天然氣管道射流火焰危害影響維度分析

楊健 許寧 周星 黃澔 諸葛偉 郝永梅

1.常州港華燃氣有限公司 2.常州大學環境與安全工程學院

隨著城市發展規模的不斷擴大，天然氣的用量需求越來越大，管道運輸作為最經濟、安全的天然氣運輸方式，天然氣管道成為城市發展不可或缺的基礎設施之一[1-2]。目前，我國服役年齡在25年以上的輸送管道已超過60%，大量的管道已進入故障多發期。管道故障后泄漏的天然氣遇到火源極易引發火災爆炸事故，會造成人員傷亡和財產損失，從而導致一系列的經濟和社會問題[3-4]。

天然氣管道泄漏一般引發火球、射流火焰、蒸汽云爆炸等事故類型，其中，射流火焰是最易發生的事故類型。射流火焰一般由高壓儲存天然氣泄漏遇點火源形成，其后果往往呈現破壞范圍廣、威力大等特點[5-6]。國內外很多學者已對射流火焰及其事故危害進行了研究,雷婷等[7]對分離器典型泄漏孔徑下的射流火焰進行了特性研究；王莉莉等[8]建立數學模型，解出射流火焰危害半徑，并分析泄漏孔徑和危害半徑的關系；黃平等[9]結合具體案例，通過Fluent軟件模擬，計算出不同條件下的射流火焰長度及熱輻射分布情況，最后進行事故風險評估；周魁斌等[10]根據不同模型,將其耦合成一種更加科學的射流火焰計算模型，可以應用于不同泄漏狀況；T. Bajcar等[11]建立了天然氣計量站風險評估系統，補充了射流火焰風險評估模型；S. J. Tong等[12]建立射流火焰模型，借助MATLAB計算機輔助程序計算，結合相關的數據形象描繪傷害圖；Y. Zhao等[13]利用有限體積法求解流動方程，預測了射流在空氣中的演化，采用k-ζ湍流模型進行計算。

總體來看，國內外研究人員對射流火焰的研究，大部分是關于管道泄漏引起的射流火焰事故，一般默認選取豎直狀態，而現場實際情況的泄漏孔可以朝向不同的角度，對這方面的研究也相對缺乏，導致對不同方向射流火焰危害范圍的評估所做的探索非常有限。

鑒于此，為了探究天然氣管道泄漏角度對射流火焰的影響，進一步提高射流火焰的危害范圍評估的精確性，本研究利用FDS分別模擬天然氣以與水平方向夾角為0°、30°和90°泄漏并引發射流火焰的情況，將模擬結果與傳統理論模型及改進后的評估模型分別進行對比，分析這3種情況下的射流火焰特性和危害范圍，并為應對不同情況的應急工作提供參考。

1 理論模型

1.1 泄漏速率計算模型

泄漏速率是計算天然氣射流火焰傷害范圍的重要參數，射流火焰的火焰幾何尺寸和輻射強度均與泄漏速率相關[14]。根據內外壓力的比值，確定氣體泄漏是聲速流動還是亞聲速流動，兩種流動方式對應兩種泄漏速率模型，代入環境條件參數，可求得泄漏速率，并作為FDS模擬的初始變量。

(1)

(2)

式中：p0為管道外環境壓力，Pa；p為管道內壓力，Pa；k為氣體絕熱指數，天然氣一般取1.306；Q為泄漏速率，kg/s；Cd為氣體泄漏系數，圓形泄漏孔取1.00；M為氣體摩爾質量，kg/mol；T為氣體初始溫度，K；A為裂口面積，m2；R為氣體常數，J/(mol·K)，取8.314。

1.2 不同角度射流火焰的幾何特性分析

射流火焰的熱通量與火焰幾何特性有關，之前研究火焰幾何特性主要考慮火焰長度，然而管道不同泄漏角度(孔軸線與管道水平面的夾角)也是重要影響因素，因此射流火焰的危害分析應將管道泄漏角度考慮進去。火焰長度一般是指有風狀態下的長度，與無風狀態下的火焰長度相關。火焰長度是從泄漏燃料出口邊緣到最遠的下游位置之間的軸向距離，其中的火焰尖端對人眼可見[15]。

有風狀態下射流火焰長度計算公式如下：

Rb0=Y×Ds

(3)

(4)

Ds=[4×Q/(π×ρ0×uj)]1/2

(5)

Lb=Lb0×(0.51×e-0.4uw+0.49)×

[1-0.006 07×(θ-90°)]

(6)

式中：Lb為有風狀態下射流火焰長度，m；Lb0為無風狀態下射流火焰長度，m；Ds為燃燒等效直徑，m；Q為氣體泄漏速率，kg/s；ρ0為空氣密度，kg/m2；ρ氣為氣體密度，kg/m2；A為裂口面積，m2；uw為風速，m/s；uj為射流速度，m/s；θ為孔軸線與管道水平面的夾角，0°～90°；Y為比例系數(射流火焰長度與其直徑呈一定的比例關系)。

式(3)中Y通過式(7)求得：

(7)

式中：Cb為常數0.2；Ca、Cc為中間變量，由如下公式求得：

(8)

(9)

(10)

式中：g為重力加速度，m/s2；M為氣體摩爾質量，kg/mol；F為燃燒氣體質量所占的比例，%。

1.3 不同射流角度的危害計算模型

射流火焰對周圍建筑物及人員的危害主要是熱輻射，可使周圍的設施燃燒破壞，發生一系列的連鎖反應，致使火災蔓延擴大，造成更多的財產損失和人員傷亡。由此看出，射流火焰熱輻射危害范圍遠大于火焰本體造成的危害范圍。因此，在對射流火焰幾何特性進行分析后，需進一步計算熱通量，并計算出傷害半徑[15]。

(1) 熱通量計算公式如式(11)所示：

(11)

式中：I(r′)為目標接收到的熱通量，kW/m2；η為效率因子，一般取0.2；Q為泄漏速率，kg/s；r′為目標與火焰中心之間的距離，m；Tjet為輻射率系數，射流火焰一般取1；He為可燃氣體燃燒發熱量，kJ/kg，天然氣的一般取5.56×104kJ/kg；R1為火焰錐體長度，m。

為了簡化計算，通常可將式(11)簡化如下：

(12)

(2) 危害半徑計算公式如式(13)所示：

(13)

由式(12)、式(13)可知，以前關于射流火焰研究基本沒有考慮射流的角度，本研究的意義是在原來射流火焰計算模型的基礎上，增加泄漏角度的參變量，讓原來的計算模型更符合現場實際情況。改進后模型如下。

危害半徑與射流火焰長度及射流角度相關。

當r≤Lb×tanθ時：

(14)

式中：ra為改進后的危害半徑，m；θ為泄漏孔軸線與水平方向的夾角，(°)。

將式(13)代入式(14)中，得到：

(15)

當r>Lb×tanθ時：

(16)

將式(13)代入式(16)中，得到：

ra=Lb×cosθ+

(17)

2 射流火焰數值模擬

2.1 模型構建及邊界條件

采用FDS軟件進行模擬研究，研究的泄漏管道見圖1。管道規格為DN150 mm，鋼制(表面鍍鋅)。模擬真實開敞環境，延Y軸管道建模，管道三維模型如圖2所示。將3種情況中位于管道中心截面的3點鐘、2點鐘和12點鐘位置處的泄漏孔分別命名為孔1、孔2和孔3，其泄漏方向分別與X軸正方向成0°、30°和90°的夾角。

模擬設置管內氣體溫度30 ℃、環境溫度20 ℃、環境風速1 m/s、管內壓力4.0 MPa、管道外壓力為標準大氣壓，模擬實驗通風狀態。根據現場實際情況，除去地面，其他5個面設置為通風面。本次射流火焰模擬小孔泄漏，泄漏孔徑為20 mm。根據第1節模型公式，通過管道內外比值確定此次泄漏為聲速泄漏，確定泄漏速率為0.215 kg/s。

2.2 不同角度射流火焰幾何特性分析

在FDS模擬環境下，火焰噴射過程中形成燃燒云，射流火焰在2.92 s時，在壓力作用下高度超過50 m，在4.06 s時射流火焰趨于穩定。當泄漏方向與水平方向成30°夾角時，天然氣在泄漏時受周圍壓力差抬升作用的影響向Z軸正方向傾斜。射流火焰在3.31 s時形成完整的蘑菇云，在4.98 s時射流火焰趨于穩定，且火焰高度突破50 m。當水平泄漏時，射流火焰噴射出去，4.08 s時在噴射朝向處形成燃燒云團，5.73 s時火焰噴射頂端有渦流出現，火焰頂部有明顯波動，出現多個渦流組成的浮力驅動滿流火焰，火焰長度縮短。由于噴射孔不斷噴射燃氣與空氣混合燃燒，火焰長度成周期變化。

由X-Z平面溫度切片得到各射流火焰穩定后的溫度分布如圖3所示。

2.3 溫度場分析

由圖3切片溫度可知，3處泄漏口模擬火焰最高溫度均在1 000 ℃左右，位于射流火焰頂部及火焰面。泄漏孔附近基本上沒有天然氣燃燒現象，天然氣向外急速噴射，空口處天然氣濃度不適合燃燒，空口處溫度不是很高，但是存在速度流場，氣體在噴射出去過程中，隨著能量的消耗，氣流速度逐漸減小，并且流場由較小的區域向四周擴散[17]。由第2.3節可知3種情況射流火焰在燃燒6 s后均趨于穩定，以15 s時收集到的數據為例，數值模擬中由各熱電偶收集到的射流火焰穩定燃燒后的溫度數據見表1。

表1 不同角度射流火焰燃燒15 s時各距離處的溫度距離/m溫度/℃ 90°泄漏 30°泄漏 0°泄漏2172.40218.60463.501296.10306.20725.902259.10183.30618.903236.5398.20309.904226.1056.80135.805222.8038.6076.706221.4032.3043.407220.6025.7034.608220.2023.1026.209220.1021.7023.00

2.4 熱輻射分析

在數值模擬中可通過設置熱輻射監測裝置進行收集，由第2.3節可知各角度射流火焰在燃燒6 s后均趨于穩定，以15 s時收集到的數據為例，數值模擬中由圖3中各熱輻射監測裝置收集到的射流火焰穩定燃燒后的熱通量數據見表2。

表2 不同角度射流火焰燃燒15 s時各距離處的熱通量距離/m熱通量/(kW·m-2) 90°泄漏 30°泄漏 0°泄漏243.1828.1658.301226.6469.72102.302212.5845.3089.60325.2825.2560.30422.077.8032.80521.123.8618.50620.751.685.60720.570.882.81820.480.071.21920.440.010.23

3 危害分析

人員或者設備接受熱量都會有一個臨界值，為了方便比較評估，一般對照熱通量準則，目標接收到熱通量超出對應標準則會受到相應程度傷害[18]。根據模擬時監測裝置收集到的熱通量數據，對比天然氣工藝裝置設施的火災熱輻射破壞標準值[19]，確定傷害半徑和設備損壞半徑，結果如表3所列。

表3 熱輻射危害半徑分類傷害程度熱通量/(kW·m-2)危害半徑/m 90°泄漏 30°泄漏 0°泄漏對人的傷害安全半徑1.6456276重傷半徑6.4264358死亡半徑25.0123245對設備的損壞操作設備全部破環37.572843無火焰時,在長時間輻射作用下木材燃燒的最小能量25.0123245有火焰時,木材燃燒、塑料熔化的最小能量12.522464930 min玻璃破裂4.0365266PVC絕熱電纜破壞2.0426073

同樣，選取以人為對象時的危害范圍評估數據，將上述模擬結果與改進后的危害范圍預測理論的計算結果進行對比，對比情況如圖4所示。

由圖4可以看出，由改進后的危害范圍預測模型計算的危害范圍與模擬數據吻合度較好，但二者仍然存在誤差。其主要原因為數值模擬收集的熱通量為距地面1.8 m高處而并非與管道同一水平面上的熱通量，因此模擬所得的危害范圍稍小于改進后的理論計算值。

同時，由表1可知，天然氣以90°方向泄漏時，火焰在豎直方向上噴射，減小了輻射范圍，因此與另外兩種方向的射流火焰相比，同等嚴重程度的危害半徑更小。由于熱輻射收集裝置分布于距地面1.8 m高的水平線上，距離90°方向的射流火焰更遠。因此，該管道90°泄漏時的危害半徑最小。

在3種情況中，天然氣以0°方向泄漏引起射流火焰的危害最大，死亡區域是以51.3 m為半徑的圓，重傷區域是內圓半徑51.3 m、外圓半徑61.8 m的圓環區域。以此類推，輕傷區域與安全區域的邊界線為半徑82.7 m的圓。天然氣以30°方向泄漏引起的射流火焰，從死亡到安全，邊界線分別為以半徑35.5 m、47.4 m、69.5 m的圓環。可見，這兩種方向的射流火焰危害半徑較為接近，這是因為30°的角度較小，天然氣以30°方向泄漏時，重力作用使得泄漏氣體的運動軌跡接近0°泄漏的氣體運動軌跡。

4 結論

本研究采用氣體泄漏模型，通過理論計算和FDS軟件模擬，構建三維管道模型，分別模擬泄漏射流不同方向和維度的火焰狀況，得出以下結論。

(1) 不同角度的射流火焰在幾何特性、溫度、熱輻射等方面差異較大，在進行管道泄漏射流火焰危害分析時需考慮射流火焰角度因素，傳統射流火焰理論模型不能直接應用于水平及其他角度的射流火焰。

(2) 針對管道泄漏角度問題，對原有的危害范圍預測模型進行改進，提出了適用于不同角度的射流火焰危害半徑預測模型，經數值模擬驗證了其合理性。

(3) 天然氣管道泄漏角度0°～90°，也就是水平到豎直，射流火焰傷害范圍不斷減小，最小值就是傳統射流火焰危害模型的計算值。改進后的射流模型增加泄漏角度，可以更精確地計算出射流火焰傷害范圍，為現場安全防護提供理論依據。

(4) 根據各角度射流火焰的危害嚴重程度，管道的保護工作應重點放在對側面的保護上，極力避免管道發生側面泄漏的情況，降低射流火焰事故的嚴重程度。