危险场所泄漏天然气爆燃的尖点效应研究

晏建波，王海蓉 (中山大学工学院，广东 广州 510006；广东省消防技术重点实验室，广东 广州 510275)

危险场所泄漏天然气爆燃的尖点效应研究

晏建波，王海蓉 (中山大学工学院，广东 广州 510006；广东省消防技术重点实验室，广东 广州 510275)

从区域之间的能量平衡出发，建立了描述泄漏天然气燃烧发展过程的尖点突变模型，结合通风条件以及火源参数，探讨了爆燃发生的必要条件。研究表明，在同一浓度下，如果通风面积增大到一定程度，天然气泄漏引发的燃烧较难转变为爆燃；在正常的燃烧范围内，前导燃烧越大，天然气浓度越高，越容易发生爆燃。

天然气；爆燃；尖点效应

泄漏后的天然气与空气的混合物遇明火会产生燃烧或爆炸现象，因其燃烧速度较慢，在开敞的环境下，一般不会由燃烧波转化为冲击波而对外做功、造成爆炸[1]。随着可燃物质贮存量增加和操作条件的日益严格，天然气在BOG(低温液体，Boil of Gas)压缩机房等受限空间内燃烧并转化为爆燃的可能性愈来愈大。为此，笔者从空间的区域能量平衡出发，建立了天然气爆燃的尖点突变模型，并探讨了爆燃发生的内部机制及其影响因素。

1 控制方程及其求解

1.1物理模型

注： LR、WR、HR分别表示模型的长度、宽度和高度，m；Wv、Hv分别表示通风口的宽度和高度，m。

采用区域模型[2]研究危险场所天然气爆燃的发生机制。爆燃区域模型图如图1所示。

1.2控制方程

以可燃物富集区为研究对象，建立如下能量平衡式[3-4]：

(1)

能量获得率G的定义式如下：

(2)

热通量qff的定义式如下[2]：

(3)

系统的能量损失包括燃气的焓损以及对壁面的辐射和换热损失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

对应温度状态的突跳，系统释放的热通量为：

(7)

2 计算结果分析

2.1爆燃时的温度和释热量

表1 不同浓度下天然气爆燃时的温度及热通量数据表

假定危险场所的长、宽、高为分别为1m， 通风口高度Hv=1m。天然气密度ρ=0.58kg/m3，定压比热cp=2205J/(kg·K)，汽化热hv=427098J/kg，反应热Hc=38121KJ/Kg，表面辐射率ε=0.4，辐射反馈系数αU=0.1, 指前因子k0=1.03， 热交换系数ht=1W/(m2·K)， 火焰传播半径R=0.15m。根据式(6)，确定预混气发生爆燃时的温度和所释放的热通量，计算结果如表1所示。

研究认为爆燃认定标准如下[8]：当温度超过873K、热通量超过20kW/m2时，爆燃容易发生。由表1可知，天然气的浓度为15%且通风口面积为0.4m2时，燃烧温度为865.15K，热通量为23.484kW/m2，基本符合爆燃认定标准；天然气的浓度为18%且通风口面积在0.4、0.5、0.6m2时，燃烧温度均达到了900K以上，且热通量都在23kW/m2以上，爆燃更易发生。因此，当天然气的浓度等于或超过15%时，容易发生爆燃。

2.2爆燃发展势态分析

以浓度为15%的天然气为例，当通风口面积为0.4m2、前导燃烧的火焰半径为0.08m时，控制参数μ=0.89。可燃气与进入的空气点燃后趋于自由燃烧，系统处于平衡态：天然气将从初始温度(约300K)开始点火燃烧, 然后平稳上升，并很快趋于自由燃烧(见图2(a))。

在同样的通风条件下， 如果火焰半径R增长为0.15m，前导燃烧的放热量将会大大提高，并导致能量在中压区聚集。这时，控制参数μ=-1.28，ν=0.415。因此，燃气温度从344K突跳至865K, 并且火灾势态随温度的增加而扩大，导致爆燃发生(见图2(b))。

当火焰半径为0.15m，而通风口面积为0.5m2时，μ=-0.96。天然气将从T=468K的定态点突然开始燃烧，并迅速升温发展至完全燃烧阶段。这时，系统处于平衡态与爆燃态之间的过渡态，其温度变化过程如图2(c)所示。

图2不同控制参数下的燃烧发展态势示意图

3 结论

(1)在同一浓度下，如果通风面积增大到一定程度，天然气泄漏引发的燃烧较难转变为爆燃。

(2)在正常的燃烧范围内，前导燃烧越大，天然气浓度越高，爆燃越容易发生。

[1]罗艾民，多英全，王汉平，等.受限空间泄漏天然气爆燃过程数值模拟及应用[J].中国安全生产科学技术，2007，3(5)：43-46.

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[编辑] 李启栋

O347.5+1

A

1673-1409(2013)22-0022-03

2013-05-01

广东省科技计划资助项目(2010B060900051)。

晏建波(1990-)，男，硕士生，现主要从事LNG储运与安全领域方面的研究工作。

王海蓉(1974-)，女，博士，讲师，现主要从事燃烧与安全领域方面的教学与研究工作；E-mail:wanghairong11@126.com。