擋氣板對綜合管廊燃?xì)庑孤U散影響規(guī)律研究*

高保彬，任闖難，劉彥偉，董 群

(1.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；2.山西省資源環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測重點實驗室，山西 太原 030000；3.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引言

近年來，新型城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷推進(jìn)，為解決“城市病”問題，綜合管廊在我國大范圍推廣建設(shè)[1]。相對傳統(tǒng)埋地方式，管廊本體空間受限，為燃?xì)獗ㄌ峁┍匾獥l件，所以國內(nèi)綜合管廊單獨設(shè)燃?xì)馀撌襕2]。燃?xì)馀搩?nèi)按照要求設(shè)置可燃?xì)怏w探測裝置，一旦出現(xiàn)燃?xì)庑孤扇細(xì)怏w探測裝置聯(lián)動報警系統(tǒng)與阻隔閥可及時關(guān)閥切斷氣源,并啟動事故通風(fēng)模式，有效控制事故隱患。實時探測是預(yù)防燃?xì)夥e聚引發(fā)爆炸關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。

目前，國內(nèi)綜合管廊可燃?xì)怏w探測器一般采用分布式定點探測與濃度探測。2種方法均適用于泄漏氣體已發(fā)生蔓延的情況，針對泄漏氣體大范圍擴散的精準(zhǔn)探測比較困難。國內(nèi)燃?xì)馀摽扇細(xì)怏w探測器設(shè)置間隔小于等于15 m，導(dǎo)致可燃?xì)怏w探測器利用率降低。國內(nèi)外學(xué)者針對綜合管廊燃?xì)庑孤U散影響因素研究主要集中于通風(fēng)風(fēng)速、泄漏口孔徑、泄漏速度、障礙物等方面[4-10],關(guān)于燃?xì)馀摽扇細(xì)怏w探測模擬研究相對較少:方自虎等[11]通過對綜合管廊天然氣泄漏擴散進(jìn)行試驗與數(shù)值模擬，初步建立報警響應(yīng)時間擬合計算公式；胡敏華[12]通過共同溝內(nèi)天然氣管道泄漏報警模型試驗，分析天然氣泄漏量與艙室斷面寬度對報警響應(yīng)時間影響，并對傳統(tǒng)經(jīng)驗公式進(jìn)行修正;錢喜玲等[13]利用CFD軟件模擬發(fā)現(xiàn)，隨管道泄漏壓力增大，報警響應(yīng)時間不斷減小；萬留杰等[14]發(fā)現(xiàn)CH4泄漏報警響應(yīng)時間與泄漏點位置、風(fēng)速以及分隔物等多重因素相關(guān)；鄧小嬌等[15]通過小孔泄漏模擬發(fā)現(xiàn),解除報警時間與進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速呈近似線性關(guān)系；許淑惠等[16]模擬分析安裝間距對報警器響應(yīng)時間影響規(guī)律，同時驗證泄漏源形狀對響應(yīng)時間影響；何樂平等[17]提出CH4探頭沿艙室高度方向布設(shè)位置優(yōu)化方案，縮小探頭布置高度取值范圍；黃劍等[18]提出增設(shè)擋氣板的可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)優(yōu)化方案，但技術(shù)參數(shù)誤差較大。

因此，本文通過數(shù)值模擬對增設(shè)擋氣板探測器優(yōu)化方案有效性進(jìn)行驗證，研究擋氣板對綜合管廊燃?xì)庑孤U散影響規(guī)律，以更好地指導(dǎo)綜合管廊燃?xì)馀摽扇細(xì)怏w探測系統(tǒng)優(yōu)化布置。

1 數(shù)值模型及模擬設(shè)置

1.1 物理模型

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838—2015)[19]，綜合管廊燃?xì)馀撁?00 m設(shè)置1個防火分區(qū)。以鄭州市惠濟區(qū)花園口鎮(zhèn)已建成綜合管廊燃?xì)馀搯蝹€防火分區(qū)為研究對象，燃?xì)馀摂嗝娓?.0 m，橫向?qū)挾?.9 m，燃?xì)夤艿肋x用DN250鋼管，進(jìn)出風(fēng)口長寬均為1.2 m。。

本文采用DM幾何建模方式，對綜合管廊燃?xì)馀撌医Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，得到燃?xì)馀搯蝹€防火分區(qū)增設(shè)擋氣板二維簡化物理模型，如圖1所示。

圖1 燃?xì)馀搯蝹€防火分區(qū)增設(shè)擋氣板二維簡化物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

燃?xì)庥晒艿佬孤┲辆C合管廊燃?xì)馀摚c外界環(huán)境發(fā)生能量與物質(zhì)交換，整體滿足流體力學(xué)3大控制方程和無化學(xué)反應(yīng)湍流組分輸運方程，并共同構(gòu)成管廊內(nèi)燃?xì)庑孤U散流動方程組。通過給定初邊界條件得到不同情況下特解。

將管道內(nèi)燃?xì)饬鲃右暈橐痪S流動，連續(xù)性方程如式(1)所示：

(1)

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；t為流動時間，s；u為流體在x軸方向速度，m/s。

納維-斯托克斯方程在二維坐標(biāo)系如式(2)所示：

(2)

式中：ux,uy為速度在x,y坐標(biāo)軸分量，m/s；p為靜壓力，Pa；τxy為應(yīng)力張量,Pa；ρg為重力體積力，N；F為外部體積力，N。

在二維簡化物理模型中，能量守恒如式(3)所示：

(3)

式中：T為流體熱力學(xué)溫度，K；k為流體傳熱系數(shù)；Cp為等壓比熱容J/(kg·K)；ST為黏性耗散項，Pa·s。

1.3 模擬設(shè)置

1)網(wǎng)格劃分

本文采用ANSYS19.2中Fluid Flow(Fluent)內(nèi)置前處理器Mesh進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，局部網(wǎng)格質(zhì)量將決定模擬結(jié)果可靠性。因泄漏孔及進(jìn)出風(fēng)口位置相對于防火區(qū)間長度200 m量級差異較大，需進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化處理。劃分網(wǎng)格數(shù)共計50 138個，網(wǎng)格質(zhì)量約0.7。

2)求解設(shè)置

考慮泄漏燃?xì)饨M分在艙室內(nèi)進(jìn)行對流擴散，處于湍流狀態(tài)，因此，本文利用Standardk-ε模型模擬泄漏氣體湍流流動，采用組分輸運模型(Species Transport)模擬燃?xì)庑孤U散過程，并定義組分為CH4-空氣，考慮全浮力影響。瞬態(tài)分析時間步長設(shè)置為0.5 s，迭代運算過程中相關(guān)參數(shù)殘差變化情況如圖2所示(以小孔10 mm泄漏，泄漏速度100 m/s，通風(fēng)風(fēng)速1.38 m/s，未設(shè)擋氣板為例)。

圖2 迭代運算過程中相關(guān)參數(shù)殘差變化

3)初邊界條件

綜合管廊可有效防止管廊內(nèi)管道受第3方施工等因素影響，燃?xì)庑孤┲饕婕白匀桓g或焊縫失效等情況下小孔泄漏，孔徑一般小于20 mm。李昭陽[20]通過事故樹分析，發(fā)現(xiàn)孔徑為10 mm小孔泄漏概率比大孔泄漏及管道斷裂事故概率高。因此，本文選用孔徑為10 mm小孔泄漏模型作為研究對象。當(dāng)泄漏口孔徑為定值時，泄漏速率與管道壓力成正比，管道壓力越大，泄漏速率越高，泄漏量越大。管道內(nèi)壓力受泄漏影響忽略不計，同時，不考慮燃?xì)庠诠艿纼?nèi)摩擦影響，泄漏源視為連續(xù)泄漏源，整個泄漏過程泄漏速度恒定，即等于初始最大泄漏率。小孔泄漏模型包括以下5個模擬條件：

①初始條件：因燃?xì)庵幸话鉉H4比例大于90%，所以泄漏組分選用CH4。t=0 時刻，泄漏未開始，燃?xì)馀搩?nèi)充滿空氣，CH4濃度為0，壓強為0.1 MPa。

②泄漏源條件：模擬過程中，CH4與空氣只有組分?jǐn)U散，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；泄漏孔徑10 mm，泄漏源處CH4組分設(shè)置為1；泄漏口設(shè)置為速度進(jìn)口，通過改變泄漏速度調(diào)節(jié)泄漏量，泄漏速度分別設(shè)置為50，100 m/s。

③進(jìn)風(fēng)口條件：假定風(fēng)向與風(fēng)速不隨燃?xì)庑孤U散空間垂直高度變化而改變，即風(fēng)速與地面平行且恒定不變，組分為空氣。根據(jù)不同工況，進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為速度進(jìn)口，通風(fēng)風(fēng)速分別為0，1.38 m/s。(根據(jù)規(guī)范，正常引風(fēng)量6次/h，按照惠濟區(qū)燃?xì)馀撾p速風(fēng)機風(fēng)量和通風(fēng)口尺寸換算對應(yīng)正常通風(fēng)風(fēng)速為1.38 m/s。)

④出風(fēng)口條件：出風(fēng)口與外界大氣連通，設(shè)為壓力出口。

⑤其他條件：忽略傳熱變化，壁面無滑移，選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)求解，室溫為300 K。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 擋氣板對探測效果影響分析

根據(jù)CH4性質(zhì)可得燃?xì)獗ㄏ孪逓?%(體積分?jǐn)?shù))，對應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.82%。綜合管廊內(nèi)燃?xì)馓綔y報警濃度設(shè)定值不能高于爆炸下限值(體積分?jǐn)?shù))的20%。因此，設(shè)定報警響應(yīng)濃度值為0.005(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。為探究最長報警響應(yīng)時間，將泄漏源布設(shè)于2個可燃?xì)怏w探測器中點位置。綜合管廊每隔15 m安裝1個CH4探測器，即泄漏源與兩側(cè)CH4探測器水平距離為7.5 m，并以下游距離最近探測器作為探測點。按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可燃?xì)怏w探測器位置距艙室頂部距離不宜大于0.3 m[21]，因此將探測點縱坐標(biāo)設(shè)為2.7 m。擋氣板設(shè)置在探測器背風(fēng)側(cè)，距探測器水平距離1 m，寬度為燃?xì)馀搩魧挘穸葹?.2 m，高度為0.5 m。采用Fluent軟件模擬增設(shè)擋氣板前后燃?xì)庑孤U散后濃度分布，導(dǎo)出探測位置時長數(shù)據(jù)，并對比分析擋氣板對探測效果影響。

1)不同泄漏量下?lián)鯕獍逵绊懶Ч?/p>

為研究不同泄漏量(泄漏速度)條件下增設(shè)擋氣板對探測效果影響，選取通風(fēng)風(fēng)速為0 m/s，泄漏速度分別為50，100 m/s工況進(jìn)行分析，得到增設(shè)擋氣板前后探測點CH4濃度隨時間變化，如圖3所示。

圖3 無通風(fēng)條件下，探測點CH4濃度與時間變化關(guān)系

由圖3可知，以CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.005作為報警響應(yīng)濃度，當(dāng)泄漏速度50 m/s時，增設(shè)擋氣板前后報警響應(yīng)時間分別為4.6，4.0 s；當(dāng)泄漏速度100 m/s時，增設(shè)擋氣板前后報警響應(yīng)時間分別為2.2，1.9 s。當(dāng)持續(xù)泄漏10 s，且泄漏速度50 m/s時，增設(shè)擋氣板前后探測點位置CH4濃度分別為0.078，0.087；泄漏速度100 m/s時，增設(shè)擋氣板前后探測點位置CH4濃度分別為0.103，0.136。受擋氣板間探測區(qū)段阻擋作用影響，不同泄漏量情況下，增設(shè)擋氣板后探測效果均有所提升，且探測點位置CH4濃度峰值有所增大，但整體提升效果不明顯。

2)正常通風(fēng)下?lián)鯕獍逵绊懶Ч?/p>

為研究正常通風(fēng)條件下增設(shè)擋氣板對探測效果影響，得到通風(fēng)風(fēng)速1.38 m/s(正常引風(fēng)量6次/h)，泄漏速度50，100 m/s工況下，探測點CH4濃度隨時間變化，如圖4所示。

圖4 正常通風(fēng)條件下，探測點CH4濃度與時間變化關(guān)系

由圖4可知，正常通風(fēng)條件下增設(shè)擋氣板，當(dāng)持續(xù)泄漏20 s，探測點位置CH4濃度峰值仍有所升高；但報警響應(yīng)時間并未縮短。通過多次模擬驗證發(fā)現(xiàn)，因擋氣板阻擋作用，在擋氣板迎風(fēng)側(cè)形成渦流，靠近擋氣板迎風(fēng)側(cè)一定時間內(nèi)屬安全濃度區(qū)域。即在正常通風(fēng)條件下，若擋氣板靠近探測器設(shè)置，存在削弱探測效果可能性。

3)不同高度下?lián)鯕獍逵绊懶Ч?/p>

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并考慮運維與人員活動等因素，專家給出擋氣板高度取值范圍為0.4～0.6 m。

為研究擋氣板設(shè)置高度對探測效果影響，選取通風(fēng)風(fēng)速為0 m/s，泄漏速度為50 m/s，擋氣板高度由0.5 m依次調(diào)整為0.3，0.7 m，得到不同擋氣板高度下探測點CH4濃度隨時間變化，如圖5所示。

圖5 不同擋氣板高度下，探測點CH4濃度與時間變化關(guān)系

由圖5可知，當(dāng)擋氣板高度由0.3 m調(diào)整至0.7 m，隨擋氣板高度增加，CH4濃度發(fā)生小幅度增大，報警響應(yīng)時間與探測點位置CH4濃度峰值改變不明顯。結(jié)合鄭州市惠濟區(qū)燃?xì)馀搩?nèi)頂部分隔物高度設(shè)置要求(≤0.5 m)及模擬結(jié)果可知，當(dāng)擋氣板高度達(dá)0.5 m時，繼續(xù)增加擋氣板高度效果不明顯。因此，建議擋氣板高度設(shè)置應(yīng)小于等于0.5 m。

4)不同泄漏位置下?lián)鯕獍逵绊懶Ч?/p>

上述工況均針對泄漏源位于2探測器中間位置進(jìn)行探討。為研究不同泄漏位置增設(shè)擋氣板對探測效果影響程度，將泄漏源與下游探測器水平距離依次設(shè)置為5.0，7.5，10.0 m，并以下游探測器作為數(shù)據(jù)監(jiān)測點。當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為0 m/s，泄漏速度為50 m/s，擋氣板高度為0.5 m時，得到不同泄漏位置處增設(shè)擋氣板前后探測點CH4濃度隨時間變化，如圖6所示。

圖6 不同泄漏位置下，探測點CH4濃度與時間變化關(guān)系

由圖6可知，無通風(fēng)條件下，在某2個探測器區(qū)段內(nèi)，泄漏源與下游探測器水平距離越大，探測效果提升越明顯。實際工程中確保探測器正常工作條件下，一般水平距離最近探測器先發(fā)生報警。但僅于擋氣板迎風(fēng)側(cè)設(shè)置探測器，且泄漏源位于區(qū)段內(nèi)靠近左側(cè)位置，建議將可燃?xì)怏w探測器設(shè)置于每塊擋氣板兩側(cè)，相鄰2塊擋氣板間距設(shè)置為50 m。常規(guī)綜合管廊燃?xì)馀摽扇細(xì)怏w探測器間隔一般為15 m，200 m長管廊區(qū)段至少需布置13個探測器，優(yōu)化后布置方案可降低38%探測器使用量，有效節(jié)約資源，降低工程造價。

2.2 擋氣板對危險區(qū)域影響

燃?xì)庑孤U散后，會在艙室內(nèi)形成危險濃度區(qū)。無通風(fēng)條件下，當(dāng)艙室內(nèi)燃?xì)鉂舛任ｋU區(qū)域達(dá)到一定范圍，會增加爆炸隱患，需考慮如何降低危險濃度區(qū)擴張速度；通風(fēng)條件下，希望危險區(qū)域內(nèi)燃?xì)獗M快通過風(fēng)流作用由出風(fēng)口排出。分別對無通風(fēng)及通風(fēng)條件下?lián)鯕獍鍖ξｋU區(qū)域影響進(jìn)行分析。

1)無通風(fēng)

無通風(fēng)條件下，將泄漏源設(shè)在2探測器中點位置，通風(fēng)風(fēng)速0 m/s，泄漏速度50 m/s，擋氣板高度0.5 m，得到泄漏時間持續(xù)10 s時，燃?xì)馀撐ｋU區(qū)域分布，如圖7所示(下游探測點為圖中五角星標(biāo)注)。

圖7 無通風(fēng)條件下，持續(xù)泄漏10 s燃?xì)馀撐ｋU區(qū)域分布

由圖7可知，無通風(fēng)條件下，燃?xì)庑孤U散后均勻向兩側(cè)擴散。增設(shè)擋氣板后，受擋氣板阻擋作用，燃?xì)鉂舛任ｋU區(qū)域一定時間被限制于擋氣板區(qū)段內(nèi)，危險區(qū)域擴張速度減小；同時，因擋氣板區(qū)段未構(gòu)成密閉空間，可在一定程度上確保探測報警安全性。但2塊擋氣板區(qū)段不會一直限制燃?xì)鈹U散，當(dāng)達(dá)到一定時長，燃?xì)鈱⒗^續(xù)向區(qū)段外下游擴散。

2)正常通風(fēng)

正常通風(fēng)條件下，通風(fēng)風(fēng)速1.38 m/s，泄漏時間持續(xù)10 s時，得到增設(shè)擋氣板后燃?xì)馀撐ｋU區(qū)域分布，如圖8所示。

圖8 正常通風(fēng)條件下，持續(xù)泄漏10 s燃?xì)馀撐ｋU區(qū)域分布

通過對比圖7～8可知，正常通風(fēng)條件下，泄漏源上游不會出現(xiàn)燃?xì)鉂舛任ｋU區(qū)域，驗證通風(fēng)措施有效性。根據(jù)圖8頂部安全區(qū)域可以判斷，受通風(fēng)風(fēng)速、燃?xì)饷芏纫约靶孤┰次恢玫榷嘀匾蛩赜绊懀?個報警響應(yīng)探測器位置存在后移可能。

由圖8可知，正常通風(fēng)條件下，持續(xù)泄漏10 s，增設(shè)擋氣板前危險區(qū)域可擴散31 m，增設(shè)擋氣板后可擴散37 m。擋氣板背風(fēng)側(cè)形成更大范圍安全區(qū)域，本該賦存在該區(qū)域的燃?xì)饫^續(xù)擴散至下游，在一定程度上促進(jìn)燃?xì)鈹U散排出，防止燃?xì)夤芾葍?nèi)部燃?xì)饩奂Ｍ瑫r，由于頂部安全區(qū)域擴大，第2個發(fā)生報警響應(yīng)探測點位置將發(fā)生后移，為優(yōu)化綜合管廊燃?xì)馀摽扇細(xì)怏w探測系統(tǒng)布置方案提供新思路與理論依據(jù)。考慮擋氣板經(jīng)濟性與實用性，優(yōu)化布置方案還需著眼于擋氣板選材、安裝以及間距設(shè)置等技術(shù)參數(shù)對可燃?xì)怏w探測效果提升程度。有關(guān)擋氣板對綜合管廊燃?xì)庑孤U散影響規(guī)律及方案有效性，仍需大量數(shù)值模擬、試驗驗證及具體工程實際檢驗。

3 結(jié)論

1)增設(shè)擋氣板后，無通風(fēng)情況下，探測效果提升，且探測點處CH4濃度峰值增大。以泄漏速度50 m/s為例，增設(shè)擋氣板前后，報警響應(yīng)時間分別為4.6，4.0 s，持續(xù)泄漏10 s探測點處CH4濃度分別為0.078和0.087。同時，泄漏源與下游探測器水平距離越大，探測效果提升越明顯。正常通風(fēng)情況下，無明顯提升效果。

2)擋氣板高度達(dá)到0.5 m后，繼續(xù)增加設(shè)置高度，探測效果無明顯提升。考慮綜合管廊內(nèi)部分隔物設(shè)置及排風(fēng)要求，擋氣板高度設(shè)置應(yīng)小于等于0.5 m。

3)增設(shè)擋氣板后，無通風(fēng)情況下，危險區(qū)域受擋氣板區(qū)間段限制，擴張速度減小；正常通風(fēng)情況下，泄漏速度50 m/s，持續(xù)泄漏10 s，增設(shè)擋氣板前后危險區(qū)域分別擴散31，37 m，擋氣板背風(fēng)側(cè)安全區(qū)域間接促進(jìn)泄漏燃?xì)鈹U散排出。