局部變形對(duì)綜合管廊燃?xì)馀撏L(fēng)影響研究

何仁香 楊攀 吳旭

中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司

0 引言

綜合管廊是實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃，設(shè)計(jì)，施工和維護(hù)，建于城市地下用于敷設(shè)市政公用管線的市政公用設(shè)施。它在城市地下建造一個(gè)隧道空間，將電力、通信，燃?xì)狻⒐?、給排水等各種工程管線集于一體，設(shè)有專門的檢修口，吊裝口和監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一設(shè)計(jì)，統(tǒng)一建設(shè)和管理，是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”。

我國綜合管廊起步較晚，相應(yīng)技術(shù)發(fā)展不足，燃?xì)馀撏L(fēng)僅有《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》（GB50838-2015）作為設(shè)計(jì)依據(jù)，該規(guī)范僅對(duì)綜合管廊通風(fēng)作出通風(fēng)方式和換氣次數(shù)的要求，而管廊防火分區(qū)為接近200 m 長條形，坡度起伏不定，坡度大小不等，且出艙口等口部位置存在局部形變，天然氣密度小，容易在高處聚集，對(duì)于燃?xì)馀摬糠制露容^大或局部形變處事故時(shí)可能集聚天然氣，造成嚴(yán)重的安全隱患。若綜合管廊燃?xì)馀撌鹿释L(fēng)從嚴(yán)按照《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50019-2015）第6.4.4條和6.4.5 條要求，沿管廊設(shè)置風(fēng)道，則將大大增加綜合管廊燃?xì)馀摂嗝?，增加管廊建設(shè)和運(yùn)營成本。且燃?xì)馀撆c常見民用和工業(yè)建筑相比，在燃?xì)夤芫€環(huán)境，種類，燃?xì)鈹U(kuò)散時(shí)間及狀態(tài)等方面都有很大不同，若按照《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50019-2015）設(shè)置風(fēng)道，在增加大量成本的同時(shí)，由于燃?xì)馀摵兔裼媒ㄖ?，工業(yè)建筑的差異，這種通風(fēng)方案也缺乏相應(yīng)依據(jù)。

綜上所述，目前綜合管廊通風(fēng)尤其是燃?xì)馀撏L(fēng)在安全性方面尚缺失有效的設(shè)計(jì)依據(jù)。目前國內(nèi)燃?xì)馀撏L(fēng)設(shè)計(jì)絕大部分均按《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》（GB50838-2015）要求，采用燃?xì)馀摫倔w作為風(fēng)道，于燃?xì)馀摲阑鸱謪^(qū)某一端或中間部位設(shè)置排風(fēng)機(jī)的通風(fēng)方案，該通風(fēng)方案系統(tǒng)簡單，投資和運(yùn)營成本低，但安全性及其適用范圍急需驗(yàn)證和確認(rèn)。

筆者利用Fluent 軟件，對(duì)不同局部変形燃?xì)馀撃Ｐ瓦M(jìn)行燃?xì)庑孤都笆鹿释L(fēng)模擬，分析不同局部変形燃?xì)馀撃Ｐ褪鹿释L(fēng)能否滿足使用要求，為燃?xì)馀撏L(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究模型

1.1 模型幾何尺寸

為了更好地顯示效果，模型圖在燃?xì)馀撻L度方向相對(duì)位置均為示意，實(shí)際位置以標(biāo)注尺寸為準(zhǔn)。如圖1所示，機(jī)械進(jìn)風(fēng)口距燃?xì)馀撟髠?cè)2 m。機(jī)械排風(fēng)口距燃?xì)馀撚覀?cè)2 m。泄露孔距燃?xì)馀撨M(jìn)風(fēng)側(cè)10 m。

圖1 燃?xì)馀摌?biāo)準(zhǔn)模型圖

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，燃?xì)馀撘粋€(gè)防火分區(qū)的長度不能超過200 m，以深圳空港新城管廊二期項(xiàng)目為參考，本文選取長度200 m 的燃?xì)馀摓檠芯繉?duì)象，燃?xì)馀搶挾葹? m，高度為2.8 m。

1.2 模型相關(guān)條件

1.2.1假設(shè)條件

1）天然氣成分只有甲烷（CH4），其余成分忽略不計(jì)，混合組分之間不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，天然氣及天然氣與空氣的混合物看作理想氣體，整個(gè)泄露過程遵循連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程。

2）泄露孔徑取管道直徑的10%，即40 mm。由于d/D=0.1＜0.2，故可以采取小孔模型進(jìn)行計(jì)算[1]。

3）燃?xì)庑孤稌r(shí)泄露面積不隨時(shí)間發(fā)生變化，小孔泄露視為連續(xù)的穩(wěn)態(tài)泄露，泄露噴射速度恒定為267 m/s[2]。

4）環(huán)境溫度為300 K，泄露擴(kuò)散的天然氣視為300 K，氣體之間以及氣體與外界的環(huán)境之間則均無熱交換。

1.2.2實(shí)際條件

1）通風(fēng)量為2×2.8×200×12[3]=13440 m3/h。

2）風(fēng)口尺寸根據(jù)選擇的通風(fēng)機(jī)確定，本次研究風(fēng)口尺寸確定為800 mm×800 mm。

3）天然氣爆炸下限為5%（體積分?jǐn)?shù)），根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)天然氣濃度達(dá)到下限值的20%即1%時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)事故段分區(qū)及其相鄰分區(qū)的事故通風(fēng)設(shè)備。當(dāng)天然氣濃度值為1.5%（體積分?jǐn)?shù)）時(shí)，應(yīng)關(guān)閉天然氣管道閥門。

1.2.3模擬計(jì)算條件

1）初始條件：t=0 時(shí)，泄露未開始，燃?xì)馀搩?nèi)充滿空氣，甲烷濃度為0，速度為0，壓力為大氣壓力。

2）采用機(jī)械進(jìn)、排風(fēng)系統(tǒng)，所以燃?xì)馀撨M(jìn)、排風(fēng)口均采用速度入口邊界條件，即velocity-inlet。燃?xì)馀搩?nèi)壁、管道外壁、防火分隔設(shè)置為wall 壁面條件即可。

3）本課題采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 方程[4]。

4）當(dāng)甲烷最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.00002 時(shí)默認(rèn)為燃?xì)馀搩?nèi)泄露的天然氣排盡。

5）在20 min 內(nèi)能達(dá)到終點(diǎn)濃度0.00002 則認(rèn)為該通風(fēng)設(shè)施有效，否則無效，需要改進(jìn)通風(fēng)設(shè)施后再重新模擬。

2 模擬與分析

2.1 模型示意圖

圖2～9 為模擬用各模型，表1 為各模型模擬事故通風(fēng)時(shí)甲烷濃度達(dá)到終點(diǎn)濃度的時(shí)間。

圖2 無局部變形模型圖

圖3 600mm 高的梁模型圖

圖4 垂直向上轉(zhuǎn)彎模型圖

圖5 垂直向下轉(zhuǎn)彎模型圖

圖6 出艙口高度為1 m 模型圖

圖7 出艙口高度為1.5 m 模型圖

圖8 出艙口高度為2 m 模型圖

圖9 出艙口高度為3 m 模型圖

表1 各模型模擬事故通風(fēng)時(shí)甲烷濃度達(dá)到終點(diǎn)濃度的時(shí)間

根據(jù)模擬結(jié)果可知：

1）泄露的天然氣易在局部變形高處聚集。

2）燃?xì)馀搩?nèi)有梁或者垂直轉(zhuǎn)彎時(shí)，在管廊兩端設(shè)置機(jī)械進(jìn)、排風(fēng)機(jī)保證管廊滿足設(shè)計(jì)風(fēng)速要求時(shí)，該通風(fēng)形式能滿足事故排風(fēng)要求。

3）出艙口高度為2 m 時(shí)，雖然在燃?xì)馀搩啥嗽O(shè)置機(jī)械進(jìn)、排風(fēng)機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)能達(dá)到終點(diǎn)濃度，但是達(dá)到終點(diǎn)濃度的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于出艙口高度為1 m 時(shí)的模型，為了及時(shí)將泄露的天然氣排出燃?xì)馀?，故認(rèn)為出艙口高度為2 m 時(shí)，僅在燃?xì)馀搩啥嗽O(shè)置機(jī)械進(jìn)、排風(fēng)機(jī)不能滿足使用要求。

4）出艙口高度為3 m 時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行1500 s 之后，甲烷最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)13.2%，風(fēng)機(jī)運(yùn)行2100 s 之后，甲烷最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)11.7%，由此可見，僅在燃?xì)馀搩啥嗽O(shè)置機(jī)械進(jìn)排風(fēng)機(jī)不能滿足使用要求。

3 改進(jìn)措施

3.1 改進(jìn)后的通風(fēng)方案

出艙口高度大于或等于2 m 的燃?xì)馀摚枰槍?duì)出艙口設(shè)計(jì)一套獨(dú)立的機(jī)械進(jìn)、排風(fēng)系統(tǒng)以滿足使用要求。即在出艙口處設(shè)置局部夾層，夾層處設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)，將出艙口泄露燃?xì)馀胖林黧w廊道，再通過主體廊道排至室外，以保證出艙口處的泄漏燃?xì)?，快速有效地排至室外，減小發(fā)生火災(zāi)爆炸事件的概率。做法如圖10 所示。

圖10 出艙口獨(dú)立的機(jī)械進(jìn)、排風(fēng)系統(tǒng)

3.2 改進(jìn)通風(fēng)方案后的模擬結(jié)果

圖11 為設(shè)置獨(dú)立機(jī)械進(jìn)、排風(fēng)系統(tǒng)的出艙口模型，圖12 出艙口內(nèi)甲烷泄露完畢圖是指在出艙口內(nèi)甲烷以267 m/s 的速度泄露一定時(shí)間之后整個(gè)出艙口內(nèi)的甲烷濃度分布圖，圖13 為風(fēng)機(jī)開啟500 s 事故通風(fēng)效果圖。由圖12 可知，此時(shí)出艙口內(nèi)甲烷濃度為20%左右。由圖13 可知，風(fēng)機(jī)運(yùn)行500 s 之后出艙口內(nèi)甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%，對(duì)比之前沒有設(shè)置獨(dú)立進(jìn)、排風(fēng)系統(tǒng)模型模擬結(jié)果（風(fēng)機(jī)運(yùn)行2100 s 之后出艙口內(nèi)甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.7%），顯然，針對(duì)出艙口高度大于3 m 的燃?xì)馀摚诔雠摽谔幵O(shè)置獨(dú)立的進(jìn)、排風(fēng)系統(tǒng)能滿足使用要求。

圖11 設(shè)置獨(dú)立機(jī)械進(jìn)、排風(fēng)系統(tǒng)的出艙口模型

圖12 出艙口內(nèi)甲烷泄露完畢圖

圖13 風(fēng)機(jī)開啟500 s 事故通風(fēng)效果圖

4 結(jié)論

1）燃?xì)馀搩?nèi)有梁或者垂直轉(zhuǎn)彎時(shí)，在管廊兩端設(shè)置機(jī)械進(jìn)、排風(fēng)機(jī)保證管廊滿足設(shè)計(jì)風(fēng)速要求時(shí),該通風(fēng)形式能滿足事故排風(fēng)要求。

2）出艙口高度大于等于2 m 時(shí)，需在出艙口處設(shè)置獨(dú)立的機(jī)械進(jìn)、排風(fēng)系統(tǒng)。

3）管廊主體的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)避免急擴(kuò)急縮截面，使艙室沒有通風(fēng)死角，保證艙室通風(fēng)流暢。