基于安全風(fēng)險(xiǎn)控制燃火特效劇場(chǎng)關(guān)鍵工藝研究

高春梅，朱禹洲，侯翠翠

(1.北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所，北京 100011；2.北京市燕山工業(yè)燃?xì)庠O(shè)備有限公司，北京 100011)

1 概述

燃火特效表演如果采用燃?xì)膺M(jìn)行表演，劇場(chǎng)內(nèi)將設(shè)有供氣系統(tǒng)和用氣設(shè)備，存在泄漏燃?xì)獾目赡苄?，有火?zāi)或爆炸風(fēng)險(xiǎn)。因此，該類型劇場(chǎng)的燃火特效系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)極其關(guān)鍵并且具有特殊性，劇場(chǎng)內(nèi)的電氣防爆設(shè)計(jì)也需要詳盡分析，并進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。本文結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)燃火特效系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行分析，研究其風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源及安全控制措施，將劇場(chǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

筆者建議室內(nèi)燃火特效劇場(chǎng)使用天然氣作為燃料，因此本文將只對(duì)采用天然氣為燃料的室內(nèi)燃火特效劇場(chǎng)的關(guān)鍵工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2 泄漏方式及泄漏結(jié)果分析

燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)泄漏分為兩種，因腐蝕穿孔、法蘭錯(cuò)位等造成小孔或裂縫泄漏的非災(zāi)難性事故，以及管道斷裂或容器破裂引起大量泄漏的災(zāi)難性事故。

燃?xì)夤艿佬孤┑膸缀文Ｐ图案鲄?shù)見圖1。0點(diǎn)為環(huán)境大氣處，1點(diǎn)為管道起點(diǎn)處，2點(diǎn)為管道內(nèi)泄漏口附近中心點(diǎn)處，3點(diǎn)為泄漏口處，后文各物理量下標(biāo)帶此4個(gè)數(shù)字的分別為對(duì)應(yīng)處參數(shù)。

圖1 管道泄漏的幾何模型

2.1 小孔泄漏

對(duì)于腐蝕穿孔、法蘭錯(cuò)位引起的泄漏可采用小孔泄漏模型計(jì)算。小孔泄漏時(shí)泄漏口的燃?xì)饬魉偈芘R界壓力比的控制，臨界壓力比見式(1)[1]：

(1)

式中β——臨界壓力比

p0——環(huán)境絕對(duì)壓力，Pa，取101 325 Pa

pc——使泄漏口燃?xì)饬魉龠_(dá)到當(dāng)?shù)芈曀俚膲毫?，Pa

κ——燃?xì)獾褥刂笖?shù)

天然氣的等熵指數(shù)取1.29，得出燃?xì)鈮毫?85 054 Pa時(shí)達(dá)到臨界壓力比。當(dāng)泄漏口內(nèi)燃?xì)饨^對(duì)壓力p2大于等于185 054 Pa時(shí)，泄漏口的燃?xì)馓幱谂R界狀態(tài)，此時(shí)燃?xì)庑孤┵|(zhì)量流量計(jì)算公式[1]為：

(2)

式中qm——泄漏質(zhì)量流量，kg/s

α——?dú)怏w泄漏流量系數(shù)

A——泄漏口面積，m2

p2——泄漏口內(nèi)燃?xì)饨^對(duì)壓力，Pa

M——p2、T2條件下的燃?xì)獾哪栙|(zhì)量，kg/mol

Z——p2、T2條件下的壓縮因子

R——摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)，取8.314 J/(mol·K)

T2——泄漏口內(nèi)燃?xì)獾臏囟?，K

氣體泄漏流量系數(shù)α與泄漏口的形狀有關(guān)，泄漏口為圓形時(shí)可取1，三角形時(shí)取0.95，長(zhǎng)方形取0.90，由腐蝕形成的漸縮小孔取0.9～1.0，由外力沖擊形成的漸擴(kuò)孔取0.6～0.9。

當(dāng)泄漏口內(nèi)燃?xì)饨^對(duì)壓力p2小于185 054 Pa時(shí)，泄漏口的燃?xì)馓幱趤喤R界狀態(tài)，此時(shí)燃?xì)庑孤┵|(zhì)量流量計(jì)算公式為[1]：

(3)

分析上述小孔泄漏模型可知，小孔泄漏引起的泄漏量與管道內(nèi)燃?xì)鈮毫靶孤┛诔叽缇o密相關(guān)，與泄漏口形狀也有一定關(guān)系，圓孔的泄漏流量系數(shù)是所有形狀里最大的，采用圓孔泄漏進(jìn)行分析得到的結(jié)果更具有參考性。

燃?xì)庑孤┖髸?huì)在泄漏源附近形成氣體云團(tuán)，云團(tuán)在環(huán)境中的自由擴(kuò)散規(guī)律通常采用高斯模型進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)泄漏點(diǎn)附近平均風(fēng)速小于0.5 m/s，則泄漏點(diǎn)周圍A點(diǎn)(x,y,z)處的燃?xì)赓|(zhì)量濃度為[1]：

(4)

式中ρm(x,y,z)——燃?xì)庠贏點(diǎn)處的質(zhì)量濃度，kg/m3

x、y、z——A點(diǎn)在x、y、z方向上距泄漏點(diǎn)的距離，m

a、b——擴(kuò)散系數(shù)，m

r——A點(diǎn)離泄漏點(diǎn)的距離，m

h——泄漏點(diǎn)距地高度，m

tw——靜風(fēng)持續(xù)時(shí)間，s，取3 600 s的整倍數(shù)

擴(kuò)散系數(shù)可查HJ 2.2—2018《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》得到。

分析燃?xì)鈹U(kuò)散模型可知，在自由空間內(nèi)燃?xì)鈹U(kuò)散形成的氣體云團(tuán)主要受燃?xì)庑孤┝髁考皵U(kuò)散系數(shù)的影響，且隨著距離增加質(zhì)量濃度呈指數(shù)下降。

燃?xì)鈹U(kuò)散模型不能直觀地反映燃?xì)庑孤U(kuò)散的結(jié)果，且現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，燃?xì)獠豢赡苁峭耆杂蓴U(kuò)散。筆者借助ANSYS仿真模擬軟件對(duì)小孔泄漏在多種環(huán)境條件下形成的可燃?xì)怏w云團(tuán)進(jìn)行研究，并給出直觀的云團(tuán)擴(kuò)散結(jié)果。模型假設(shè)管道內(nèi)燃?xì)庥?00%甲烷組成，燃?xì)鈴男孤c(diǎn)不斷向周圍的開放空間泄漏，燃?xì)饨^對(duì)壓力高于185 054 Pa，燃?xì)獬掷m(xù)以當(dāng)?shù)芈曀?，即約400 m/s流出。

本文對(duì)于常見的或?qū)π孤┰茍F(tuán)影響較大的8種場(chǎng)景進(jìn)行泄漏模擬，模擬場(chǎng)景的總高度為20 m，寬度為20 m。仿真結(jié)果(燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù))軟件截圖見圖2。圖2a為開闊地帶，距離地面1 m處的泄漏孔水平向外泄漏，場(chǎng)景環(huán)境無(wú)風(fēng)，泄漏氣體自由射流并擴(kuò)散。圖2b為開闊地帶，地面處的泄漏孔垂直向上泄漏，場(chǎng)景環(huán)境無(wú)風(fēng)，泄漏氣體自由射流并擴(kuò)散。圖2c為寬1 m，高2 m的設(shè)備箱體內(nèi)，位于箱體中間且距離地面1 m處的一處泄漏孔，水平向箱體壁面泄漏，檢修門開啟，箱體內(nèi)環(huán)境無(wú)通風(fēng)。圖2d的環(huán)境與圖2c相同，但是泄漏孔水平向檢修門外泄漏。圖2e為開闊地帶，距離地面1 m處的泄漏孔水平逆風(fēng)泄漏，風(fēng)速為0.3 m/s。圖2f為開闊地帶，距離地面1 m處的泄漏孔水平泄漏，存在熱壓引起的空氣流動(dòng)，流動(dòng)速度0.3 m/s，速度方向向上。圖2g距離地面1 m處的泄漏孔水平向1 m外2 m高的圍墻泄漏，場(chǎng)景環(huán)境無(wú)風(fēng)。圖2h為有頂無(wú)墻的空間，頂棚高于地面2 m，距離地面1 m處的泄漏孔垂直向頂棚泄漏，同樣場(chǎng)景環(huán)境無(wú)風(fēng)。

圖2 仿真結(jié)果燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)軟件截圖

仿真結(jié)果顯示，空間內(nèi)燃?xì)庑孤┮鸬脑茍F(tuán)因擴(kuò)散作用最終將達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，氣體云團(tuán)的尺寸局限在一定的范圍內(nèi)不再發(fā)展。距離地面1 m，周圍風(fēng)速低于0.3 m/s，一個(gè)直徑為8 mm的泄漏口向任意方向泄漏，泄漏量約為0.020 1 m3/s時(shí)，體積分?jǐn)?shù)大于爆炸下限值的10%(即體積分?jǐn)?shù)為0.5%)的可燃?xì)怏w云團(tuán)最遠(yuǎn)能擴(kuò)散至5 m。

依照GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱GB 50058—2014)，法蘭、接口等二級(jí)釋放源，其周圍水平方向直線距離4.5 m以內(nèi)，垂直高度7.5 m以下為爆炸危險(xiǎn)2區(qū)；另外，可燃?xì)怏w可能出現(xiàn)的最高體積分?jǐn)?shù)不超過爆炸下限的10%的區(qū)域?yàn)榉潜ㄎｋU(xiǎn)區(qū)域。據(jù)此，筆者推斷GB 50058—2014定義的二級(jí)釋放源在燃火特效劇場(chǎng)的使用條件下可以等效于泄漏量為0.020 1 m3/s的小孔。本文后續(xù)將采用這一流量討論劇場(chǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。由于0.020 1 m3/s燃?xì)庑纬傻脑茍F(tuán)最遠(yuǎn)距離為5 m，大于GB 50058—2014要求的4.5 m，如果流量為0.020 1 m3/s都能保證劇場(chǎng)安全，那么比它更小的泄漏量應(yīng)該更加安全，因此該推斷具有安全裕量。

綜上，當(dāng)燃火特效劇場(chǎng)內(nèi)管道發(fā)生小孔泄漏時(shí)，可以將它視作一個(gè)體積流量為0.020 1 m3/s，燃?xì)饬魉贋?00 m/s的圓孔泄漏的情況進(jìn)行分析。本文依照該值計(jì)算燃火特效劇場(chǎng)內(nèi)管道發(fā)生小孔泄漏時(shí)的燃?xì)怏w積，由式(5)計(jì)算：

V=0.020 1t

(5)

式中V——小孔泄漏的燃?xì)怏w積，m3

t——泄漏時(shí)間，s

2.2 管道斷裂泄漏

管道斷裂泄漏可采用管道斷裂泄漏模型計(jì)算，計(jì)算式為[2]：

(6)

式中D——斷裂管道的內(nèi)直徑，m

n——燃?xì)舛嘧冎笖?shù)

p1——管道起始處絕對(duì)壓力，Pa

T1——管道起點(diǎn)的燃?xì)鉁囟?，K

λ——管道摩擦阻力系數(shù)

L——斷裂處到管道起點(diǎn)的長(zhǎng)度，m

對(duì)于流動(dòng)速度小、長(zhǎng)度較長(zhǎng)的管道流動(dòng)過程可以看作等溫過程，n取1，對(duì)于流動(dòng)速度快、長(zhǎng)度較短的管道流動(dòng)過程可以看作絕熱過程，n取燃?xì)獾褥刂笖?shù)。

與小孔泄漏相似，當(dāng)管道泄漏進(jìn)入絕熱流動(dòng)時(shí)，管道泄漏也將出現(xiàn)臨界流量的限制。管道的臨界體積流量，即實(shí)際情況下可能出現(xiàn)的最大體積流量，計(jì)算式為[3]：

(7)

式中qV,c——管道臨界體積流量，m3/h

ρ0——燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(壓力為101 325 Pa，溫度為0 ℃)下的密度，kg/m3

無(wú)論何種模型計(jì)算得出的泄漏流量都必須采用管道臨界流量校驗(yàn)，最大值僅能為管道臨界流量。當(dāng)然，小孔泄漏模型也受上游管道臨界流量限制，但一般情況下小孔泄漏的孔洞面積遠(yuǎn)小于管道面積，因此計(jì)算的流量也遠(yuǎn)小于管道臨界流量。

2.3 管道內(nèi)儲(chǔ)存的燃?xì)饪偭?/h3>

當(dāng)管道上下游閥門都關(guān)閉的情況下，管道內(nèi)將存儲(chǔ)一定量的燃?xì)?，其總量可以由?8)計(jì)算：

(8)

式中Vt——管道內(nèi)存儲(chǔ)的燃?xì)饪偭浚琺3

Lt——總控制閥到燃燒器前最后一道控制閥之間的管道長(zhǎng)度，m

2.4 燃?xì)夤艿篱L(zhǎng)度的確定

燃?xì)夤艿啦贾梅桨敢妶D3，其中a為場(chǎng)地的短邊長(zhǎng)度，b為場(chǎng)地的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度，c為場(chǎng)地的對(duì)角連線長(zhǎng)度。方案1為沿著邊緣敷設(shè)，方案2為沿著對(duì)角線敷設(shè)，方案3為其他敷設(shè)方案。假設(shè)兩點(diǎn)之間的管道敷設(shè)路徑曲線是連續(xù)的，且任何處不會(huì)出現(xiàn)折返敷設(shè)，即任意點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)大于等于零。將曲線進(jìn)行微分，假設(shè)每個(gè)微分段都是直線，并以此作為直角三角的斜邊，顯然該斜邊應(yīng)小于兩邊之和，對(duì)所有微分段積分得出曲線距離也應(yīng)小于a與b之和。因此從起點(diǎn)到終點(diǎn)經(jīng)過的最長(zhǎng)距離為方案1，即a與b之和。

圖3 燃?xì)夤艿啦贾梅桨?/p>

a與b之積等于劇場(chǎng)面積。相同面積下，a與b之和受到劇場(chǎng)面寬和進(jìn)深的限制，最小值在劇場(chǎng)為正方形時(shí)出現(xiàn)，最大值本文取面寬和進(jìn)深為1∶5時(shí)的值，即：

式中S——?jiǎng)?chǎng)面積，m2

a、b——?jiǎng)?chǎng)場(chǎng)地短邊、長(zhǎng)邊長(zhǎng)度，m

綜上，當(dāng)管道上下游閥門都關(guān)閉時(shí)，如該管道發(fā)生泄漏，管道將按照泄漏口對(duì)應(yīng)的泄漏速度泄漏，并在儲(chǔ)存的燃?xì)馊啃孤┐M后停止。

3 最大燃?xì)庑孤┝考瓣P(guān)鍵工藝分析

限制燃火特效表演過程中可能的最大燃?xì)庑孤┝渴墙档蛣?chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)的最本質(zhì)的安全措施。

3.1 工藝流程及各工作階段燃?xì)庑孤┝?/h3>

① 燃火特效系統(tǒng)簡(jiǎn)易流程

為了便于后續(xù)分析，本文對(duì)燃火特效系統(tǒng)工藝流程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。燃火特效系統(tǒng)主要由總控制閥組、區(qū)域閥、特效閥及壓力開關(guān)組成，燃火特效系統(tǒng)工藝流程見圖4?？偪刂崎y組帶有檢漏功能，能夠杜絕閥體內(nèi)漏和外漏事故發(fā)生，負(fù)責(zé)總體控制和安全切斷。燃火特效系統(tǒng)按表演要求可分為數(shù)個(gè)區(qū)域管段，并由特效閥控制特效燃燒器工作時(shí)間。特效閥前后的低壓壓力開關(guān)和高壓壓力開關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道壓力是否超過設(shè)定閾值。燃火特效系統(tǒng)的各個(gè)工作階段及各個(gè)部位工作狀態(tài)見表1。

圖4 燃火特效系統(tǒng)工藝流程

表1 燃火特效系統(tǒng)的各個(gè)工作階段及各個(gè)部位對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)

② 各工作階段燃?xì)庑孤┝?/p>

結(jié)合燃火特效系統(tǒng)的各種工作階段，對(duì)該系統(tǒng)因腐蝕穿孔、法蘭錯(cuò)位等造成的小孔泄漏的燃?xì)庑孤┝窟M(jìn)行分析。本文假定僅有一條管路的一處發(fā)生泄漏。總控制閥組設(shè)在管道起點(diǎn)附近，燃燒器及其對(duì)應(yīng)的特效閥位于管道終點(diǎn)，區(qū)域閥依照表演效果的分區(qū)情況設(shè)在劇場(chǎng)適宜的位置。

a.停運(yùn)階段

總控制閥組關(guān)閉，下游管道內(nèi)燃?xì)鈮毫镜扔诖髿鈮海虼瞬豢赡苄孤┐罅康娜細(xì)狻?/p>

b.表演預(yù)備階段

總控制閥組及區(qū)域閥開啟，上游不斷供給燃?xì)?，管道?nèi)一直維持供應(yīng)壓力。如果管道發(fā)生小孔泄漏，且一直以本文推斷的與二級(jí)釋放源等效的泄漏速度泄漏，泄漏量持續(xù)增加。由于小孔泄漏的流量遠(yuǎn)小于上游供給能力，泄漏極有可能不會(huì)觸發(fā)壓力開關(guān)，致使泄漏持續(xù)進(jìn)行，泄漏出大量的燃?xì)?，是需要著重考慮的。其泄漏燃?xì)怏w積見式(5)。

c.表演中階段

所有閥門全部開啟，管道內(nèi)的燃?xì)鈮毫茷楣?yīng)壓力，如果出現(xiàn)小孔泄漏，其燃?xì)庑孤┝坎粫?huì)大于表演預(yù)備階段。另外，這一階段還有可能出現(xiàn)因點(diǎn)火失敗造成的燃?xì)庑孤?。燃火特效燃燒器都采用火焰檢查設(shè)備對(duì)火焰狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，點(diǎn)火安全時(shí)間(由燃燒器廠家設(shè)定，一般都在1 s以內(nèi))內(nèi)未檢測(cè)到火焰立即關(guān)閉特效閥。因此，單個(gè)燃火特效燃燒器點(diǎn)火失敗泄漏的燃?xì)饬坎粫?huì)超過該管道臨界流量下1 s的流量。點(diǎn)火失敗泄漏的最大燃?xì)怏w積可采用式(7)對(duì)泄漏時(shí)間求積計(jì)算，管道內(nèi)直徑D應(yīng)取特效閥的閥芯面積，其計(jì)算式見(9)：

V

(9)

d.表演間隔階段

(10)

3.2 燃火特效劇場(chǎng)內(nèi)關(guān)鍵工藝的探討

各階段燃?xì)庑孤?duì)比見表2，表演中階段的小孔泄漏流量小于表演預(yù)備階段。

表2 各階段燃?xì)庑孤?duì)比

可見影響燃火特效劇場(chǎng)燃?xì)庾畲笮孤┝康年P(guān)鍵工藝參數(shù)有燃?xì)鈮毫?、管道?nèi)直徑、泄漏時(shí)間以及劇場(chǎng)面積。因此，依據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，建議燃火特效劇場(chǎng)的燃?xì)庠O(shè)計(jì)壓力不應(yīng)超過0.15 MPa，管道規(guī)格不應(yīng)超過DN 80 mm。此時(shí)的臨界流量約為6 900 m3/h，即所有燃火特效劇場(chǎng)的最大瞬時(shí)設(shè)計(jì)用氣量不應(yīng)大于6 900 m3/h。另外，為了減少表演預(yù)備階段微小泄漏不易被壓力開關(guān)偵測(cè)到的風(fēng)險(xiǎn)，筆者建議燃火特效劇場(chǎng)所有區(qū)域閥的連續(xù)開啟時(shí)間不應(yīng)超過3 min。

燃火特效劇場(chǎng)的面積僅會(huì)增加管道內(nèi)留存的燃?xì)饪偭浚⒉粫?huì)影響單一管道小孔泄漏的燃?xì)饬?，增加劇?chǎng)規(guī)模及面積不一定提高劇場(chǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。由于二級(jí)釋放源造成的可燃?xì)怏w云團(tuán)一般情況下僅受泄漏口面積及燃?xì)鈮毫τ绊懀鴦?chǎng)的燃?xì)鈮毫κ芴匦紵髟O(shè)計(jì)壓力控制，所以小孔泄漏造成的可燃?xì)怏w云團(tuán)并不會(huì)隨劇場(chǎng)規(guī)模增大而增大。相反，過小的劇場(chǎng)空間不利于燃?xì)鈹U(kuò)散和稀釋，因此燃火特效劇場(chǎng)面積不宜過小。

受限于管道臨界流量，在相同的氣源供應(yīng)設(shè)計(jì)條件下，所有區(qū)域管道同時(shí)泄漏的總量不可能超過總管的臨界流量。因此，增加區(qū)域管道的數(shù)量，即增加特效燃燒器的數(shù)量，并不會(huì)提高劇場(chǎng)內(nèi)燃?xì)庑孤┑淖畲罅?。增加區(qū)域管道的數(shù)量會(huì)增加二級(jí)釋放源的數(shù)量，從而增加泄漏概率，但是燃火特效系統(tǒng)定期進(jìn)行人工檢查，控制系統(tǒng)也會(huì)自檢，因此多條區(qū)域管道同時(shí)發(fā)生泄漏的概率極低。據(jù)此分析，增加區(qū)域管道的數(shù)量基本不會(huì)增加劇場(chǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

同樣，在燃?xì)鈮毫?、管道直徑及連續(xù)開閥時(shí)間確定的情況下，劇場(chǎng)的單場(chǎng)表演設(shè)計(jì)用氣量與劇場(chǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)基本沒有直接關(guān)聯(lián)。但是單場(chǎng)表演設(shè)計(jì)用氣量與劇場(chǎng)內(nèi)燃燒煙氣的濃度直接相關(guān)，煙氣對(duì)劇場(chǎng)空氣質(zhì)量的影響是一個(gè)復(fù)雜的議題，需要另行討論。但是，表演場(chǎng)次過于密集會(huì)造成燃燒煙氣的積聚，應(yīng)該限制單位時(shí)間內(nèi)的表演場(chǎng)次。

燃火特效劇場(chǎng)可能存在需要長(zhǎng)時(shí)間不間斷燃燒的燃火特效，該類型的燃火特效往往燃燒較為平緩，燃燒器設(shè)計(jì)壓力不高。因此，對(duì)于該類型燃火特效，建議采用獨(dú)立的調(diào)壓器供氣，并減小該區(qū)域管道的管徑，從而降低泄漏安全風(fēng)險(xiǎn)。在此基礎(chǔ)上，可以不限制該管道區(qū)域閥的持續(xù)開啟時(shí)間。

3.3 關(guān)鍵工藝參數(shù)的效果驗(yàn)證

本文假設(shè)一個(gè)燃火特效劇場(chǎng)，依據(jù)上述討論得到的關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)各階段的泄漏量進(jìn)行分析，并驗(yàn)證該工藝參數(shù)的有效性。假設(shè)劇場(chǎng)面積(包含觀演區(qū))為1 000 m2，燃?xì)鈮毫?.15 MPa，總控制閥組后的管道內(nèi)直徑為80 mm，區(qū)域閥每場(chǎng)表演連續(xù)開啟3 min。管道內(nèi)燃?xì)獾臏囟热?93 K，燃?xì)饷芏热?.73 kg/m3，燃?xì)獾哪栙|(zhì)量取16.5 g/mol。據(jù)此，各階段燃?xì)庑孤┣闆r見表3。

表3 各階段燃?xì)庑孤┣闆r

筆者檢索了國(guó)內(nèi)與燃?xì)庀嚓P(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，僅GB 50058—2014第3.3.1條對(duì)大空間廠房?jī)?nèi)的燃?xì)庾畲筢尫帕窟M(jìn)行了規(guī)定。當(dāng)平屋頂廠房?jī)?nèi)可能釋放可燃物質(zhì)時(shí)，其釋放量的3倍體積與廠房屋頂以下1 m高度內(nèi)的空氣混合，形成的氣體混合物體積分?jǐn)?shù)小于該可燃物質(zhì)的爆炸下限，那么可將該廠房?jī)?nèi)部按空間劃定不同爆炸危險(xiǎn)區(qū)域范圍，否則整個(gè)廠房需要?jiǎng)澏橥粋€(gè)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。只有低于該釋放量，廠房?jī)?nèi)才可能存在非防爆區(qū)域，從而可以開展燃火特效表演。據(jù)此，符合GB 50058—2014要求的燃?xì)庾畲筢尫帕靠梢酝ㄟ^式(11)計(jì)算：

(11)

式中Vmax——符合GB 50058—2014要求的燃?xì)庾畲筢尫帕?，m3

Vd——?jiǎng)?chǎng)屋頂以下1 m高度內(nèi)的空氣體積，m3

φLEL——燃?xì)獾谋ㄏ孪?/p>

計(jì)算可得1 000 m2劇場(chǎng)符合GB 50058—2014要求的燃?xì)庾畲筢尫帕考s為16.7 m3。對(duì)比表演預(yù)備階段的最大泄漏量，該泄漏量是GB 50058—2014要求的燃?xì)庾畲筢尫帕康?1.7%，符合GB 50058—2014的要求。因此，采用本文建議的3個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)設(shè)計(jì)的燃火特效劇場(chǎng)符合GB 50058—2014的要求。

3.4 災(zāi)難性事故的簡(jiǎn)單分析

GB 50058—2014的防爆安全設(shè)計(jì)都以非災(zāi)難性事故為前提條件進(jìn)行，并不包含管道斷裂而引發(fā)大量泄漏的災(zāi)難性事故，因此本文前述的討論僅就非災(zāi)難性事故進(jìn)行。為了進(jìn)一步分析燃火特效劇場(chǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，本文對(duì)災(zāi)難性事故的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

劇場(chǎng)內(nèi)管道斷裂的最大泄漏量受到臨界流量限制，不大于總管的臨界流量、管道上閥芯面積最小的閥門的臨界流量?jī)烧咧械淖钚≈?。可見，燃火特效劇?chǎng)如果采用了限制最高壓力及最大管徑的設(shè)計(jì)方法，即使發(fā)生災(zāi)難性事故，燃?xì)庑孤┝繒?huì)受到一定限制。

另外，燃火特效劇場(chǎng)如果采用區(qū)域閥連續(xù)開啟時(shí)長(zhǎng)控制的設(shè)計(jì)方法，即使所有的監(jiān)控設(shè)備都出現(xiàn)故障，劇場(chǎng)內(nèi)管道斷裂泄漏的總時(shí)長(zhǎng)也將被控制在有限的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，泄漏量也將降低。

4 結(jié)論

① 燃火特效劇場(chǎng)的可能燃?xì)庑孤┝恐饕c管道設(shè)計(jì)壓力、管道內(nèi)直徑以及泄漏時(shí)間密切相關(guān)。

② 表演預(yù)備階段的小孔泄漏是該類型劇場(chǎng)非災(zāi)難性事故狀態(tài)下風(fēng)險(xiǎn)最大的泄漏方式。

③ 最大燃?xì)庑孤┝颗c區(qū)域管道數(shù)量、特效燃燒器設(shè)計(jì)用氣量、劇場(chǎng)面積不直接關(guān)聯(lián)。