diào)，將支架高度調(diào)整到方便操作的高度即可，實驗臺支架上設(shè)有縱梁以方便安裝和調(diào)整采樣裝置。圖4為綜合管廊燃氣管道泄漏擴散實驗臺，示意圖中僅選擇兩個管廊管段進行示意圖展示，實際實驗臺有8節(jié)管廊管段。

(a) 實驗臺示意圖

2.2 氣體采樣系統(tǒng)

氣體采樣系統(tǒng)可實現(xiàn)在同一時刻對不同位置的采樣點進行采樣，該系統(tǒng)包括直流電源、電磁繼電器、數(shù)據(jù)采集卡、電腦控制、氣體采集裝置，如圖5所示。其中電腦負責(zé)控制整套系統(tǒng)的采樣，數(shù)據(jù)采集卡型號為NI USB-6210，負責(zé)控制電磁繼電器的開關(guān)和換向。電磁繼電器控制采樣裝置中電磁缸的通電斷電及電流流向，從而進行采樣和復(fù)位操作。氣體采樣裝置固定在實驗臺支架上，主要由電磁缸和注射器構(gòu)成，電磁缸型號為HF-TGA-50-24-10，負責(zé)拉伸和推送注射器芯桿。采樣裝置上有卡座，可卡住注射器芯桿，注射器的針頭通過采樣點伸入到管廊的觀測面處的位置。

圖5 氣體采樣系統(tǒng)原理圖及氣體采集裝置實物圖

使用LabVIEW軟件編程，該程序可實現(xiàn)控制N2泄漏開關(guān)、采樣時長、氣體采集裝置的采樣與復(fù)位操作等操作，并自動記錄N2泄漏時刻以及每次采樣時刻，實時顯示N2壓力，采樣界面如圖6所示。首先設(shè)置采樣時長即規(guī)定了采氣量的多少，點擊采樣后，氣體采集裝置中電磁缸帶動注射器活塞芯桿向后拉伸，采集泄漏后的N2和CO2混合氣體，人工取下注射器，電腦點擊復(fù)位后在換上新的注射器，進行下一輪的采樣操作。采樣結(jié)束后，可從電腦上導(dǎo)出每次采樣時刻，與泄漏時刻相減后即為泄漏后每次取樣的時間。

圖6 采樣程序界面

2.3 檢測裝置

實驗中需要收集流速、流量、壓力、溫度等數(shù)據(jù)，現(xiàn)將主要檢測裝置匯總于表2。

表2 檢測裝置

圖7 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

2.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由氣相色譜儀(GC-2001)、N2000型色譜工作站、氫氣發(fā)生器(THH-300)三部分組成(見圖7)。該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以測試氣體采樣系統(tǒng)收集的混合氣體中N2和CO2的體積分數(shù)。在測試前，采用校正歸一法對氣相色譜儀進行校正，之后注入采樣裝置收集的混合氣體，點擊安裝在電腦上的色譜工作站軟件中的采集數(shù)據(jù)按鈕，然后查看色譜軟件上的N2和CO2體積含量。在色譜工作站中讀取數(shù)據(jù)文件后，將數(shù)據(jù)保存在自制表格中，與測點位置和采樣時間對應(yīng)。

3 實驗臺的可行性驗證

3.1 靜態(tài)過程燃氣泄漏實驗

3.1.1實驗步驟

在注射器架子上同時放置20個序號從1～20排序好的注射器，例如，1號采樣點配有1-1～1-20的注射器，取樣時，按順序換取注射器。

實驗過程選取的針頭為0.16 mm，具體實驗操作步驟為：

(1) 手動開啟CO2氣瓶的閥門，使高純度CO2經(jīng)進氣軟管和進氣井進入到管廊內(nèi)。

(2) 用便攜式CO2檢測儀檢測排風(fēng)口的CO2含量，達到99%以上時，視為管廊模型中充滿CO2氣體。然后關(guān)閉CO2氣瓶閥門，制造管廊內(nèi)無風(fēng)狀態(tài)，此時，記錄溫度為15°C。

(3) 每個氣體采集裝置卡座上放上序號為1的注射器，開啟N2氣瓶閥門，在電腦軟件中點擊開啟N2泄漏按鈕，此時高純度N2經(jīng)泄漏點針頭進入到管廊內(nèi)，模擬地下綜合管廊中燃氣管道的泄漏擴散過程。手動調(diào)節(jié)N2氣瓶減壓閥，調(diào)節(jié)出口壓力為0.2 MPa，觀測質(zhì)量流量計，記錄泄漏流量為2.1 L/min。

(4) 點擊采樣系統(tǒng)界面的采樣按鈕，10個不同位置的氣體采集裝置同時進行采樣，采樣結(jié)束后人工取下注射器，放置在注射器架子上，點擊復(fù)位，按順序換上下一序號的注射器，依次在每個采樣點采集10管注射器的混合氣體。

(5) 采樣結(jié)束后，用橡膠塞封住注射器出口，按順序排列在架子上，等待分析。然后在電腦上點擊關(guān)閉N2泄漏按鈕，并手動關(guān)閉N2氣瓶閥門。

3.1.2實驗結(jié)果

實驗完成后，將待測樣品拿至數(shù)據(jù)數(shù)理系統(tǒng)處，使用氣相色譜儀對注射器中N2體積分數(shù)進行測量，測量后發(fā)現(xiàn)有效測點為7個。現(xiàn)將7個采樣點N2體積分數(shù)在不同時間的變化情況匯總在表3。

表3 不同泄漏時間下采樣點的N2體積分數(shù) %

3.2 FLUENT模擬驗證

按照實驗臺的實際尺寸建立綜合管廊燃氣泄漏實驗臺物理模型，使用FLUENT軟件進行模擬計算。設(shè)置泄漏口處邊界條件為與靜態(tài)過程燃氣泄漏實驗工況相同的邊界條件，分別模擬燃氣在空氣環(huán)境中泄漏和N2在CO2環(huán)境中泄漏兩種情況。

在運算的過程中監(jiān)測這7個采樣點的泄漏氣體的體積分數(shù)變化，運算到107 s時結(jié)束模擬，導(dǎo)出這7個采樣點的泄漏氣體含量，將軟件模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對照，如圖8所示。

圖8 不同采樣點泄漏氣體體積分數(shù)實驗與模擬對比結(jié)果

通過對7個采樣點處氣體的體積分數(shù)對比，發(fā)現(xiàn)CH4在空氣中泄漏的模擬結(jié)果比較貼近實驗結(jié)果，并且N2在CO2中泄漏的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果變化趨勢一致。雖存在一定的偏差，但誤差范圍在20%以內(nèi)，證明該實驗臺模擬綜合管廊燃氣管道泄漏擴散過程是可行的。分析誤差產(chǎn)生的原因：實驗中測量N2的體積分數(shù)時存在由實驗設(shè)備精度等原因?qū)е碌碾S機誤差；實驗氣體選用的是空氣中成分比例最大的N2，在采樣之前注射器內(nèi)含有一定量的空氣，在氣相色譜處理數(shù)據(jù)時都默認為N2；在泄漏N2之前，空氣會滲入管廊模型或上次實驗泄漏的N2未被排盡，導(dǎo)致在采樣時N2含量增加。

4 結(jié) 語

研制的綜合管廊燃氣泄漏模擬實驗臺可實現(xiàn)對真實管廊中燃氣管道泄漏情況的模擬。使用FLUENT軟件，設(shè)置與實驗工況相同的條件，分別模擬N2在CO2中泄漏和CH4在空氣中泄漏兩種情況，并與實驗臺測得數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)誤差在合理范圍之內(nèi)，證明采用N2在充滿CO2氣體的管廊模型中泄漏代替燃氣在燃氣管艙內(nèi)的泄漏模擬方法可行，并且運用該實驗臺進行實際綜合管廊中燃氣泄漏情況模擬，研究燃氣泄漏后擴散規(guī)律是可行的。另外，該實驗臺可設(shè)置不同的實驗工況，研究燃氣泄漏后氣體擴散影響因素。為充分認識綜合管廊內(nèi)燃氣管道泄漏擴散情況，有效預(yù)測泄漏事故范圍，進行泄漏事故后處理，建立完善的燃氣艙運行條例和國家標準，提供了安全、可行的實驗裝置。