地下綜合管廊天然氣管道泄漏擴(kuò)散模擬研究

錢喜玲，閆小燕，趙江平

(1.西安建筑科技大學(xué) 材料與礦資學(xué)院，陜西 西安，710055；2.陜西省西安市公安消防支隊，陜西 西安，710055)

0　引言

地下綜合管廊作為21世紀(jì)新型城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要標(biāo)志之一，現(xiàn)已被越來越多的城市采用。地下綜合管廊(Utility tunnel)是指建于城市地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施[1]，地下綜合管廊內(nèi)敷設(shè)有自來水、污水、熱力、電力、電信、天然氣等各種管線。使用綜合管廊帶來便利的同時也帶來了一定的危險性，特別是電纜管線和天然氣管線具有巨大的火災(zāi)隱患。地下綜合管廊一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣會沿著管艙迅速蔓延，產(chǎn)生的煙氣不能及時排出，熱量大量聚集，使得管艙內(nèi)溫度快速升高，危險性極大，同時該類設(shè)施的建設(shè)費用遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的直埋式鋪設(shè)的成本[2]，因此一旦在管艙內(nèi)出現(xiàn)異常情況，勢必造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

為了預(yù)防地下綜合管廊事故，許多學(xué)者已進(jìn)行了相關(guān)研究。林俊等[3]采用FDS分析軟件，對熱源恒定情況下，不同通風(fēng)風(fēng)速和不同防火分區(qū)長度地下綜合管廊火災(zāi)時的煙氣流動特性進(jìn)行研究，最終對城市綜合管廊建設(shè)中的防火分區(qū)設(shè)置和通風(fēng)設(shè)備的安裝提出建議；Kim HS[4]等運用CFD模擬軟件，建立以體積熱源為火源的圓形和矩形綜合管廊尺度，對空氣流速及煙氣流量進(jìn)行對比分析，得知圓形綜合管廊模型煙氣溫度高于矩形；李文婷[5]根據(jù)測量電纜質(zhì)量損失速率和熱釋放速率參數(shù)，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(jìn)行模擬分析，得到電纜管艙內(nèi)部分溫度高達(dá) 1 000℃時，可能引起纜線轟燃和管艙結(jié)構(gòu)變形；方自虎[6]以深圳地下綜合管廊為研究對象，用甲烷代替天然氣，采用向上和水平2種管道泄漏口開口方向，利用Fluent軟件模擬了天然氣管艙內(nèi)甲烷泄漏的擴(kuò)散過程，得到距離泄漏口達(dá)到一定的距離后，甲烷濃度的變化與泄漏口的開口方向無關(guān)；趙永昌等[7]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)通過油池火試驗研究發(fā)現(xiàn)，不同火源功率下，煙氣溫度均呈現(xiàn)冪函數(shù)衰減，火源功率較大時，溫度衰減梯度也較大，電力艙內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延過程中存在煙氣分層現(xiàn)象；李朝陽等[8]利用Fluent軟件對埋地含硫天然氣管道穿孔泄漏后的甲烷、硫化氫氣體的擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬。

通過閱讀大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者對地下綜合管廊的研究主要集中于電纜火災(zāi)，對天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律研究甚少。因此，本文采用Fluent模擬軟件對某地下綜合管廊天然氣泄漏后在管艙內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，根據(jù)天然氣爆炸下限濃度，將質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)化為探頭報警響應(yīng)時間，為預(yù)防天然氣泄漏后發(fā)生火災(zāi)提供一定的參考依據(jù)。

1　物理模型

以西安市某地下綜合管廊天然氣管艙為研究對象，其簡化的物理模型如圖1所示。為體現(xiàn)約束條件對泄漏擴(kuò)散規(guī)律的影響，模型中保留X方向和Y方向的約束。在機(jī)械通風(fēng)條件下，圓形泄漏孔徑設(shè)置在模型下方中間位置，直徑為20 mm。由于城鎮(zhèn)天然氣中甲烷的組分一般大于95%，所以模擬時以甲烷為介質(zhì)，天然氣管道內(nèi)氣體平均溫度T1=300 K[9]，模擬時忽略泄漏氣體與空氣溫度的差異，管艙內(nèi)溫度Ta=300 K壓力，Pa=101 325 Pa。根據(jù)《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》(GB/50493-2009)中的規(guī)定，可燃?xì)怏w處于封閉或局部通風(fēng)不良的半敞開廠房內(nèi)，每隔15 m可設(shè)置一臺探測器，且探測器距其所覆蓋范圍內(nèi)的任意釋放源不宜大于7.5 m[10]，故選擇天然氣管艙頂部每15 m設(shè)置一個天然氣報警探測器，以監(jiān)測探測器報警響應(yīng)時間。

圖1　天然氣管艙模型Fig.1　Natural gas pipe model

1.1　模型簡化

為了簡化計算過程，根據(jù)管艙內(nèi)的實際布置情況，在滿足工程精度的條件下可忽略一些次要因素，具體假設(shè)如下：

1)將計算域進(jìn)行簡化，忽略天然氣管道本身對泄漏氣體擴(kuò)散的影響；

2)天然氣泄漏口處的泄漏壓力恒定[11]；

3)在數(shù)值計算中忽略空氣粘性的影響[12]；

4)假定泄漏氣體為理想氣體，氣體之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

5)泄漏過程中，溫度恒定且與外界無熱量交換[13]。

1.2　邊界條件

入口條件：空氣入口邊界選用速度入口，地下綜合管廊天然氣管艙內(nèi)平時通風(fēng)量為每小時6次，事故通風(fēng)排風(fēng)量為每小時12次[14]，換算得到進(jìn)口風(fēng)速Vair=3.5 m/s，天然氣泄漏口選用壓力入口，泄漏壓力為P1=103.3 kPa和P2=200.0 kPa。

出口條件：天然氣出口選用壓力出口，出口壓力為101 325 Pa。

壁面條件：固體壁面為無滑移條件。

Fluent模擬采用非耦合隱式求解器，由于Realizablek-ε湍流模型已被有效地用于各種不同類型的流動模擬[15]，其中包含有射流和混合流等，所以計算選用Realizablek-ε湍流模型，天然氣在大氣中的擴(kuò)散過程實際上是天然氣在空氣中的運動，涉及到化學(xué)組分的傳輸[16]，故選擇組分傳輸模型(Species transport)，并定義組分為甲烷-空氣。

2　模擬結(jié)果與分析

2.1　氣體泄漏初期擴(kuò)散過程

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50086-2015)中的規(guī)定，地下綜合管廊中天然氣報警濃度設(shè)定值(上限值)不應(yīng)大于其爆炸下限值(體積分?jǐn)?shù))的20%[14]。天然氣的爆炸極限為5%～15%(體積分?jǐn)?shù))，換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)爆炸極限為2.7%～8.6%，選擇爆炸下限濃度的20%作為天然氣報警的臨界值，換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)天然氣報警上限約為0.6%。以下針對天然氣泄漏后最先的濃度探測器報警時，不同泄漏壓力下天然氣在管艙中的運移規(guī)律，泄漏壓力分別為103.3 kPa和200.0 kPa時，天然氣泄漏后濃度分布情況如圖2所示。

圖2　壓力不同時管道泄漏天然氣擴(kuò)散規(guī)律Fig.2　Affected area under different operating pressure of the pipeline

由圖2分析可以得出，泄漏初期，天然氣管道內(nèi)的壓力大于管艙內(nèi)的壓力，氣體向管艙內(nèi)的泄漏呈射流態(tài)，氣體進(jìn)入管艙后氣流快速沖擊管艙頂棚，受到壁面的約束，氣流將在沖擊頂棚后沿水平方向向泄漏口左右兩側(cè)運動。從天然氣濃度分布等值線圖中看出，管艙內(nèi)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.6%至8.6%之間的區(qū)域均已在爆炸極限內(nèi)，在此區(qū)域內(nèi)若氧氣含量充足，遇火源點燃將會發(fā)生爆炸事故；泄漏口處氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于32.6%，若火源在泄漏口處，氣體高速噴射擴(kuò)散遇到火源點燃將發(fā)生燃燒事故，這是因為天然氣噴射速度較快，流動性較大，不足以發(fā)生爆炸。由于在管艙最左端的頂部設(shè)有機(jī)械進(jìn)風(fēng)口，天然氣偏向管艙右端的排風(fēng)口側(cè)進(jìn)行擴(kuò)散，泄漏壓力為103.3 kPa時，最先的濃度探測器報警時間是2.15 s，泄漏壓力為200.0 kPa時，最先的濃度探測器報警時間是0.45 s，泄漏壓力對探測器的響應(yīng)時間有顯著影響，響應(yīng)時間隨泄漏壓力的增大而減小。

泄漏壓力分別為103.3 kPa和200.0 kPa時，天然氣泄漏后從泄漏口處向管艙右端排風(fēng)口側(cè)的擴(kuò)散距離與時間的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3　不同泄漏壓力下擴(kuò)散距離與時間變化關(guān)系Fig.3　Spread distance vs．spread time under different operating pressure

圖3中的結(jié)果表明：泄漏時間相同時，泄漏壓力對氣體擴(kuò)散距離有顯著影響，且氣體擴(kuò)散距離隨泄漏壓力的增大而增大；對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可知，泄漏壓力分別為103.3 kPa和200 kPa時，泄漏氣體擴(kuò)散距離與時間的函數(shù)關(guān)系分別為：y=2.12 158+2.03 699x(x≥1)和y=9.75 579+2.87 278x(x≥1)，故泄漏壓力相同時，氣體擴(kuò)散距離與時間呈一次函數(shù)，即y=a+bx(x≥1)當(dāng)其曲線斜率表示氣體在管艙中的擴(kuò)散速度，隨著泄漏壓力的增大氣體擴(kuò)散速度增大。

2.2　探測器報警響應(yīng)時間

天然氣泄漏后，天然氣濃度探測器的報警響應(yīng)時間是安全控制的重要數(shù)據(jù)，因此，從地下綜合管廊安全控制來說，對天然氣泄漏后探測器報警響應(yīng)時間的研究至關(guān)重要。管艙中每相隔15 m設(shè)置一個濃度探測器，且選擇爆炸下限濃度的20%作為探測器響應(yīng)臨界點，泄漏壓力分別為103.3 kPa和200.0 kPa時，天然氣泄漏后管艙中的探測器報警響應(yīng)時間如圖4所示。

圖4　不同泄漏壓力與探測器響應(yīng)時間關(guān)系Fig.4　The different operating pressure vs. the detector response time

圖4中的結(jié)果表明：泄漏壓力為103.3 kPa時，最先的濃度探測器在天然氣泄漏2.15 s時響應(yīng)，且60 m處的探測器沒有響應(yīng)，泄漏壓力為200.0 kPa時，最先的濃度探測器響應(yīng)時間是0.45 s，且泄漏口上游距離泄漏口60 m處的探測器在天然氣泄漏12.1 s時響應(yīng)，而下游距離泄漏口90 m處的探測器在2.75 s時已經(jīng)響應(yīng)，可見受機(jī)械進(jìn)風(fēng)的影響，泄漏口下游的探測器比上游的探測器先響應(yīng)，且泄漏口下游的濃度探測器在一定的時間范圍內(nèi)均會響應(yīng)。

圖5　報警濃度與探測器響應(yīng)時間關(guān)系Fig.5　The alarm concentration vs. the response time of detector

選擇爆炸下限濃度的10%和20%作為探測器探頭響應(yīng)臨界點，泄漏壓力分別為103.3 kPa和200.0 kPa時，天然氣泄漏后報警濃度與探測器響應(yīng)時間的關(guān)系如圖5所示。圖5中結(jié)果表明：受機(jī)械進(jìn)風(fēng)影響，擴(kuò)散氣體沿泄漏口下游方向遷移，泄漏口上游方向45 m處以前所設(shè)置的濃度探測均未響應(yīng)；當(dāng)泄漏壓力相同時，報警濃度設(shè)置對探測器響應(yīng)時間的影響極小，同一位置探測器的報警響應(yīng)時間不超過1 s，故管艙中每15 m設(shè)置一個探測器和選擇爆炸下限的20%作為探測器響應(yīng)的臨界濃度值是合理的。

3　結(jié)論

1)以探測器保護(hù)半徑為7.5 m核算，當(dāng)泄漏壓力為103.3 kPa時，濃度探測器報警時間是2.15 s，當(dāng)泄漏壓力為200.0 kPa時，濃度探測器報警時間是0.45 s，報警響應(yīng)時間隨著泄漏壓力的增大而減小，在常規(guī)中壓輸出壓力下，響應(yīng)時間最大值為2.15 s。

2)對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可知，泄漏壓力相同時，氣體擴(kuò)散距離與時間呈正相關(guān)關(guān)系，其曲線斜率表示氣體在管艙中的擴(kuò)散速度。

3)當(dāng)泄漏壓力相同時，報警濃度設(shè)置對探測器響應(yīng)時間的影響極小，同一位置探測器的報警響應(yīng)時間不超過1 s，故管艙中選擇爆炸下限的20%作為探測器響應(yīng)的臨界濃度值是合理的。

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