200 MW燃氣流風洞高壓氧氣系統安全操作分析

李文浩,徐秀明，岳 暉，田 寧，齊 斌，鄒樣輝

(北京航天長征飛行器研究所，北京 100076)

0 引言

氧氣作為氧化劑、助燃劑被廣泛應用于鋼鐵、冶金、化工、電子、航空航天等領域，大部分金屬、非金屬材質在高壓氧氣環境下較易燃燒，設計、建設、使用氧氣系統時需考慮氧氣的危害性，以減少事故的發生。馬大方[1]詳細闡述為保證氧氣管道安全運行,在氧氣管道流速控制、材質選擇、管件和閥門選用以及管道施工等方面應遵循的標準要求和措施；唐麒[2]總結歐洲/亞洲工業氣體協會(EIGA/AIGA)、美國機械工程師協會(ASTM)頒布的標準及指南[3-4]，以及國家標準[5-6]在氧氣管道材料選取方面的建議；文獻[7]編寫了氧氣相關標準；宋燕[8]通過對氧氣介質流速進行分析，給出氧氣用控制閥閥體和閥芯材質選用的安全措施，在源頭上解決流速過快可能引發的爆炸問題；馬大方[9]對煤化工高壓氧氣管道安全和安全高壓設備研制進行深入研究；郭燕等[10]分析煤化工空分裝置中氧氣管道典型“撞擊場合”的材料選取、材質應用范圍、管道布置等設計要點；延宗昳等[11]分析某核電站核島氧氣需求供應特點，并從操作性和經濟性對2種氧氣供應方案進行對比。

文獻[12-13]分析油脂導致的氣瓶爆炸事故；封文春等[14]針對飛機充氧過程中的燃爆事故，從絕熱壓縮、激波等方面分析高壓氧氣系統燃爆機理。爆炸事故一般由燃燒引起，物質燃燒需要同時具備可燃物、助燃物和初始能量3個要素，要想預防事故發生，需把3者相對分開或絕對分開。對于高壓氧氣系統，事故一般發生在閥門開啟或關閉過程中，本文基于200 MW燃氣流風洞冷態調試過程中的參數，在正式供氧前，對高壓氧氣系統閥門操作過程中管道中的流動進行分析，給出具體安全操作措施，并采用沖擊波超壓計算高壓氧氣罐物理爆炸的影響范圍，明確安全距離、安全區域，為氧氣管道遠程安全操作提供參考。

1 200 MW燃氣流風洞高壓氧氣系統

200 MW燃氣流風洞主要包括能源供應系統、加熱器、試驗艙、擴壓器、排氣系統等。高壓氧氣系統作為能源供應系統重要組成部分，主要由液氧罐、低溫泵、汽化器、氧氣罐等組成，該系統采用液氧汽化的方式制備高壓氧氣，并貯存在氧氣罐中。氧氣系統部分管道及儀表流程示意如圖1所示，主要由充氣管道、氧氣罐、供氣管道及放空管等組成。氧氣系統建設完成后，首先采用氮氣對系統進行調試、吹掃，確保管道清潔度，目前已開展多次熱試車，其中氧氣最高使用壓力為21 MPa，最大流量27.5 kg/s，最長供應時間為1 000 s。

圖1 管道及儀表流程示意Fig.1 Schematic diagram of pipeline and instrument procedures

2 安全操作分析

200 MW燃氣流風洞高壓氧氣系統操作主要包括充氣操作、供氣操作、排氣操作。試驗前，將液氧罐中的液氧汽化充灌至氧氣罐中；試驗時，將氧氣罐內的氧氣輸送至加熱器；試驗后，長期不使用氧氣或氧氣罐維修時，需將氧氣罐內的氧氣放空。液氧汽化及充氣時，液氧、氧氣流經管路如圖2虛線所示，該操作涉及閥門均為小口徑閥門；氧氣供氣時，高壓氧氣流經管路如圖3虛線所示，該操作涉及的閥門為大口徑遠程操控閥門，先通過旁通閥平衡上下游壓力，然后再將高壓氧氣主閥緩慢打開；放空管路位于罐區西側沿立柱鋪設至房頂，如圖4所示，該操作涉及的閥門均為小口徑遠程操控閥門。上述操作中，汽化器后氧氣管路閥門的閥體和閥瓣均采用蒙乃爾合金。

圖2 高壓氧氣充氣管路示意Fig.2 Schematic diagram of high-pressure oxygen charging pipeline

圖3 高壓氧氣供氣管路示意Fig.3 Schematic diagram of high-pressure oxygen supply pipeline

圖4 高壓氧氣排氣管路Fig.4 High-pressure oxygen exhaust pipeline

2.1 充氣操作

氧氣供應系統壓力使用范圍13～21 MPa，氧氣罐一般保持在較高壓力范圍，充氣時，充氣閥下游連接氧氣罐，上游為0.101 MPa，閥門打開時罐內高壓氣體對上游管道進行絕熱壓縮，若閥門開啟速度過快，管道內流動類似激波管流動如圖5所示[15-16]，閥門相當于膜片，左側為高壓氣體，即驅動氣體，右側為低壓氣體，壓力為0.101 MPa，即被驅動氣體。若閥門打開速度快(理想情況類似膜片完全消失)，有1個左行的膨脹波進入高壓氣體，1個右行的激波進入低壓氣體，2部分氣體接觸面隨之右移，經過一段時間后，膨脹波和激波分別在左、右封閉端固壁上被反射。

圖5 激波管示意Fig.5 Schematic diagram of shock tube

當驅動氣體壓力為20 MPa、被驅動氣體為0.1 MPa時，膜片“消失”后激波管內的流動情況如圖6～8所示。激波管長1 m，膜片位于中間位置，t1為膜片消失瞬時時刻，t2、t3為激波反射后時刻。由圖8可知，閥門打開瞬間，管道內存在瞬時高速流動，若存在雜質則極易產生摩擦、碰撞，形成點火能量；激波反射后末端氣體溫度遠遠高于200 ℃，為非金屬易燃物燃燒創造條件。為避免上述情況的發生，采取以下2點安全措施：

圖6 激波管流動參數(壓力)Fig.6 Flow parameter (pressure) of shock tube

圖7 激波管流動參數(溫度)Fig.7 Flow parameter (temperature) of shock tube

圖8 激波管流動參數(速度)Fig.8 Flow parameter (velocity) of shock tube

1)措施1：對閥門開啟關閉速度進行調節，使其緩開緩閉。

2)措施2：充氣時，將低溫泵調節至低工況，首先對充氣管道進行充氣，待壓力與罐體壓力一致時，遠程打開充氣閥門，然后將低溫泵調節至額定工況，對氧氣罐進行充氣。

為了對措施2的必要性進行說明，給出調試階段第1組充氣閥門直接打開后，閥后管道壓力變化曲線，如圖9所示。由圖9可知，充氣管路平衡時間約為2 s，管路平衡過程驅動段最低壓力為平衡前的98.4%，對應Ma數約為0.15，流速約為51 m/s。因此，當上下游壓差較大時，即使閥門開啟速度慢，管道內的流速依舊較快。采取措施2可有效避免絕熱壓縮或激波產生的高溫，同時解決流速過快的問題。

圖9 第1組充氣閥打開時閥后壓力變化曲線Fig.9 Curve of pressure change behind valve when opening first group of charging valve

2.2 供氣操作

氧氣供氣時，首先開啟旁通閥，待上下游壓差小于0.3 MPa時，再開啟主閥。調試階段旁通閥開啟后供氣管道的壓力、溫度變化曲線如圖10～11所示。

圖10 旁通閥開啟后供氣管道壓力變化Fig.10 Pressure change of gas supply pipeline after opening bypass valve

圖11 旁通閥開啟后氧氣主管道溫度變化Fig.11 Temperature change of oxygen main pipeline after opening bypass valve

由圖10可知，初始罐壓相同，同時開啟4組旁通閥與開啟2組相比，溫升較快，溫度最大值較高；初始罐壓為21 MPa時，開啟4組旁通閥，氧氣主管道溫度由10 ℃上升至73 ℃左右，夏季試驗時，溫度將會更高。實際供氧過程中，采取以下2點安全措施：

1)措施1：僅開啟第1組旁通閥進行供氣管道平衡，待上下游壓力基本平衡時，再開啟其余3組旁通閥，當4組氧氣罐與主管道壓差小于0.3 MPa時，依次開啟4組高壓氧氣主閥，并依次關閉旁通閥。

2)措施2：為降低操作風險，對閥門遠程控制系統進行設置，當氧氣罐與主管道壓差大于0.3 MPa時，禁止開啟主閥，防止誤操作。

當打開第1組氧氣罐旁通閥時，氧氣罐壓力P1、主管道壓力P5變化曲線如圖12所示。另外，圖12中給出超聲速充填過程的計算曲線Cal。旁通閥門開啟后，由于上下游壓差較大，前80 s充填過程，旁通管道內為超聲速流動，流動速度極高，根據國標要求須采用免除材料。

2.3 排氣操作

200 MW燃氣流風洞高壓氧氣系統排氣操作主要包括氧氣罐氧氣置換及維修時罐體排空、試驗后主管道氣體排空。其中，氧氣罐氧氣置換時采用低壓排氣，罐體排空以及主管道排空采用高壓排氣。

1)低壓排氣

以20，1 MPa壓力進行氧氣置換時，所需能源、時間見表1。由表1可知，采用低壓置換能夠節約能源及時間；采用1 MPa壓力進行置換相對高壓更安全。

表1 高壓、低壓置換方案Table 1 High-pressure and low-pressure replacement schemes

氧氣罐排氣過程壓力變化曲線如圖13所示。以理想氣體的等熵流計算，推導排氣時間如式(1)所示：

(1)

圖13 罐體置換排氣計算試驗對比Fig.13 Comparison on calculation and test of tank replacement gas exhaust

式中：A*為管路最小截面積，m2；P0為氧氣罐內初始壓力，Pa；P0′為t時刻氧氣罐內壓力，Pa；V為對應氧氣罐體積，m3；R為氣體常數，J/(kg·K)；C為常數，取0.039 74。

由圖13可知，對于通徑為Ф19的排氣管路，采用Ф19計算管路最小截面積，由式(1)計算的排氣時間與實際情況相差較大，主要原因為排氣管道較長，計算過程未考慮摩擦，若以通徑Ф10代入計算公式，與試驗吻合較好。因此，可以采用等效喉道直徑Ф10進行相關計算，1組氧氣罐，共計80 m3,初始壓力為1 MPa時，排空所需時間為2 h。此外，當氧氣罐壓力大于1.9倍大氣壓時，排氣管道出口氣流為超聲速氣流，流速極快，容易產生靜電，應確保接地良好。

對于流速的定義參考歐洲工業氣體協會(EIGA)Oxygen Pipeline System規范。2002年IGC Doc 13/12/E Oxygen Pipeline and Piping System[4]中，對不同材質的金屬豁免壓力和最小厚度給出規定，見表2。排氣管道材質為304 L，壁厚3.5 mm，1.4 MPa以下排氣時，滿足免除壓力要求，可不對流速進行限制。

表2 免除壓力和最小厚度Table 2 Exemption pressure and minimum thickness

2)高壓排氣

主管道排氣時，初始壓力一般均高于15 MPa，若直接采用DN20管道進行排氣，很難滿足國標中4.5 m/s的流速要求，為此，在供氣管道排氣閥后增加節流孔板，小口徑高壓管路連接通常采用球頭螺母，采用的孔板結構形式如圖14所示，材質為紫銅，加工后退火處理。

圖14 節流孔板及安裝示意Fig.14 Throttle orifice and installation schematic diagram

增加孔板后，通過節流孔的尺寸設計保證閥前管路流速小于4.5 m/s，閥后管道因孔板節流，氣流膨脹、壓力小、溫度低，較為安全。通過喉道流量計算公式推導孔板設計公式，如式(2)所示：

(2)

式中：A為管道截面，m2；A*為喉道截面積，m2；R為氣體常數，J/(kg·K)；C為常數取0.039 74；T0為容器內氣體溫度，K；u為氣體流速，m/s。對于高壓氧氣管道，流速限值為4.5 m/s，由此可得管道通徑與孔板喉道面積比為42.5，直徑比為6.5。

3 安全操作分析

3.1 安全距離

壓力容器爆炸時，爆破能量向外釋放時主要表現為沖擊波能量、碎片能量和容器殘余變形能量。后兩者消耗的能量占總爆破能量的3%～15%，大部分能量以空氣沖擊波為主。

沖擊波由壓縮波疊加形成。容器破裂時，高壓氣體大量沖出，周圍空氣受沖擊波影響發生擾動，其狀態(壓力、密度、溫度等)發生突躍變化，傳播速度大于擾動介質聲速，這種擾動在空氣中的傳播即沖擊波。在離爆破中心一定距離，空氣壓力隨時間發生迅速而懸殊的變化。開始壓力突然升高，產生1個很大的正壓力，接著迅速衰減，在較短時間內由正壓降至負壓，如此反復循環數次，壓力漸次衰減。開始時產生的最大正壓力即為沖擊波波陣面上的超壓ΔP，多數情況下，沖擊波的傷害、破壞作用是由超壓引起的，超壓ΔP可達數個甚至數十個大氣壓。

通過計算分析[17-18]，1組氧氣罐發生爆炸時能量相當于TNT當量為696.3 kg，其影響范圍見表3。以1組氧氣罐發生物理爆炸人員不受傷為依據，則廠區內正式試驗時安全距離為50 m。

表3 氧氣罐爆炸影響范圍Table 3 Influence ranges of oxygen tank explosion

3.2 安全區劃分

綜合考慮安全距離及氧氣遠程操作，明確安全區域及相應警戒區，如圖15所示。圖15中實線加粗區域為日常警戒區，除氧氣罐區專業操作人員外未經許可禁止入內；圖中虛線區域為試驗時警戒區，試驗時，廠區內嚴格控制人員出入，實行點名簽到制度，所有人員均撤離至測控樓。測控樓距離氧氣罐最小距離為68 m，該區域為安全區域。

圖15 安全區劃分Fig.15 Division of safety areas

4 結論

1)充氣操作時，對于充氣管道內的激波管流動，當驅動氣體壓力為20 MPa、被驅動氣體壓力為0.1 MPa時，激波反射后末端氣體溫度遠遠高于200 ℃，通過減小閥門開啟速度，并對閥前管道進行充氣減小上下游壓差，可避免激波管流動以及絕熱壓縮產生的高溫。

2)供氣管道充填時，管道內最大溫度為73 ℃，通過控制充填速度，可進一步減小管道內氧氣溫度。

3)排氣時，通過高壓排氣、低壓排氣2種模式進行，可滿足國標中氧氣流速要求。

4)1組氧氣罐發生爆炸時TNT當量為696.3 kg，依據影響范圍確定安全距離為50 m。