点火位置对污水管网可燃气体爆燃特性影响模拟研究*

2019-11-06吕鹏飞张家旭刘开沅邱士龙

中国安全生产科学技术 2019年10期

吕鹏飞，张家旭，梁涛，刘开沅，庞磊，杨凯，邱士龙

(北京石油化工学院安全工程学院，北京 102617)

0 引言

市政污水管网是城市公共基础设施的重要组成部分，由于尺度大、分支多、密闭性强，其内往往积聚可燃气体，极易发生气体爆炸事故并造成大量人员伤亡和财产损失。例如，2013年中国山东省青岛市“11·22”中石化东黄地下输油管道发生泄漏，挥发油气在市政排水暗渠内积聚遇火花发生爆炸，造成62人死亡、136人受伤；2014年中国台湾高雄“8·1”地下燃气管道泄漏爆炸事故，泄漏燃气沿排水箱涵扩散遇火源发生爆炸，造成30人死亡、310人受伤。针对市政污水管网开展可燃气体爆炸灾害防治研究尤为必要。

目前，学者们对市政污水管网等典型受限空间气体爆炸开展了一系列研究。彭述娟[1]借助实验和数值模拟手段，建立了基于风险矩阵的污水管道气体爆炸风险评估模型；冯长根等[2]模拟研究了独头巷道中点火位置对瓦斯爆炸后果的影响，结果表明点火位置离封闭端越近，各个测点上的超压越大；Kindracki等[3]实验研究了在竖直密闭管道底部、中部和顶部点火对甲烷-氧气混合气体爆炸超压的影响，发现中部点火时最大爆炸超压最大，底部点火次之，顶部点火最小；Chao等[4]实验研究了圆柱状泄压容器内点火位置对甲烷爆炸超压峰值的影响，发现中部点火时超压形成“双峰值”现象；曹勇等[5]利用高速摄像、纹影技术和压力测试系统对不同点火位置及不同破膜压力条件下氢气-空气预混气的泄爆特性进行研究，结果表明在前端点火条件下出现了声学振荡现象，对内部压力产生显著影响；李国庆等[6]研究了不同点火位置对油气爆炸超压特性的影响，结果表明中部和口部点火时，超压曲线振荡明显；Guo等[7]实验研究了点火位置对小长径比容器内氢气-空气混合气泄爆过程的影响，发现中部点火能形成最大内部爆炸超压，口部点火能形成最大外部爆炸超压，而且2种情况下外部火焰长度比底部点火更为明显；任少云[8]研究了密闭圆柱罐内甲烷-空气不均匀分布对混合气体燃烧的影响，发现在容器上部点火时，分层混合气体的火焰传播较快，其最大瞬态火焰传播速度、超压峰值均大于均匀混合气体的数值；何学超等[9]通过自行设计的90°弯曲管道燃烧平台，研究了不同点火位置对丙烷-空气预混火焰传播特性的影响，结果表明水平点火条件下火焰阵面从层流燃烧转变为湍流燃烧，而垂直点火条件下，基本处于层流燃烧状态；王涛等[10]研究了在半封闭实验管道敞口端点火条件下甲烷-空气爆炸火焰的形态变化，发现火焰传播呈现出明显的震荡现象，火焰锋面在正向-反向-正向的循环中不断向管内传播；王超强等[11]在12 m3密闭空间内开展了甲烷-空气预混气体爆炸实验，分析了有泄爆口时点火位置对爆炸火焰形态的影响，得出尾部点火和中心点火时火球大小和火焰喷射长度远大于前端点火；孙从煌等[12]研究了点火位置对密闭管道中氢气-空气燃爆特性的影响，结果表明点火位置距管左端壁面越远，中间节点处温度越高，温升越快。此外，杜扬等[13]、李国庆等[14]将点火位置设置在水平管道一端，对水平管道和竖直管道组成的T型结构管道开展油气爆炸特性实验研究。

综合目前研究成果发现，尽管对不同点火位置条件下可燃气体在复杂结构管道中的爆燃特性开展了研究，但未充分结合市政污水管网结构和尺寸特点，对其内可燃气体的爆燃特性、灾害演化等研究相对不足，而且针对在竖直管道内点火，开展气体爆炸由竖直管道向水平管道传播的过程及规律研究目前较少涉及，制约了市政污水管网爆燃灾害机理的揭示及防治技术的发展。鉴于此，本文结合市政污水管网实际特点，研究了不同点火位置对甲烷爆燃压力、温度和火焰传播速度的影响，为市政污水管网甲烷爆燃事故预防及相关标准制定提供依据。

1 数值模型

1.1 数值方法

研究不同点火位置对市政污水管网甲烷爆燃特性的影响，借助三维流体动力学模拟软件Fluidyn-MP进行模拟，该软件是由法国Fluidyn公司开发的多物理场仿真软件，可用于三维受限、半受限和开放空间爆炸仿真，软件中假设可燃气体爆炸为单步不可逆化学反应，采用有限体积法对包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等一系列方程组进行求解来解决气体爆炸过程中的气体动力学行为，并通过湍流模型模拟气体爆炸中的湍流行为。

1.2 数值模型实验验证

为了验证数值方法的有效性，本文将数值模拟结果与课题组前期开展的实验结果[15]进行对比。实验是在管道内进行的甲烷-空气混合物的爆燃，实验管道如图1所示。该管道由5段圆形短管组成，编号依次为1，2，3，4，5，其中1号短管长度为0.497 5 m，其余4段长度均为0.995 m，各段短管之间通过圆形法兰连接，构成1根总长为4.477 5 m的直管。管道内径为0.199 m，壁厚为0.01 m，最大耐压约为5 MPa。实验时管道左侧开口、右侧封闭且为点火端，在2号和3号短管之间夹1层塑料薄膜，并在1号和2号短管内充入甲烷后静置，确保管道内空气与甲烷混合良好，甲烷的体积浓度约为10.2%。在管道上安装5个压力传感器，距离右侧点火位置的距离与管道内径的比值(L/D)分别为1.25，5，10，15，20。

图1 实验管道Fig.1 Experimental pipeline

根据实验条件，利用流体动力学软件Fluidyn-MP建立数值模型，保证管道尺寸、测点位置与实验一致，在管道内充满10.2%的甲烷，将管壁设置为绝热光滑，初始压力为0.1 MPa，初始温度为298 K。将数值模拟结果与实验结果进行对比如图2所示。

图2 数值模拟与实验峰值超压对比Fig.2 Comparison curve of numerical simulation and experimental peak overpressure

由图2可知，数值模拟与实验峰值超压曲线相近，均随着L/D的增加呈现先增大后减小的变化趋势，其中绝对误差均值为1.5 kPa，相对误差均值为7.9%，其原因与实验管道的粗糙度、壁面散热、压力传感器的精度和灵敏度等因素有关。通过数值模拟与实验的对比验证，本文的数值模拟结果具有较高的置信度，采用的数值方法较为可行。

1.3 模拟方案

市政污水管网广泛存在于城市的道路支线上，普遍由竖直检查井和水平井构成。其中检查井直径约为0.7 m，深度一般为2～6 m，2个检查井间距为50 m左右，水平井直径为0.4～1.0 m。污水管网内往往积聚甲烷等可燃气体，在点火源作用下极易发生爆炸事故。此外，受施工环境和条件的影响，实际市政污水管网极其复杂，往往存在转弯、分支、交叉等复杂结构形式，不同位置管网尺寸差异较大。为便于分析，数值模拟时对市政污水管网进行简化，利用对称性建立了由顶端封闭、深度为4 m的竖直检查井和两端开口、左右两侧长度均为20 m的水平井构成的数值模型，如图3所示，检查井和水平井的截面尺寸均为0.7 m×0.7 m。在模型内设置测点用于监测爆燃压力、温度等数据，其中测点1～11布置在水平井内，相邻测点间距为2 m，测点12布置在水平井与检查井中心线相交处，测点13～21布置在竖直检查井内，相邻测点间距为0.5 m。

图3 数值模型示意Fig.3 Schematic diagram of numerical model

为研究不同点火位置对市政污水管网甲烷爆燃特性的影响，设计3种模拟方案，其中点火位置分别在检查井上部(监测点21)、中部(监测点17)和下部(监测点13)。考虑到污水管网内可燃性气体主要成分为甲烷，模拟时对气体成分进行简化处理，将检查井和水平井内充满9.5%的甲烷，采用绝热光滑边界面条件，初始压力为101.325 kPa，初始温度为298 K。

2 结果与讨论

2.1 爆燃压力影响分析

选取水平井左侧端口测点1、中间测点6、水平井和检查井相交测点12、检查井中部测点17作为考察点，根据模拟结果，得到点火位置分别在检查井上部、中部和下部时各测点压力时程变化曲线如图4所示。

图4 不同点火位置下的压力时程变化Fig.4 Curves of pressure vs.time under different ignition position

由图4(a)可知，当检查井上部点火时各测点的压力时程变化趋势相似，随着时间的增加爆燃压力逐渐增大到峰值而后迅速衰减，这主要是因为甲烷被点燃后，加速燃烧膨胀放出巨大的能量，爆燃压力上升并达到最大值，随后甲烷燃烧完全，产生的能量在两侧端口泄放造成爆燃压力衰减。0.3 s后爆燃压力出现反复振荡，分析认为爆炸波从左侧端口传出使水平井和检查井内部负压增大，空气倒吸造成压力振荡，各测点表现为明显的亥姆霍兹振荡，此现象Hisken等[16]、Wan等[17]通过实验也得到了验证。此外，由图4(b)，4(c)可知，当检查井中部和下部点火时，压力时程变化与图4(a)表现出类似的特征。为进一步对比分析，根据模拟结果得到检查井上部、中部和下部点火时各测点压力峰值变化曲线如图5所示。

图5 不同点火位置下的压力峰值变化Fig.5 Change of peak pressure under different ignition position

由图5可知，检查井上部、中部和下部点火时，各压力峰值曲线变化趋势一致，并以测点7为临界点呈现出明显的分段性。其中测点7～1压力峰值逐渐下降，并在测点1(水平井左侧端口)处出现最小值，3条曲线基本保持重叠；测点8～21的压力峰值处于平稳状态，当在检查井上部点火时，峰值压力保持在154.9 kPa左右；当在检查井中部点火时，峰值压力保持在152 kPa左右；当在检查井下部点火时，峰值压力保持在156.6 kPa左右。分析认为，当在检查井上部、中部和下部点火时，随着爆炸反应的进行压力逐渐增大，由于检查井顶端封闭，造成检查井及其相连的水平井内部分区域(测点8～21)可燃气体分子间的碰撞几率增加，化学反应程度加剧，爆燃压力峰值维持在较高水平，而在水平井左侧端口及附近区域(测点1～7)，受端口泄压效应的影响，爆炸过程中释放出大量的压力，同时，未燃气体从端口处泄放减少了反应物含量，造成压力峰值出现不同程度的衰减。

2.2 爆炸温度影响分析

在不同点火位置条件下，选取水平井左侧端口至点火位置区域作为考察范围，得到点火位置分别在检查井上部、中部和下部时测点爆炸温度峰值变化曲线如图6所示。

图6 不同点火位置下的温度峰值变化Fig.6 Change of peak temperature under different ignition position

由图6可知，当点火位置分别在检查井上部、中部和下部时，各温度峰值曲线变化趋势基本一致。其中在点火位置附近，爆炸温度峰值维持在较高水平并出现最大值，分别为2 414 ，2 385和2 338 K，可见上部点火时数值最大，中部点火时数值居中，下部点火时数值最小。分析认为，由于检查井和水平井内充满9.5%的甲烷，处于化学当量浓度，当点火位置分别在检查井上部、中部和下部时，点火后甲烷在较短时间内快速反应，并释放大量的热，温度迅速增加到峰值。由于检查井顶端封闭，抑制了爆炸能量的逸散，而且对检查井内爆炸温度的维持起主导作用，而水平井两端开口，促进了爆炸能量的逸散，“抑制”和“促进”双重作用造成爆炸温度峰值出现在点火点附近。此外，当点火位置分别在检查井上部、中部和下部时，检查井抑制爆炸能量的逸散作用逐渐减弱，而水平井促进爆炸能量的逸散作用逐渐增强，但检查井抑制爆炸能量的逸散作用对点火点附近爆炸温度的维持仍然占主导地位，因此，造成爆炸温度峰值逐渐减小但相差不大。

此外，由图6可知，在水平井内，随着爆炸过程向左侧端口发展，爆炸温度峰值逐渐减小，在水平井内近似呈线性衰减并在端口处出现最小值，3种情况下分别为2 012.4，2 012和2 093 K。分析认为，随着测点与水平井左侧端口距离的逐渐减小，水平井促进爆炸能量的逸散作用逐渐增强，并对爆炸温度的影响起主导作用，因此，造成水平井内温度峰值近似呈线性衰减并在左侧端口出现最小值。

2.3 火焰传播速度影响分析

选取水平井左侧端口至点火位置区域作为考察范围，得到点火位置分别在检查井上部、中部和下部时各测点火焰传播速度变化曲线如图7所示。

图7 不同点火位置下的火焰传播速度变化Fig.7 Change of flame propagation velocity under different ignition positions

由图7可知，当点火位置在检查井上部(测点21)和中部(测点17)时，两者火焰传播速度变化趋势相似，随着与点火位置距离的增加火焰传播速度逐渐增大，但在检查井拐角附近(测点13～11)出现下降，而后沿水平井至左侧端口(测点11～1)火焰传播速度又逐渐增大。当点火位置在检查井下部时，在检查井拐角附近火焰传播速度先增大后小幅减小，而后沿水平井至左侧端口又逐渐增大。

分析认为，可燃气体在检查井内点火后，反应初期火焰缓慢发展，在点火位置附近传播速度较小，与点火位置在检查井下部相比，当点火位置在检查井上部和中部时，检查井为爆炸反应的加剧和火焰的快速发展提供了较长的物理空间，造成火焰传播速度明显增大。同时，当火焰由检查井底部传播到水平井时(测点13～11)，由于截面面积突然增大，扩容现象明显，造成火焰传播速度衰减显著，分别由125 m/s减小到63 m/s，由71.4 m/s减小到41.2 m/s，降幅分别为49.6%和42.3%。而点火位置在检查井下部时，由于点火位置与水平井垂直距离较短，火焰发展后的速度相对较低，在检查井和水平井交界面的扩容现象对火焰传播速度影响较小，因此由测点13～11火焰传播速度呈现出先增大后小幅减小，即由0 m/s增加到5.65 m/s而后减小到4.25 m/s。此后，当爆炸由竖直检查井发展到水平井并在其内传播时，前驱爆炸冲击波对水平井内未燃气体进行压缩，使其向前运动并产生湍流，加速了燃烧过程，造成火焰传播速度逐渐增大。此外，由于水平井左右两端开口且长度均为20 m，为爆炸火焰的发展提供一个半开敞空间，端口处的泄爆过程造成火焰进一步加速，因此，沿水平井至左侧端口火焰传播速度呈线性增长，并在端口处出现最大值，在检查井上部、中部和下部点火3种情况下速度分别为306，306.2，331.7 m/s。