综合管廊燃气管道泄漏模拟实验台的研制

张瑞达， 许淑惠， 袁欣然， 郝卿儒， 徐荣吉

(北京建筑大学 北京未来城市设计高精尖创新中心， 建筑用能国家级虚拟仿真实验教学示范中心， 北京 100044)

0 引 言

2014年起，国家开始大规模地投资建设地下综合管廊，2015年我国建成的综合管廊长度约为1 000 km，投资约880亿元[1]。综合管廊是指建于城市道路地下，用于容纳多种市政管线的公用设施[2]。综合管廊能够保障城市基础设施的安全，改善城市环境，众多的优势使之成为市政公用管线铺设的主流趋势和必要发展方向[3-4]。燃气管道在综合管廊中需要单独设舱[5]，而燃气管道属于高危管线，在管廊的密闭空间内，若发生泄漏会有爆炸危险，引起的后果非常严重[6]，所以需要研究燃气管道在燃气舱内发生泄漏时的扩散规律，以应对泄漏情况的发生，保障综合管廊的安全。

为了预防综合管廊事故的发生，李文婷结合上海市某综合管廊项目，运用 FDS 分析软件，对地下综合管廊电缆火灾烟气蔓延过程和热量传递过程进行模拟分析[7]；赵永昌等在隧道模型基础上，搭建了 1∶3∶6 的小尺寸地下综合管廊实体模型，对电力舱室火灾温度场进行研究[8]；方自虎等采用CO2代替燃气在管廊里一侧进行泄漏的方式建立管舱泄漏模型，用于燃气泄漏扩散模型实验[9-11]；胡敏华以深圳的大梅沙-盐田坳燃气共同沟为例，设计了包含管沟模型、气体释放装置和报警系统的实验台，模拟天然气在静风状态下的泄漏，可用于综合管廊报警的研究[12-13]。

通过阅读大量文献发现，国内外学者主要对综合管廊电力舱的火灾情况进行研究[14]，并且为研究燃气舱燃气泄漏情况所设计的燃气舱泄漏实验台较简单，没有考虑管廊的通风状态，只能进行静态实验。本文设计了一种能充分保证实验安全性和可靠性的综合管廊燃气泄漏模拟实验台，该实验台能对综合管廊内不同情况下的燃气泄漏情况进行模拟，通过分析实验测得的数据，可知道燃气泄漏后管廊内不同位置的燃气体积分数，用于对管廊燃气舱燃气泄漏后扩散规律的研究。

1 实验台方案设计

对北京某实际项目中综合管廊燃气舱进行分析，该燃气舱断面尺寸为1.7 m×3.4 m，其中燃气管道布置在管舱右侧，直径300 mm，由支座支撑，支座高500 mm，舱内留有1 m宽的检修通道以及预留燃气管线，如图1(a)所示。燃气管舱以200 m长度划为一个防火分区，并采用防火门分隔开，在燃气管舱内，当燃气泄漏后，防火门关闭，可控制燃气扩散区域在一个防火区间内，然后通过排风井将燃气排出管舱，所以将模拟的燃气管舱长度定为200 m。为对燃气舱内发生燃气泄漏后的模拟结果形象描述，需定义管舱内观测面。因此，以A—A断面为观测面，如图1(b)所示，观察燃气的扩散情况。

按照实际项目中的燃气舱设计模拟实验台，根据流体力学中的相似理论以及搭建实验台的场地面积，选择按照比例1∶20对实际燃气舱设计实验台尺寸，搭建实验台并进行模拟实验。同样地，按比例缩放A—A观测面，将其作为实验管廊模型的观测面，用于在实验时观察燃气的扩散情况。实验台燃气舱断面尺寸为85 mm×170 mm，长度为10 m，由于燃气管道体积占整个管舱空间的1.22%，因此不再敷设燃气管道，并采用针头泄漏的方式代替燃气管道破损泄漏。由于整个实验台长度为10 m，扩散区域较短，因此将泄漏口设计在实验台中靠近进风口的一侧。

图1 北京某项目综合管廊燃气舱 (mm)

由于实验台搭建的场地在室内，考虑到实验的安全性，采用其他气体代替燃气在空气中泄漏的实验方法。通过分析燃气的物性条件、相对密度以及其他参数，选择无毒且常见的气体进行替代。发现可用N2气体代替燃气，CO2气体代替空气。管廊内燃气管道输送的燃气为天然气，天然气的主要成分是CH4[15]，燃气与空气的密度比为0.63～0.68，而N2与CO2在常温常压下的密度比为0.642，两者密度比较接近，因此认为采用N2代替燃气，CO2代替空气的模拟方法是可以的。

实验设计原理图如图2所示，实验气体为纯度99.999%的N2和CO2，储气气瓶出口压力可调。首先CO2气体通过进风口流入整个模型管廊中，当管廊模型充满CO2时，开启N2气瓶以及电磁阀，使N2在充满CO2的管廊模型中泄漏，使用气体采样系统对管廊观测面10个测点的混合气体进行同时采集，然后使用数据处理系统对将采集后的混合气体进行成分和含量的分析。

2 实验台搭建

2.1 综合管廊模型

综合管廊模型包括管廊本体、进风井、排风井、实验台支架等。管廊本体材料为有机玻璃材质，采用分段式设计，便于安装和连接。管廊本体长度为10 m，分为8段，每段长度为1.25 m，用法兰和固定螺母连接，同时在连接处设置垫片，以保持管廊本体的密闭性。为了定量分析管廊内不同位置、同一时刻的气体含量，在每段管段侧面设有多个采样点，配合气体采样系统使用。泄漏口所处的分管段在侧面上部和中间位置设均有采样孔，其他管段只在中间位置设有采样孔。每个采样孔都设有一个圆形垫片，以此密封和固定采样装置的针头。具体位置如图3所示。

图2 实验台设计原理图 (mm)

(a) 泄漏口所处分管段

(b) 管廊管段采样点位置

搭建综合管廊实验台时用进风井和排风井代替实际管廊中的进风口和排风口，进风井和排风井断面尺寸为0.07 m×0.07 m。在整座实验台的两侧分别设有挡板，模拟燃气管舱的封闭防火区。管廊管段进风口侧连接CO2气瓶，开启CO2气瓶的阀门后，高纯度CO2气体从CO2气瓶中流出，通过进气软管进入进气井，再通过稳定气流用的均流板后，流入管廊内部。在第3段管廊管段，距进风口3.125 m且距管廊侧面27.5 mm处的底部钻有小孔，设为泄漏孔，泄漏点针头插入到泄漏孔内。泄漏口处针头卸取方便，可换不同直径的针头进行实验，针头直径最小为0.16 mm，最大达到1.26 mm，泄漏点针头既可以采用径向开孔，也可采用侧面开孔，针头可绕直径实现360°转动，从而模拟不同的泄漏口大小和泄漏口方位的泄漏过程。高纯度N2从N2气瓶中流出，可通过气瓶阀门调节泄漏点N2出口压力，N2通过进气软管和泄漏点针头，由管廊底面泄漏孔进入管廊内。在LabVIEW软件上控制电磁阀的开关，可以调节N2的泄漏过程。实验后，管廊中的混合气体由排气井经排气软管排出。通过设置不同的实验工况，可用于研究燃气泄漏后气体扩散影响因素，设置工况见表1。

表1 实验工况设置表

为方便观察和操作，实验台支架材质采用标准铝合金型材，通过标准的直角连接件和螺钉固定，高度可调，将支架高度调整到方便操作的高度即可，实验台支架上设有纵梁以方便安装和调整采样装置。图4为综合管廊燃气管道泄漏扩散实验台，示意图中仅选择两个管廊管段进行示意图展示，实际实验台有8节管廊管段。

(a) 实验台示意图

2.2 气体采样系统

气体采样系统可实现在同一时刻对不同位置的采样点进行采样，该系统包括直流电源、电磁继电器、数据采集卡、电脑控制、气体采集装置，如图5所示。其中电脑负责控制整套系统的采样，数据采集卡型号为NI USB-6210，负责控制电磁继电器的开关和换向。电磁继电器控制采样装置中电磁缸的通电断电及电流流向，从而进行采样和复位操作。气体采样装置固定在实验台支架上，主要由电磁缸和注射器构成，电磁缸型号为HF-TGA-50-24-10，负责拉伸和推送注射器芯杆。采样装置上有卡座，可卡住注射器芯杆，注射器的针头通过采样点伸入到管廊的观测面处的位置。

图5 气体采样系统原理图及气体采集装置实物图

使用LabVIEW软件编程，该程序可实现控制N2泄漏开关、采样时长、气体采集装置的采样与复位操作等操作，并自动记录N2泄漏时刻以及每次采样时刻，实时显示N2压力，采样界面如图6所示。首先设置采样时长即规定了采气量的多少，点击采样后，气体采集装置中电磁缸带动注射器活塞芯杆向后拉伸，采集泄漏后的N2和CO2混合气体，人工取下注射器，电脑点击复位后在换上新的注射器，进行下一轮的采样操作。采样结束后，可从电脑上导出每次采样时刻，与泄漏时刻相减后即为泄漏后每次取样的时间。

图6 采样程序界面

2.3 检测装置

实验中需要收集流速、流量、压力、温度等数据，现将主要检测装置汇总于表2。

表2 检测装置

图7 数据处理系统

2.4 数据处理系统

数据处理系统由气相色谱仪(GC-2001)、N2000型色谱工作站、氢气发生器(THH-300)三部分组成(见图7)。该数据处理系统可以测试气体采样系统收集的混合气体中N2和CO2的体积分数。在测试前，采用校正归一法对气相色谱仪进行校正，之后注入采样装置收集的混合气体，点击安装在电脑上的色谱工作站软件中的采集数据按钮，然后查看色谱软件上的N2和CO2体积含量。在色谱工作站中读取数据文件后，将数据保存在自制表格中，与测点位置和采样时间对应。

3 实验台的可行性验证

3.1 静态过程燃气泄漏实验

3.1.1实验步骤

在注射器架子上同时放置20个序号从1～20排序好的注射器，例如，1号采样点配有1-1～1-20的注射器，取样时，按顺序换取注射器。

实验过程选取的针头为0.16 mm，具体实验操作步骤为：

(1) 手动开启CO2气瓶的阀门，使高纯度CO2经进气软管和进气井进入到管廊内。

(2) 用便携式CO2检测仪检测排风口的CO2含量，达到99%以上时，视为管廊模型中充满CO2气体。然后关闭CO2气瓶阀门，制造管廊内无风状态，此时，记录温度为15°C。

(3) 每个气体采集装置卡座上放上序号为1的注射器，开启N2气瓶阀门，在电脑软件中点击开启N2泄漏按钮，此时高纯度N2经泄漏点针头进入到管廊内，模拟地下综合管廊中燃气管道的泄漏扩散过程。手动调节N2气瓶减压阀，调节出口压力为0.2 MPa，观测质量流量计，记录泄漏流量为2.1 L/min。

(4) 点击采样系统界面的采样按钮，10个不同位置的气体采集装置同时进行采样，采样结束后人工取下注射器，放置在注射器架子上，点击复位，按顺序换上下一序号的注射器，依次在每个采样点采集10管注射器的混合气体。

(5) 采样结束后，用橡胶塞封住注射器出口，按顺序排列在架子上，等待分析。然后在电脑上点击关闭N2泄漏按钮，并手动关闭N2气瓶阀门。

3.1.2实验结果

实验完成后，将待测样品拿至数据数理系统处，使用气相色谱仪对注射器中N2体积分数进行测量，测量后发现有效测点为7个。现将7个采样点N2体积分数在不同时间的变化情况汇总在表3。

表3 不同泄漏时间下采样点的N2体积分数 %

3.2 FLUENT模拟验证

按照实验台的实际尺寸建立综合管廊燃气泄漏实验台物理模型，使用FLUENT软件进行模拟计算。设置泄漏口处边界条件为与静态过程燃气泄漏实验工况相同的边界条件，分别模拟燃气在空气环境中泄漏和N2在CO2环境中泄漏两种情况。

在运算的过程中监测这7个采样点的泄漏气体的体积分数变化，运算到107 s时结束模拟，导出这7个采样点的泄漏气体含量，将软件模拟结果与实验结果对照，如图8所示。

图8 不同采样点泄漏气体体积分数实验与模拟对比结果

通过对7个采样点处气体的体积分数对比，发现CH4在空气中泄漏的模拟结果比较贴近实验结果，并且N2在CO2中泄漏的模拟结果与实验结果变化趋势一致。虽存在一定的偏差，但误差范围在20%以内，证明该实验台模拟综合管廊燃气管道泄漏扩散过程是可行的。分析误差产生的原因：实验中测量N2的体积分数时存在由实验设备精度等原因导致的随机误差；实验气体选用的是空气中成分比例最大的N2，在采样之前注射器内含有一定量的空气，在气相色谱处理数据时都默认为N2；在泄漏N2之前，空气会渗入管廊模型或上次实验泄漏的N2未被排尽，导致在采样时N2含量增加。

4 结 语

研制的综合管廊燃气泄漏模拟实验台可实现对真实管廊中燃气管道泄漏情况的模拟。使用FLUENT软件，设置与实验工况相同的条件，分别模拟N2在CO2中泄漏和CH4在空气中泄漏两种情况，并与实验台测得数据对比分析，发现误差在合理范围之内，证明采用N2在充满CO2气体的管廊模型中泄漏代替燃气在燃气管舱内的泄漏模拟方法可行，并且运用该实验台进行实际综合管廊中燃气泄漏情况模拟，研究燃气泄漏后扩散规律是可行的。另外，该实验台可设置不同的实验工况，研究燃气泄漏后气体扩散影响因素。为充分认识综合管廊内燃气管道泄漏扩散情况，有效预测泄漏事故范围，进行泄漏事故后处理，建立完善的燃气舱运行条例和国家标准，提供了安全、可行的实验装置。