轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏爆炸危險區(qū)域模擬

李 剛，黃庭川，張曉宇，劉宗陽

（東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，沈陽 110819）

國內(nèi)冶金企業(yè)普遍采用轉(zhuǎn)爐煉鋼，因此在鋼鐵生產(chǎn)加工過程中會產(chǎn)生大量轉(zhuǎn)爐煤氣.當(dāng)煤氣輸運管路系統(tǒng)發(fā)生故障時，法蘭、安全閥及管道連接處均有可能發(fā)生煤氣泄漏，一旦泄漏就可能導(dǎo)致火災(zāi)、中毒及爆炸事故的發(fā)生.2019年5月29日，南昌某鋼廠室外轉(zhuǎn)爐煤氣管道泄漏發(fā)生燃燒爆炸，導(dǎo)致現(xiàn)場作業(yè)人員1死9傷，究其原因是該廠未合理劃分爆炸危險區(qū)域且未采取相應(yīng)的防爆措施[1].在劃分爆炸危險區(qū)域的過程中，現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)在資料性附錄中對某些典型場所給出了指導(dǎo)性建議，但現(xiàn)實生產(chǎn)過程中影響爆炸危險區(qū)域范圍的因素較多，如何具體、定量地確定室外爆炸危險區(qū)域范圍一直未得到改善和解決.危險區(qū)域范圍劃分過窄不安全，劃分過寬經(jīng)濟(jì)上又不可行.因此，如何科學(xué)合理地劃分室外有泄漏風(fēng)險場所的爆炸危險區(qū)域范圍是目前廣大冶金企業(yè)氣體防爆安全整改工作的重點疑難問題之一.

國內(nèi)外眾多學(xué)者針對危險性氣體泄漏問題進(jìn)行了大量的實驗及數(shù)值模擬研究.Barley等[2]通過實驗研究了泄漏口所處的高度、通風(fēng)方式及泄漏速率對氫氣在空間內(nèi)擴散分布的影響，并將實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行驗證.Agarwal等[3]利用CFD軟件模擬了風(fēng)速對天然氣泄漏的影響，發(fā)現(xiàn)了不同風(fēng)速條件所對應(yīng)的安全區(qū)域范圍.Li等[4]利用Fluent建立海底輸氣管道泄漏引起可燃?xì)怏w釋放和擴散行為的模型，研究了不同的氣體釋放速率、水深及泄漏位置對擴散的影響.Li等[5]對密閉空間天然氣泄漏進(jìn)行數(shù)值模擬，得出室內(nèi)不同泄漏點的天然氣泄漏擴散特性及風(fēng)速對泄漏區(qū)域的影響.Nagaosa等[6]提出了一種描述可燃?xì)怏w擴散的數(shù)值公式，并引入計算流體力學(xué)來研究氣體泄漏率對其濃度分布的影響.

然而，僅有少數(shù)學(xué)者針對危險性氣體泄漏后形成的爆炸危險區(qū)域范圍進(jìn)行研究.目前，工業(yè)現(xiàn)場通常都依據(jù)現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的少量典型示例進(jìn)行爆炸危險區(qū)域劃分，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行防爆電氣選擇，但這缺乏足夠的理論和實驗依據(jù).本文中以某鋼廠轉(zhuǎn)爐煤氣凈化回收系統(tǒng)室外管道閥組的煤氣泄漏為例，運用數(shù)值模擬方法研究在不同的環(huán)境風(fēng)速、泄漏壓力及泄漏孔徑條件下轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏情況及爆炸危險區(qū)域范圍的變化，期望能為冶金企業(yè)爆炸危險區(qū)域的劃分提供重要參考和依據(jù).

1 泄漏擴散數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

假定轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏為連續(xù)泄漏，煤氣泄漏后與空氣形成混合物，且各組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在整個泄漏過程混合氣體均呈湍流流動狀態(tài).根據(jù)以上假設(shè)，本文中該廠轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏問題為無化學(xué)反應(yīng)的單相多組分?jǐn)U散問題，需求解的方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程和湍流模型方程，分別介紹如下：

1.2 模型驗證

桑尼島實驗將氟利昂與氮氣混合物在14 m高處釋放，并在地面障礙物前后進(jìn)行氣體濃度實時監(jiān)測，以得到不同時刻的氣體濃度數(shù)據(jù).為了探究數(shù)值模擬的有效性，Tauseef等[7]對第26次桑尼島實驗結(jié)果進(jìn)行模擬.結(jié)果表明：采用與該氣體擴散行為相一致的Realizablek-ε湍流模型能使最終實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬誤差僅有2.2%，相較于其他模型，該模型的預(yù)測更接近實驗數(shù)據(jù).因此，本文中采用 RANS控制方程，同時選擇Realizablek-ε湍流模型及組分輸運方程對轉(zhuǎn)爐煤氣的局部瞬時濃度進(jìn)行監(jiān)測，并利用理想氣體狀態(tài)方程來評估氣體混合物的相關(guān)性質(zhì).

1.3 物理模型及網(wǎng)格劃分

為探究轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏后爆炸危險區(qū)域的變化規(guī)律，本文中以某鋼廠轉(zhuǎn)爐煤氣凈化回收系統(tǒng)管道閥組平臺的轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏為例，使用 SCDM 19.0建立物理模型，如圖1所示.計算域為20 m×10 m的矩形區(qū)域，閥組平臺距地面高度為5 m.根據(jù)實地觀察和分析，可能的泄漏點多為閥組平臺內(nèi)法蘭間縫隙、排氣孔和管道接頭.為了便于模擬，假定環(huán)境風(fēng)與煤氣泄漏噴射的初始方向一致，并將以上三處形狀大小不同的泄漏口按面積分別等效為直徑 10，40，100 mm的圓形孔口.使用Meshing將模型劃分為四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元最小尺寸為0.01 m.由于泄漏口附近的速度梯度較大，故加密劃分泄漏口附近網(wǎng)格，網(wǎng)格單元平均質(zhì)量為0.982 06.

圖1 物理模型（m）Fig.1 physical model

1.4 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

本文中主要研究非穩(wěn)態(tài)條件下轉(zhuǎn)爐煤氣的泄漏擴散情況，煤氣泄漏口設(shè)為壓力入口，入口壓力分別為2，5，10 kpa，與轉(zhuǎn)爐煤氣柜外輸送管道、轉(zhuǎn)爐煤氣凈化回收系統(tǒng)管道及轉(zhuǎn)爐煤氣調(diào)壓站外部管道壓力相對應(yīng).左側(cè)空氣入口設(shè)為速度入口，根據(jù)廠區(qū)實際情況及當(dāng)?shù)貧夂驐l件將入口速度分別設(shè)為 0，0.5，1，2，3，5 m／s.下邊界設(shè)為壁面邊界條件，其余邊界均為大氣環(huán)境，設(shè)為壓力出口，相對壓力（環(huán)境壓力）為0.環(huán)境和壁面的溫度均為300 K，模擬過程考慮浮力和重力加速度的影響.

2 計算結(jié)果分析

2.1 煤氣泄漏規(guī)律及爆炸危險區(qū)域范圍

為探究室外轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏的規(guī)律，本文中以轉(zhuǎn)爐煤氣凈化回收系統(tǒng)室外管道閥組的煤氣在無風(fēng)條件下泄漏作為室外氣體泄漏的標(biāo)準(zhǔn)場景.利用ANSYS Fluent 19.0對該場景下的泄漏擴散情況進(jìn)行數(shù)值模擬.圖2示出了泄漏時間分別為1，5，10，20 s的轉(zhuǎn)爐煤氣體積分?jǐn)?shù)云圖.在轉(zhuǎn)爐煤氣發(fā)生泄漏的初始階段，由于管道內(nèi)壓力大于環(huán)境壓力，泄漏口附近區(qū)域的初始動量占據(jù)主要地位，流動特性近似于射流[8].在沿程靜止環(huán)境流體的阻滯作用下，煤氣水平射出6 m后，初始動量作用逐漸減弱，這是因為轉(zhuǎn)爐煤氣的密度略大于空氣，使得轉(zhuǎn)爐煤氣有向下擴散趨勢[9].在大氣湍流作用下，5 s后煤氣從高濃度向低濃度區(qū)域擴散直至地面，且水平擴散距離大于20 m.與此同時，密度較小的空氣不斷地進(jìn)入煤氣的主體相中，引起一定程度的稀釋.10 s后煤氣擴散較為平穩(wěn)，近地面處有少許波動.20 s后煤氣濃度場趨于穩(wěn)定，擴散范圍不再變化.

圖2 不同時刻轉(zhuǎn)爐煤氣體積分?jǐn)?shù)Fig.2 The volume fraction of converter gas at different times

該鋼廠所使用的轉(zhuǎn)爐煤氣是由多種氣體組成的混合氣體，各組分的體積分?jǐn)?shù)分別為氫氣1.5%、氧氣0.4%、二氧化碳19.4%、氮氣20.7%、一氧化碳58%，轉(zhuǎn)爐煤氣各組分體積分?jǐn)?shù)之比為φ（CO2） ／φ（CO）＝ 0.33，φ（N2） ／φ（H2）＝ 13.8.由圖3可知，CO2／CO混合爆炸極限為17%～70%、N2／H2混合爆炸極限為 64% ～76%[10].理查特里爆炸極限計算公式如下所示：

圖3 混合氣體爆炸極限圖Fig.3 Explosion limit diagram of mixed gas

式中：Lm為混合氣體的爆炸極限，%；Ln為n氣體的爆炸極限，%；φn為n氣體的體積分?jǐn)?shù)，且φ1+φ2+φ3+…+φn＝100%.

經(jīng)計算可得轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸極限為20.4%～71.5%，體積分?jǐn)?shù)介于此區(qū)間的轉(zhuǎn)爐煤氣遇點火源均可發(fā)生爆炸[11].圖4示出了轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏后的體積分?jǐn)?shù)在爆炸危險區(qū)域范圍隨時間的變化情況.從圖4可以看出：當(dāng)泄漏時間為1 s時，爆炸危險區(qū)域分布于水平方向6.5 m范圍內(nèi)；隨著煤氣的繼續(xù)泄漏，爆炸危險區(qū)域向下擴散至地面并向兩側(cè)蔓延，水平方向最遠(yuǎn)擴散至9 m；當(dāng)泄漏20 s后，爆炸危險區(qū)域趨于穩(wěn)定，泄漏口與爆炸危險區(qū)域最遠(yuǎn)距離不再變化，保持為11.8 m.

圖4 不同時刻轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸危險區(qū)域范圍Fig.4 The scope of the converter gas explosion hazard area at different times

2.2 環(huán)境風(fēng)速對爆炸危險區(qū)域范圍的影響

為探究不同環(huán)境風(fēng)速對煤氣泄漏后爆炸危險區(qū)域范圍的影響，選擇風(fēng)速 0，0.5，1，2，3，5 m／s六種工況進(jìn)行模擬計算，假定泄漏孔徑為40 mm，煤氣泄漏壓力為5 kpa.根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸的極限范圍，得到不同時刻的爆炸危險區(qū)域云圖，由此繪制出六種風(fēng)速下煤氣泄漏后爆炸危險區(qū)域范圍與泄漏時間對應(yīng)的曲線，如圖5所示.

圖5 不同環(huán)境風(fēng)速下爆炸危險區(qū)域范圍隨泄漏時間變化曲線Fig.5 Variation curve of explosion hazard area with leakage time under different environmental wind speed

由圖5可知，在泄漏開始階段，由于管道內(nèi)存在初始壓力，轉(zhuǎn)爐煤氣以射流形式泄漏到環(huán)境中，泄漏口附近氣體流動速度較大，此時環(huán)境風(fēng)速對轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸危險區(qū)域范圍的影響較小.對比圖中泄漏時間為1 s的爆炸危險區(qū)域范圍可知：當(dāng)環(huán)境無風(fēng)時，1 s內(nèi)煤氣爆炸危險區(qū)域范圍可擴大至6.5 m；隨著風(fēng)速的增大，爆炸危險區(qū)域范圍也在增大；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為5 m／s時，1 s內(nèi)煤氣爆炸危險區(qū)域范圍可擴大至7.9 m.在繼續(xù)泄漏的過程中，煤氣的射流效應(yīng)逐漸減弱，泄漏速率下降，風(fēng)速對其擴散的影響增強，使得射流軸線和主要擴散區(qū)向地面及下風(fēng)向偏移[4].

從圖5還可以看出：當(dāng)環(huán)境無風(fēng)時，15 s內(nèi)煤氣爆炸危險區(qū)域范圍隨時間的增加均勻增大，之后便保持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，此時爆炸危險區(qū)域穩(wěn)定在11.8 m范圍內(nèi)；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為0.5 m／s時，風(fēng)對煤氣擴散起到了一定的促進(jìn)作用，同時空氣稀釋作用加強，煤氣射流卷吸氣體，導(dǎo)致氣體間產(chǎn)生碰撞，從而使煤氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)微小的波動[12].因此，在泄漏時間為 5～15 s時，煤氣的爆炸危險區(qū)域范圍有所波動，但整體呈擴大趨勢，25 s后煤氣擴散達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，爆炸危險區(qū)域范圍最大可達(dá)15.8 m.當(dāng)環(huán)境風(fēng)速增大至1 m／s時，爆炸危險區(qū)域范圍最大達(dá)到16.2 m.由于風(fēng)對泄漏的轉(zhuǎn)爐煤氣有稀釋和輸運的作用，隨著環(huán)境風(fēng)速的繼續(xù)增大，強風(fēng)會加速煤氣擴散使空間內(nèi)煤氣的濃度大幅降低，泄漏口軸線上的煤氣形態(tài)隨風(fēng)向變得細(xì)長，5 s后爆炸危險區(qū)域穩(wěn)定在7.2 m范圍內(nèi).當(dāng)風(fēng)速超過2 m／s時，無論風(fēng)速如何增大，爆炸危險區(qū)域最終都會穩(wěn)定在7.2 m范圍之內(nèi).由此看出：較低風(fēng)速有利于泄漏氣云的擴散，同時也會增大爆炸危險區(qū)域范圍；強風(fēng)則會稀釋煤氣，減小爆炸危險區(qū)域范圍.

2.3 泄漏壓力對爆炸危險區(qū)域范圍的影響

假定在無風(fēng)環(huán)境下，當(dāng)泄漏孔徑為40 mm時，對轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏壓力分別為2，5，10 kpa的三種工況進(jìn)行模擬，探究不同泄漏壓力對爆炸危險區(qū)域范圍的影響.在三種泄漏壓力下，煤氣爆炸危險區(qū)域范圍隨泄漏時間變化的曲線如圖6所示.

圖6 不同泄漏壓力下爆炸危險區(qū)域范圍隨泄漏時間變化曲線Fig.6 Variation curve of explosion hazard area range with leakage time under different leakage pressures

由圖6可知，在泄漏初始階段，轉(zhuǎn)爐煤氣以射流形式擴散，不同的泄漏壓力導(dǎo)致煤氣開始泄漏時具有的初始動量不同.當(dāng)泄漏時間為1 s時，三種泄漏壓力條件所對應(yīng)的爆炸危險區(qū)域范圍依次為5.95，6.5，7.5 m.隨著泄漏壓力的增大，煤氣受浮力的影響減小，水平擴散距離增大，體積分?jǐn)?shù)在爆炸極限范圍內(nèi)的區(qū)域同時增大.在三種不同泄漏壓力的條件下，煤氣爆炸危險區(qū)域蔓延至地面所需時間分別為8，5，4 s，此時對應(yīng)的爆炸危險區(qū)域范圍分別為10.5，9，8.4 m.在泄漏時間達(dá)到20 s后，泄漏壓力對爆炸危險區(qū)域范圍的影響逐漸減弱，三種泄漏壓力條件對應(yīng)的爆炸危險區(qū)域范圍均趨于穩(wěn)定，分別為 11.7，11.8，11.9 m，三者相差不大.

綜上分析：在泄漏初始階段，泄漏壓力對爆炸危險區(qū)域范圍影響較大，泄漏壓力越大，爆炸危險區(qū)域范圍就越大；在自由擴散階段，泄漏壓力越小，轉(zhuǎn)爐煤氣受浮力的影響越明顯，擴散到地面所需的時間也越長，但煤氣在空間中的分布結(jié)構(gòu)大致相同；當(dāng)泄漏到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后，泄漏壓力對爆炸危險區(qū)域范圍影響較小，但隨著泄漏壓力的增大，爆炸危險區(qū)域與泄漏口之間的距離會稍有增大.

2.4 泄漏孔徑對爆炸危險區(qū)域范圍的影響

在無風(fēng)環(huán)境和泄漏壓力為5 kpa的條件下，探究泄漏孔徑的變化對爆炸危險區(qū)域范圍的影響.設(shè)定泄漏孔徑分別為 10，40，100 mm，通過統(tǒng)計整理模擬結(jié)果，得出不同孔徑下爆炸危險區(qū)域范圍與泄漏時間的對應(yīng)關(guān)系曲線如圖7所示.

圖7 不同泄漏孔徑下爆炸危險區(qū)域范圍隨泄漏時間變化曲線Fig.7 Variation curve of explosion hazard area range with leakage time under different leakage apertures

對比圖中三條曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泄漏孔徑為10 mm時，轉(zhuǎn)爐煤氣雖具有一定初始動量，但由于泄漏孔徑較小，泄漏出的煤氣在泄漏口附近保持較低濃度.在煤氣的射流作用下，泄漏口水平軸線1.8 m范圍內(nèi)均屬于爆炸危險區(qū)域.在泄漏發(fā)生10 s后，爆炸危險區(qū)域穩(wěn)定在2 m范圍內(nèi).當(dāng)泄漏孔徑增大至40 mm時，在泄漏壓力不變的情況下，煤氣的泄漏量增大，泄漏口附近的煤氣濃度大幅提升，1 s內(nèi)爆炸危險區(qū)域范圍會達(dá)到7.1 m.由于受到負(fù)浮力作用[13]，煤氣將繼續(xù)向下擴散，爆炸危險區(qū)域范圍也隨之?dāng)U大，25 s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，爆炸危險區(qū)域保持在11.8 m范圍內(nèi).當(dāng)泄漏孔徑為100 mm時，爆炸危險區(qū)域在泄漏10 s時達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其最遠(yuǎn)端與泄漏口的距離達(dá)到23.5 m.由此可見，泄漏孔徑的不同會直接影響轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏量，導(dǎo)致爆炸危險區(qū)域范圍大幅變化.隨著泄漏孔徑的增大，煤氣的擴散范圍增大，爆炸危險區(qū)域范圍也在增大.

2.5 標(biāo)準(zhǔn)對比分析

根據(jù)《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》（GB 50058—2014）來劃分比空氣重的可燃物的爆炸危險區(qū)域，發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)中僅將第二級釋放源15 m范圍內(nèi)劃分為二區(qū)，卻并未對環(huán)境風(fēng)速、泄漏壓力、可燃物泄出量的影響進(jìn)行定量說明.

綜合前文分析可知：當(dāng)環(huán)境風(fēng)速小于1 m／s時，爆炸危險區(qū)域范圍最遠(yuǎn)可達(dá)16.8 m，現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)并不能滿足防爆要求，在現(xiàn)場危險區(qū)域劃分時需作調(diào)整；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速增大至2 m／s以上時，標(biāo)準(zhǔn)可滿足防爆要求；在其他因素不變的情況下，僅改變泄漏壓力對爆炸危險區(qū)域范圍影響較小，三種泄漏壓力下爆炸危險區(qū)域均在規(guī)定的15 m范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)滿足防爆要求；泄漏孔徑對爆炸危險區(qū)域范圍影響顯著，當(dāng)泄漏孔徑為100 mm時，爆炸危險區(qū)域遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的15 m范圍，標(biāo)準(zhǔn)不滿足防爆要求.因此，在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)極力避免因檢修或故障造成的大孔徑泄漏情況.

3 結(jié) 論

（1）與轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏方向相同的環(huán)境風(fēng)對煤氣擴散有促進(jìn)作用，小于1 m／s的環(huán)境風(fēng)會擴大爆炸危險區(qū)域范圍，大于2 m／s的環(huán)境風(fēng)因稀釋作用會縮小爆炸危險區(qū)域范圍，使爆炸危險區(qū)域最終穩(wěn)定在7.2 m范圍內(nèi).

（2）泄漏壓力的變化對煤氣泄漏初始階段爆炸危險區(qū)域范圍影響較大，對煤氣在空間中分布的影響極小.泄漏壓力越小，煤氣受浮力影響越明顯，煤氣泄漏到地面所需時間越長.隨著泄漏壓力增大，爆炸危險區(qū)域的最遠(yuǎn)端與泄漏口的距離隨之增大.

（3）泄漏孔徑會直接影響轉(zhuǎn)爐煤氣泄漏量，其大小對爆炸危險區(qū)域范圍影響顯著.泄漏孔徑越大，爆炸危險區(qū)域越大.當(dāng)泄漏孔徑為100 mm時，爆炸危險區(qū)域范圍可達(dá)23.5 m.