高壓天然氣管道泄漏孔位置對噴射火的影響

馬子超呂淑然王春雪詹求傑李澤華

首都經濟貿易大學安全與環境工程學院北京100070

  利用FDS對比研究泄漏孔在頂部側麵和底部對噴射火的影響研究高壓天然氣管道泄漏孔位置對周圍人員與設備的危害分析噴射火焰的幾何特征熱輻射危害半徑結果表明泄漏孔在9點鍾方向時噴射火沿水平方向噴射130高溫區與熱輻射區覆蓋整個燃氣輸配站泄漏孔在6點鍾方向時地麵阻礙了噴射火在豎直方向上的蔓延危害範圍減小泄漏孔在12點鍾方向時高溫區域與熱輻射區域在豎直方向上對人員與設備的危害最低

關鍵詞噴射火天然氣管道泄漏位置數值模擬危害半徑

中圖分類號X913.4 X932 TE832 文獻標誌碼 

文章編號1009-0029201701-0013-03

北京市燃氣主要由城市管網陝京一線二線三線和港清線港清複線等供氣經過高壓A高壓B站和次高壓A次高B調壓後再進入中壓城市管網高壓輸配站中的高壓輸配管網一旦失效泄漏氣體遇火極易發生火災根據AP1581燃氣泄漏發生安全排放噴射火火球火災蒸氣雲爆炸的概率分別是0.800.100.060.04所以燃氣管道發生噴射火的事故居多燃氣管道泄漏從泄漏口噴出如遇火源會迅速噴發出噴射火工作人員常采取關閉閥門的應急救援措施但存留在管道中的燃氣仍然會使噴射火持續燃燒無法立即熄滅其熱輻射強度可造成周圍儲氣設施的損壞倒塌等後果

為了避免噴射火事故的發生國內外學者主要對其影響因素及危害特性進行了研究Chamberlain根據Kalghatgi噴射火實驗數據結合Shell Research數學模型得出噴射火幾何特性模型的計算式火災的危害性大實驗成本高做燃氣噴射火實驗需要大量經費故采用數值模擬軟件成為研究機構和高校的主要研究方式CFDFDSFLUENT

現有研究結論大部分集中在儲罐或燃氣管道的同一方向上對天然氣管道不同泄漏位置的研究較少筆者利用FDS模擬研究高壓天然氣管道6點鍾9點鍾12點鍾三個方向泄漏孔對噴射火特性的影響分析這三種情況下的危害範圍

 模型構建

采用FDS進行模擬研究模擬場景為高壓燃氣輸配站中的露天高壓輸配管道考慮不同泄漏位置對燃氣噴射火的影響將泄漏孔設置在管道6點鍾9點鍾12點鍾三個方向上模擬網格區域劃分為Xmin0Xmax180Ymin15Ymax35Zmin0Zmax80根據AP1581設置泄漏口麵積為0.5離地高度1環境溫度為20外界壓力為0.1MPaX4處設置熱通量探測器X2處設置溫度探測器X軸方向每隔5設置一個探測器由於模擬場景對稱故檢測其一側數據每個探測器采集數據1000取平均值

 結果分析 

2.1 火焰幾何特性分析

最初泄漏孔位置在高壓天然氣管道12點鍾方向時噴射火燃燒周圍空氣形成壓力差壓力推動火焰迅速擴散湍流作用明顯甲烷與氧氣充分混合燃燒迅速形成緊密的蘑菇雲火焰輪廓迅速上升達到最大值Y軸溫度分布如圖所示晴朗天氣時噴射火在1.2時為燃燒最強烈階段火焰達到80火焰受壓力影響抬升高度超過502.7時噴射火形成底部為近60層流火焰頂部為湍流火焰趨於穩定

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泄漏孔位置在高壓天然氣管道9點鍾方向時噴射火沿地麵迅速擴散2.7時在泄漏孔前方78處形成蘑菇雲3.8時渦流出現在火焰頂部使噴射火頂部出現破碎結構出現不穩定燃燒狀態形成多個渦流組成的浮力驅動湍流火焰火焰長度縮短噴射孔繼續噴射燃氣與空氣卷吸燃燒火焰長度增補回來形成周期變化                                                                    

泄漏孔位置在高壓天然氣管6點鍾方向時監測數據顯示地麵阻礙了天然氣的射流火焰向四周蔓延增大了X軸方向的火焰長度其原因為泄漏氣體量為定值泄漏氣體沿地板橫向擴散並燃燒12處火焰長度不再變化因燃氣射流速度減小無法進入燃燒區由泄漏開始噴射火撞擊地麵時火焰最大之後變小趨於穩其原因為噴射火在到地麵前在管道與地板之間形成渦旋結構其迫使火焰強烈褶皺和伸展加快了天然氣與空氣的燃燒0.9時火勢達到最大因未燃燒氣體無法橫向擴散進入燃燒區火勢減緩1.4形成穩定的燃燒狀態豎直方向上的火焰擴散速率為0

2.3 熱輻射分析

熱通量與距離的關係如圖2所示熱輻射來源於分子輻射和黑體輻射分子輻射主要來源於COHO黑體輻射是火焰內的碳黑造成的泄漏孔在頂部和底部時熱通量值與泄漏孔距離呈指數關係泄漏孔處主要受噴射火產生的黑體輻射作用熱通量大遠離噴射火熱通量開始迅速降低40後主要受分子輻射作用故熱通量緩慢下降並趨於平緩泄漏孔在側麵時因噴射火從水平方向蔓延溫度探測器在火焰表麵上方20所以檢測到的熱通量明顯高於其他兩種工況隨著距離的增加泄漏燃氣濃度減小平均熱通量平緩下降

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