危險(xiǎn)場(chǎng)所泄漏天然氣爆燃的尖點(diǎn)效應(yīng)研究

晏建波，王海蓉 (中山大學(xué)工學(xué)院，廣東 廣州 510006；廣東省消防技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275)

危險(xiǎn)場(chǎng)所泄漏天然氣爆燃的尖點(diǎn)效應(yīng)研究

晏建波，王海蓉 (中山大學(xué)工學(xué)院，廣東 廣州 510006；廣東省消防技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275)

從區(qū)域之間的能量平衡出發(fā)，建立了描述泄漏天然氣燃燒發(fā)展過程的尖點(diǎn)突變模型，結(jié)合通風(fēng)條件以及火源參數(shù)，探討了爆燃發(fā)生的必要條件。研究表明，在同一濃度下，如果通風(fēng)面積增大到一定程度，天然氣泄漏引發(fā)的燃燒較難轉(zhuǎn)變?yōu)楸?；在正常的燃燒范圍?nèi)，前導(dǎo)燃燒越大，天然氣濃度越高，越容易發(fā)生爆燃。

天然氣；爆燃；尖點(diǎn)效應(yīng)

泄漏后的天然氣與空氣的混合物遇明火會(huì)產(chǎn)生燃燒或爆炸現(xiàn)象，因其燃燒速度較慢，在開敞的環(huán)境下，一般不會(huì)由燃燒波轉(zhuǎn)化為沖擊波而對(duì)外做功、造成爆炸[1]。隨著可燃物質(zhì)貯存量增加和操作條件的日益嚴(yán)格，天然氣在BOG(低溫液體，Boil of Gas)壓縮機(jī)房等受限空間內(nèi)燃燒并轉(zhuǎn)化為爆燃的可能性愈來愈大。為此，筆者從空間的區(qū)域能量平衡出發(fā)，建立了天然氣爆燃的尖點(diǎn)突變模型，并探討了爆燃發(fā)生的內(nèi)部機(jī)制及其影響因素。

1 控制方程及其求解

1.1物理模型

注： LR、WR、HR分別表示模型的長(zhǎng)度、寬度和高度，m；Wv、Hv分別表示通風(fēng)口的寬度和高度，m。

采用區(qū)域模型[2]研究危險(xiǎn)場(chǎng)所天然氣爆燃的發(fā)生機(jī)制。爆燃區(qū)域模型圖如圖1所示。

1.2控制方程

以可燃物富集區(qū)為研究對(duì)象，建立如下能量平衡式[3-4]：

(1)

能量獲得率G的定義式如下：

(2)

熱通量qff的定義式如下[2]：

(3)

系統(tǒng)的能量損失包括燃?xì)獾撵蕮p以及對(duì)壁面的輻射和換熱損失3部分：

(4)

整理上述各式得[5]：

(5)

φ3+μφ+ν=0

(6)

1.3控制方程的求解

對(duì)應(yīng)溫度狀態(tài)的突跳，系統(tǒng)釋放的熱通量為：

(7)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1爆燃時(shí)的溫度和釋熱量

表1 不同濃度下天然氣爆燃時(shí)的溫度及熱通量數(shù)據(jù)表

假定危險(xiǎn)場(chǎng)所的長(zhǎng)、寬、高為分別為1m， 通風(fēng)口高度Hv=1m。天然氣密度ρ=0.58kg/m3，定壓比熱cp=2205J/(kg·K)，汽化熱hv=427098J/kg，反應(yīng)熱Hc=38121KJ/Kg，表面輻射率ε=0.4，輻射反饋系數(shù)αU=0.1, 指前因子k0=1.03， 熱交換系數(shù)ht=1W/(m2·K)， 火焰?zhèn)鞑グ霃絉=0.15m。根據(jù)式(6)，確定預(yù)混氣發(fā)生爆燃時(shí)的溫度和所釋放的熱通量，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

研究認(rèn)為爆燃認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)如下[8]：當(dāng)溫度超過873K、熱通量超過20kW/m2時(shí)，爆燃容易發(fā)生。由表1可知，天然氣的濃度為15%且通風(fēng)口面積為0.4m2時(shí)，燃燒溫度為865.15K，熱通量為23.484kW/m2，基本符合爆燃認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)；天然氣的濃度為18%且通風(fēng)口面積在0.4、0.5、0.6m2時(shí)，燃燒溫度均達(dá)到了900K以上，且熱通量都在23kW/m2以上，爆燃更易發(fā)生。因此，當(dāng)天然氣的濃度等于或超過15%時(shí)，容易發(fā)生爆燃。

2.2爆燃發(fā)展勢(shì)態(tài)分析

以濃度為15%的天然氣為例，當(dāng)通風(fēng)口面積為0.4m2、前導(dǎo)燃燒的火焰半徑為0.08m時(shí)，控制參數(shù)μ=0.89。可燃?xì)馀c進(jìn)入的空氣點(diǎn)燃后趨于自由燃燒，系統(tǒng)處于平衡態(tài)：天然氣將從初始溫度(約300K)開始點(diǎn)火燃燒, 然后平穩(wěn)上升，并很快趨于自由燃燒(見圖2(a))。

在同樣的通風(fēng)條件下， 如果火焰半徑R增長(zhǎng)為0.15m，前導(dǎo)燃燒的放熱量將會(huì)大大提高，并導(dǎo)致能量在中壓區(qū)聚集。這時(shí)，控制參數(shù)μ=-1.28，ν=0.415。因此，燃?xì)鉁囟葟?44K突跳至865K, 并且火災(zāi)勢(shì)態(tài)隨溫度的增加而擴(kuò)大，導(dǎo)致爆燃發(fā)生(見圖2(b))。

當(dāng)火焰半徑為0.15m，而通風(fēng)口面積為0.5m2時(shí)，μ=-0.96。天然氣將從T=468K的定態(tài)點(diǎn)突然開始燃燒，并迅速升溫發(fā)展至完全燃燒階段。這時(shí)，系統(tǒng)處于平衡態(tài)與爆燃態(tài)之間的過渡態(tài)，其溫度變化過程如圖2(c)所示。

圖2不同控制參數(shù)下的燃燒發(fā)展態(tài)勢(shì)示意圖

3 結(jié)論

(1)在同一濃度下，如果通風(fēng)面積增大到一定程度，天然氣泄漏引發(fā)的燃燒較難轉(zhuǎn)變?yōu)楸肌?/p>

(2)在正常的燃燒范圍內(nèi)，前導(dǎo)燃燒越大，天然氣濃度越高，爆燃越容易發(fā)生。

[1]羅艾民，多英全，王漢平，等.受限空間泄漏天然氣爆燃過程數(shù)值模擬及應(yīng)用[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2007，3(5)：43-46.

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[6]雷文章，吳光武，艾志久，等.井噴失控可燃性蒸汽云形成數(shù)值模擬研究[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2008，4(6)：66-69.

[編輯] 李啟棟

O347.5+1

A

1673-1409(2013)22-0022-03

2013-05-01

廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010B060900051)。

晏建波(1990-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事LNG儲(chǔ)運(yùn)與安全領(lǐng)域方面的研究工作。

王海蓉(1974-)，女，博士，講師，現(xiàn)主要從事燃燒與安全領(lǐng)域方面的教學(xué)與研究工作；E-mail:wanghairong11@126.com。