障碍物对甲烷水平喷射火燃烧特性的影响*

2018-08-06张亦翔李玉星耿晓茹刘翠伟王武昌朱建鲁

中国安全生产科学技术 2018年7期

张亦翔，李玉星，耿晓茹，刘翠伟，王武昌，朱建鲁

(1.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东青岛 266580；2.山东省油气储运安全省级重点实验室，山东青岛 266580)

0 引言

对于输气管道和大型液化气储罐发生的泄漏扩散现象，火灾爆炸事故是最严重的灾害之一，不仅容易造成大量的人员伤亡和巨大的经济损失，给站场的安全生产带来了极大的隐患，还会对环境造成严重的破坏并可能引发不良的社会影响。为了有效防止喷射火灾的发生以及减轻火灾爆炸事故带来的损失，国内外学者已经对喷射火的燃烧机理[1-2]、火焰的传播特性[3-4]和影响因素[5-6]以及有效的抑制手段[7-8]展开了研究。

Gomez等[9]通过对丙烷气体在垂直方向的喷射火实验确定了气体火焰温度在速度方向呈先增加后减小的规律，建立了温度随传播距离的经验关系式；马子超等[10]研究了不同泄漏位置对外界环境的危害，认为水平喷射产生的辐射区域危害面积最大；Schefer等[11]分别研究了具有不同夹角的墙壁结构在固定距离对降低喷射火产生的危害效果；董炳燕等[12]通过FDS模拟研究了障碍物宽度对喷射火传播特性的影响，确定了最佳的障碍物阻挡宽度；杨宏伟等[7]通过软件模拟得到了障碍物在密闭空间对火焰传播的湍流加速作用；徐明高、丁以斌等[13-14]实验研究了不同障碍物结构、数量和位置对火焰传播的影响，但研究主要针对于深井隧道内的障碍物布置。喷射火的危害主要为火焰对人员或设备的冲击、在短距离内产生的高强度热辐射通量对周围设备的辐射损坏[15]。对以往事故总结发现，50%涉及喷射火灾的事故往往会导致一个或多个额外的事故后果，产生多米诺效应[16]。目前对于管道、储罐泄漏产生喷射火与障碍物的作用规律缺乏实验研究，且之前的研究多集中于重烃以及轻烃的预混气体喷射火，对于相对密度较小的轻烃水平喷射火的研究较少。因此，基于实验确定合适的障碍物高度和布置距离具有一定的工程意义。

鉴于此，本文以障碍物的高度以及障碍物与泄漏口的距离为研究对象，将不同置障工况下的火焰几何特征、温度和热辐射分布规律进行对比，得到不同条件下障碍物对甲烷气体水平喷射火焰的控制效果，为喷射火的事故预防和控制提供理论和技术上的指导。

1 实验方法及验证

1.1 实验准备

实验系统共包括4个部分：喷射系统、点火系统、数据采集系统和供气系统，如图1所示。喷射系统为长400 mm、喷口直径为∅=8 mm的圆管，障碍物尺寸为120 mm×120 mm，高度分别为120 ，180和240 mm的钢制立方体，放置在三角支架上置于喷射口正前方。点火系统由点火器、控制电源和控制器组成，点火器的工作电压为直流6 V，点火电极能量为6 J，位于喷口水平轴线位置。数据采集系统主要由K型热电偶(-40～1 300 ℃)、热辐射传感器(0～200 kW·m-2)、高速摄像仪和数据记录仪组成。其中，K型热电偶沿喷口轴向位置以150 mm的增量依次布置，测点2和3分别布置在障碍物前后位置；TS-10C辐射热流传感器与温度测点2和测点3在相同水平位置，与轴线垂直距离为300 mm。火焰的图像由高速摄像仪以3 000 fps的速度进行拍摄，捕捉火焰传播过程中几何形貌的变化；配气部分由甲烷气瓶(体积分数为99.99%)提供，流量由转子流量计通过阀门控制，满足实验条件下对不同流量的需求，其中转子流量计测量的气体流量以空气进行标定，所以将空气的流量转换为实际的甲烷流量，换算公式如下：

(1)

图1 实验装置示意Fig.1 Experimental devices schematic diagram

式中：q0和q1分别为空气和甲烷的流量值，m3/h；ρ0和ρ1为2种气体在20 ℃，101.325 kPa状态下的密度，值分别为1.205 kg·m-3和0.66 kg·m-3；P1，T1分别为甲烷在工作状态下的绝对压力、温度；P0，T0分别为空气在标准状况下的绝对压力和温度。

1.2 实验过程与数据处理

本试验在室温和标准大气压下进行，实验前连接喷射枪、流量计、甲烷气瓶、点火电极等，检查燃烧装置的完备性和密封性，将障碍物置于喷射口水平轴线位置，组装高速摄像机并与计算机连接。进气时打开阀门至转子流量计浮子跳动，开启点火器电源进行手动点火，同时触发高速摄像机，在水平方向形成稳定的燃烧火焰，开始采集数据和图像。

每组试验分别在达到稳定燃烧状态后，采集并记录温度和热辐射数据，高速摄像机拍摄速度为3 000 fps，图像选取在稳定燃烧大约7 s左右的火焰形态变化。试验完毕后将所取图像导入图像处理软件，通过调节像素识别捕捉火焰轮廓，每隔100帧记录火焰的高度和面积，用于分析不同置障工况下对火焰固有特性和诱导特性的影响。

1.3 误差分析

本次实验的误差主要由以下几个方面引起：温度测量采用的k型热电偶精度为±0.75%；热辐射传感器的精度为±3%；压力测量采用精密压力表，精度为0.02%。每组工况进行3次或3次以上的重复实验。表1为无障碍条件下进行的3次实验温度和辐射数据对比，稳定燃烧阶段的平均温度最大相对误差为7.8%，热辐射的最大相对误差为5.0%，均在可接受误差范围之内。

表1 重复性实验误差对比Table 1 Error comparison of repeatable experiment

2 结果分析

通过实验对喷射火的特征参数进行了量化分析，火焰高度选取在整个图像中火焰底部到顶部垂直距离的高度，从喷口到完全燃烧区域作为火焰的面积，火焰速度选用锋面传播速度来表示。

2.1 障碍物高度对喷射火焰特征影响分析

在出口速度和障碍物与泄漏孔间距不变的情况下，分析障碍物高度对喷射火的影响。根据工况1障碍物距离喷口为200 mm，气体的流量Q分别为1.6，2.1和2.9 m3·h-1，雷诺数Re在4 092～7 503之间，达到稳定燃烧的湍流状态。

2.1.1 火焰几何尺寸变化分析

图2为捕捉到的火焰外焰轮廓，用于计算火焰的高度和面积尺寸。因为火焰燃烧阵面为密度间断面，燃烧产生的脉动和震荡特性，在喷口处和火焰顶部产生失稳、变形和剥离导致部分燃烧片段较难捕捉，但相对于火焰整体轮廓仍属于可接受的误差范围。图2中，在Q=2.9 m3·h-1，d=200 mm时，增加障碍物对火焰的充分发展起到了良好的抑制效果，有效阻挡了可燃气体在水平方向的射流传播，火焰的高度和面积最大减小了8.8%和59.3%。由图3可知，在障碍物高为120 mm时，火焰的平均高度和面积分别为620 mm和41 000 mm2。而随着障碍物高度的增加，在垂直方向燃料与氧气的接触面积减小，燃烧强度下降，使火焰难以越过障碍继续传播，因此，火焰的高度和面积在纵向产生小幅的减小。

图4是3种不同流量下火焰高度和面积随障碍物高度的变化曲线，从图可以看出火焰的高度和面积均随着障碍物高度的增加而逐渐下降，且下降的幅度趋于平缓。在Q=1.6 m3·h-1，高240 mm障碍物的阻挡效果相对于120 mm的障碍使火焰长度和面积分别下降了8.1%和19.8%，说明高240 mm的障碍已经起到了较好的阻挡效果。火焰在纵向的燃烧逐渐趋于稳定，火焰锋面在气流卷吸作用下向上抬升的程度逐渐减弱，因此，从宏观现象表现为火焰长度和面积的大小趋于动态稳定。

图2 在Q=2.9 m3·h-1，d=200 mm时不同障碍物高度下火焰的变化Fig.2 Changes of flame shape at different height of obstacles under Q=2.9 m3·h-1, d=200 mm

图3 Q=2.9 m3·h-1，d=200 mm下障碍物对火焰几何形状的影响Fig.3 Obstacle effects on flame geometry under Q=2.9 m3·h-1, d=200 mm

2.1.2 障碍物对温度分布影响分析

图5为在障碍物距离喷射口d=200 mm时，不同泄漏速率下不同测试点温度随障碍物高度的变化趋势，实验中稳定燃烧时间大约持续10～30 s，随后关闭阀门，火焰温度逐渐衰减。在障碍物前方的测温点1看出，测点温度随障碍物高度增加而增加，随流量增大温差减小。测温点布置在距水平轴线右侧一定距离，在Q=1.6 m3·h-1时，泄漏量较小，障碍物高120 mm对火焰在纵向高度的阻挡作用有限，因此在障碍物上方可燃物与氧气接触面积较大，提高了火焰在垂直方向的传播速度和热释放率，导致在水平测点处温度略低，平均值为264 ℃。当障碍物高度增加到240 mm时，阻挡作用增强，可燃物在纵向与氧气混合减少，由燃烧造成的空气卷吸作用下降，导致火焰高度和燃烧面积减小。此时在障碍物前方测点处的温度较高，平均值为432 ℃。随着泄漏量增加，在3种高度障碍物前，燃烧的平均温度差距减小。因为增加气体流量，导致可燃气体与空气之间的预混距离增加。气体燃烧受到障碍物的干扰程度增强，表现出火焰的剧烈燃烧，因此，在障碍物前形成高温。而在障碍物后方由于有效的阻挡作用，火焰温度迅速下降。从图5中看出，当泄漏量在1.6 m3·h-1时，火焰不能越过方形障碍物，而增大泄漏量部分火焰沿障碍两侧向后方蔓延，在后方形成较高的温度场，但该处的温度远小于没有障碍时的情况。

图4 不同流量下火焰的几何形状Fig.4 Flame geometry under different flow rates

图5 障碍物前后测点的温度变化规律Fig.5 Changes of temperature before and after the test point

2.1.3 障碍物对热辐射通量影响分析

图6为在距离泄漏口d=200 mm时，稳定燃烧阶段障碍物前(测点1)和障碍物后(测点2)热辐射通量随时间的变化趋势。在3种流量下，热辐射通量均随着障碍物高度的增加而减小，说明提高障碍物的高度有效阻挡了热辐射通量的传播，当流量增加到Q=2.9 m3·h-1时，热辐射平均最大下降可达2 402 W·m-1。

表2对比了不同工况下障碍物抑制辐射传播的效果。当泄漏口与障碍物距离为200 mm时，阻挡效果最好，热辐射通量的下降幅度最大为64.1 %。当障碍物高度逐渐增加，控制热辐射衰减程度逐渐减低。由于可燃气体和空气的燃烧热为定值，当障碍物高度到达一定值并继续增加时，对于控制火焰的热流量传播幅度降低。而随着障碍物与喷射火之间距离增加，对于热流量的控制效果逐渐减弱，因此当障碍物布置在燃烧的最高温区域之外时，对抑制火焰的传播效果明显下降。

图6 障碍物前后测点之间的辐射变化趋势Fig.6 Changes of radiation before and after the test point

2.2 障碍物与喷射孔距离影响分析

在固定喷射速度和障碍物高度条件下，改变障碍物与喷射口的距离分析障碍物对后方温度和辐射传播的影响。

2.2.1 温度分析

从图7中看出当障碍物与喷射口距离从200 mm增加到400 mm时，高240 mm的障碍物形成的平均温降从950℃减小到250℃，高120 mm的障碍物平均温降从738℃下降到50℃左右。说明随着障碍物与喷射口之间距离的增加，障碍物控制温度下降幅度逐渐减小，此时障碍物对火焰传播的阻挡作用明显减弱。主要原因是甲烷喷射火在水平传播时受空气浮力影响，火焰抬升高度比重烃类气体大，因此随轴线距离增加火焰温度迅速下降。在d=300 mm时，火焰已经进入持续燃烧区，在障碍物前方形成火焰的高温区域，因此在障碍前后两侧产生的温度梯度较大，说明障碍物对温度的抑制效果与传播距离密切相关。当d=400 mm时，火焰已经进入完全燃烧的羽流扩散区，受空气浮力影响的抬升高度较高，此时障碍物对火焰的阻挡效果已经明显减弱，所以障碍物应布置在可燃物到达充分燃烧之前，产生较好的抑制效果。

2.2.2 辐射分析

通过热辐射的变化趋势可以明显看出，在d=200 mm时，3种流量下对辐射的抑制效果均大于50%，而随着障碍物与喷射口距离的增加，热辐射通量的下降幅度减小，障碍对于火焰传播的阻挡效果降低。因此根据实验确定合适的置障距离，有助于形成高效的阻燃区。