障碍物条件下的甲烷水平喷射火燃烧特性研究*

2019-11-12李玉星刘鹏耿晓茹刘翠伟张亦翔王建国

油气田地面工程 2019年10期

关键词：障碍物甲烷火焰

李玉星刘鹏耿晓茹刘翠伟张亦翔王建国

1山东省油气储运安全重点实验室

2中国航空油料有限责任公司青岛分公司

3大庆油田第四采油厂基建中心

近年来，随着天然气管道的运行时间和寿命的增加，一些管道已经锈蚀、变薄，加之地质灾害、腐蚀穿孔、第三方破坏等原因使管道发生泄漏而导致喷射火事故时有发生，由此造成的人员伤亡与社会财产损失不计其数，严重危害着人民生命财产安全与社会安定。

目前，国内外学者就喷射火的火焰形态[1-4]、抬升高度[5]、温度分布及热辐射场预测模型[6-9]等方面做了大量研究，已经总结出较为成熟的火焰预测模型，但在通过障碍物降低喷射火危害方面研究较少。SCHEFER 等[10]通过研究不同夹角的墙壁结构对降低喷射火造成的危害效果，发现喷射火焰的强度很大程度上依赖于火焰的几何形状和辐射强度；董炳燕等[11]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[12]通过数值模拟研究了在不同高度障碍物下火焰的发展和传播规律，发现障碍物在密闭空间对火焰传播的湍流加速作用；丁以斌等[13]主要针对深井隧道内的障碍物布置，通过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。目前障碍物对喷射火的影响研究多集中于重烃以及轻烃的预混气体喷射火方面，对于管道泄漏导致的甲烷喷射火这类轻烃与障碍物的作用规律缺乏相关实验研究。因此，基于实验确定合适的障碍物高度、宽度以及障碍物布置距离，对于完善相关理论、降低天然气事故危害范围具有重要的意义。

1 实验方法及验证

1.1 实验装置

为了研究障碍物对甲烷水平喷射火燃烧特性的影响，设计并搭建了实验装置，如图1所示。实验装置由喷射系统、点火系统、数据采集系统和供气系统四部分组成。喷射系统主要组成为长400 mm、喷口直径8 mm 的圆筒状喷射腔体。点火系统由电源、控制器和点火器组成，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、高速摄像仪和数据记录仪组成。其中，K 型热电偶测温范围为-40～1 300 ℃，沿喷口轴向位置以150 mm 的增量依次布置4个测温点，测点2和3分别布置在障碍物前后位置；火焰的几何形貌变化图像由高速摄像仪以3 000帧/s 的速度进行拍摄。供气部分由甲烷（体积分数为99.99%）气瓶提供，流量由转子流量计通过阀门控制。由于转子流量计测量的气体流量以空气进行标定，则甲烷的实际流量由公式（1）给出

式中：q0、q1分别为空气和甲烷的流量，m3/h；ρ0、ρ1分别为空气和甲熔在工程标准状况（20 ℃、101.325 kPa）下的密度，1.205 kg/m3和0.66 kg/m3；p0为空气在工程标准状况下的绝对压力，Pa；p1为甲烷在工作状态下的绝对压力，Pa；T0为空气在工程标准状况下的绝对温度，K；T1为甲烷在工作状态下的绝对温度，K。

图1 实验装置Fig.1 Experimental devices

试验所用障碍物为钢制立方体，置于喷射口正前方。在已知泄漏孔径、喷射流量以及障碍物位置不变的情况下，计算得到最大的火焰直径为35 mm，长度约为0.8 m（不超过1 m）。据此，为研究障碍物不同高度对水平喷射火燃烧特性的影响，设计障碍物尺寸分别为120 mm×120 mm×120 mm，120 mm×120 mm×180 mm，120 mm×120 mm×240 mm；为研究障碍物不同宽度对水平喷射火燃烧特性的影响，设计障碍物尺寸分别为120 mm×60 mm×120 mm，120 mm×120 mm×120 mm，120 mm×180 mm×120 mm。

1.2 实验步骤

（1）实验前准确连接设备，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。

（2）先喷气，对整个装置流程进行置换。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点火，在水平方向形成稳定的燃烧火焰，由数据采集系统采集数据。

（3）每个工况的持续时间约为1 min，实验结束后，待空气流通5 min 左右恢复到初始状态，再进行后续实验。

1.3 误差分析

实验主要误差来源：温度测量采用的K型热电偶精度为0.75%；精密压力表精度为0.02%；数据记录仪的精度为0.2%。每组工况进行至少3次的重复实验。表1为无障碍条件下进行的3次实验温度对比，稳定燃烧阶段的平均温度最大相对误差为7.8%，在可接受误差范围之内。

表1 重复性实验误差对比Tabl.1 Comparison of repetitive experimental errors

2 实验数据分析

2.1 障碍物高度影响分析

图2 在Q=2.9 m3/h、d=200 mm时不同障碍物高度下火焰速度分布Fig.2 Flame velocity distribution at different obstacle heights when Q=2.9 m3/h and d=200 mm

火焰燃烧速度分布图如图2所示，在无障碍时，火焰中心区域速度分布均匀，最大可达到14.4 m/s。由于阵面的不稳定性，火焰和未燃气体之间存在较大的速度差，导致外焰传播速度较弱，影响火焰的燃烧状态和形状。当障碍物的阻挡作用改变了流动气体的移动方向时，在障碍物表面边界层黏性力的作用下，可燃气体的动量减少，随着障碍物高度的增加，自由流动的截面积减小大大限制了火焰的传播速度。在图3中，当障碍物较低时，火焰前锋的传播速度为1.16 m/s，阻挡作用较弱。增加障碍物高度，可加速在火焰内部形成局部扰流，能够明显减弱火焰沿轴线方向的传播速度，使火焰前锋的平均传播速度下降到1.01 m/s，说明气体速度在较高障碍物表面下降明显，形成了较大的反向火焰速度，进而减缓了火焰锋面在速度方向的燃烧程度。

2.2 障碍物宽度影响分析

图3 在Q=2.9 m3/h、d=200 mm时不同障碍物高度下火焰前锋速度变化Fig.3 Changes of flame front velocity at different obstacle heights when Q=2.9 m3/h and d=200 mm

图4 在Q=2.9 m3/h、d=300 mm时不同障碍物宽度下火焰的变化Fig.4 Changes of flame at different barrier widths when Q=2.9 m3/h and d=300 mm

图5 在Q=1.6 m3/h、d=300 mm时障碍物对火焰几何形状的影响Fig.5 Effects of obstacles on flame geometry when Q=1.6 m3/h and d=300 mm

图4为Q=2.9 m3/h、d=300 mm 时不同障碍物宽度下火焰的变化。图5为不同障碍物宽度下火焰抬升高度和面积随时间的变化，在无障碍物的情形下，火焰的燃烧高度较高，且波动规律呈现先减小后增大的趋势，并且具有不规则性；当障碍物的宽度为60 mm时，火焰的燃烧高度增加，在549 mm 上下波动，波动范围在450～630 mm 之间，随着障碍物宽度的增加，火焰的燃烧高度先减小后增大；当障碍物宽度为120 mm 时，火焰燃烧高度在465 mm上下波动，波动范围在410～520 mm 之间，这是因为障碍物使火焰发生了伸展和褶皱，障碍物的前方诱导火焰向两边延伸，火焰的燃烧高度因此降低；在障碍物的宽度为180 mm 时，障碍物前端挡住了大部分火焰，使火焰向上延伸量相比宽度为120 mm时有所增加，火焰的燃烧高度在465 mm 上下波动，波动范围在480～630 mm 之间。对于火焰的燃烧面积来说，在无障碍物情形下，火焰的燃烧面积在7.76×104mm2上下波动，波动范围在4×104～1.15×105mm2之间，并且变化较大；在有障碍物的情形下，火焰面积变化相对稳定，基本的变化范围在1.5×104～6.5×104mm2之间。

整体来说，障碍物有效阻挡了火焰的传播，进而使火焰燃烧面积变小。障碍物阻挡了甲烷的水平射流，增大了火焰的横向宽度，使火焰尺寸在两侧方向被拉伸，并且随着障碍物宽度的增加，火焰的横向尺寸越来越大，同时在障碍物的前方截断了水平方向的射流速度，使火焰不能直接到达障碍物后方。燃烧过程中，火焰首次撞击障碍物形成的火焰尺寸最大，之后火焰尺寸变小并趋于稳定。障碍物的存在使甲烷喷射火发生强烈褶皱和伸展，燃烧表面积增大，使甲烷与空气化学反应速率和热释放速度增加，火焰尺寸增加。

如图6所示，温度测点为障碍物前后两温度测点，截取燃烧稳定阶段（25 s 左右）的障碍物前后温度随时间变化的曲线图可以看出：没有障碍物时，在同一测点温差变化为负值，并随着流量的增加，温差增大；在相同流量情况下，相同距离处，增加障碍物后，火焰燃烧达到稳定阶段，障碍物的阻挡作用随着障碍物宽度的增加出现先增大后减小的趋势；在相同距离情况下，随着流量的增加，障碍物对火焰传播的抑制效果先增强后减弱。这种现象的主要原因是甲烷喷射火在一定条件下受空气浮力影响较大，火焰抬升高度比重烃类气体大，因此随着轴线距离增加火焰温度迅速下降。在障碍物宽度为60 mm，较大流量情况下，部分火焰能够越过障碍，使障碍前后两侧产生的温度梯度较小；当障碍物宽度为120 mm 时，障碍物能够较好地阻挡火焰扩张，在障碍物边缘处的火焰向外延伸，增大了火焰的燃烧面积，火焰的燃烧速率增加，因此在流量最大时障碍物前后两侧产生的温度梯度最大；当障碍物宽度为180 mm 时，障碍物能够完全阻挡火焰，即使火焰向外延伸，也在障碍物的阻挡范围内，但是由于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。综上所述，为减小喷射火焰下游的危害，保证较好的抑制效果，需增加障碍物宽度。

2.3 障碍物距离喷射源间距影响分析

图7为障碍物与泄漏孔不同间距时火焰的变化图像，图8为障碍物距泄漏孔不同距离对火焰几何形状的影响分析曲线。在障碍物距泄漏孔的距离为200 mm 的情形下，火焰燃烧高度在488 mm 上下波动；当喷射距离为300 mm 时，火焰燃烧高度在587 mm 上下波动；当喷射距离为400 mm 时，火焰燃烧高度在572 mm 上下波动。由此可见，当障碍物在泄漏孔正前方300 mm 左右时，火焰的燃烧抬升高度最高，其他情形下，火焰的抬升高度变小，即随着障碍物的位置逐渐远离泄漏孔，火焰的燃烧高度先增大后减小。

图6 不同的障碍物宽度障碍物前后测点温差分布规律Fig.6 Distribution of temperature difference in front and at the back of obstacles with different barrier widths

对于火焰燃烧面积来说，在障碍物距泄漏孔的距离为200 mm 的情形下，火焰面积较小，且波动范围比较稳定，火焰面积在2.84×104mm2上下波动；当障碍物距泄漏孔的距离为300 mm 时，火焰燃烧面积变大，在3.328×104mm2上下波动；当障碍物距泄漏孔的距离为400 mm 时，火焰的燃烧面积在4.13×104mm2上下波动，原因是障碍物距泄漏孔的距离越远，火焰在横向被拉伸得越长，导致火焰的燃烧面积增加。整体来说，在该实验工况（障碍物与泄漏孔的距离为200 mm）下，障碍物有效阻挡了火焰的燃烧面积，并且喷射火燃烧引起周围空气的湍动程度较大，而空气的湍流运动又将会带动燃烧火焰形态进行无规则的快速变化，因此火焰面积呈现无规则变化。

对于不同泄漏流量的喷射火焰温度分布，PALACIOS 等[14]首先对垂直甲烷气体喷射火进行了实验测量。研究结果将火焰在轴向的温度分布划分为三个区域：①p≤40%，温度升高，轴向位置达到1 800 K 高温；②40%＜p＜70%，温度的平均值接近1 800 K，最高温度达到1 900 K；③p≥70%，温度开始下降，火焰顶部的最高温度仍大于火焰初始阶段。火焰温度分布作为中心线上轴向位置的函数如公式（2）所示

式中：T为中心线处的温度，K；p为轴向位置，%。

从方程中可以看出，随着流量的增加，喷射火焰的长度增加，但最大中心线温度在轴向位置60%＜p＜70%火焰长度范围内是几乎相同的，因此可以预测在不同流量下达到最高温度的传播位置。通过该式可以看出氧气和燃料的混合程度随着离开出口轴向距离而增加，故在火焰出口处温度随距离的增加而连续增大。在中心部分，氧气和燃料达到稳定的动态平衡，燃烧趋于稳定，温度达到最大值。在燃烧末段，燃料的质量开始下降，因此混合燃料程度下降，导致温度降低。图9为文献[15]中拟合曲线与实验值的对比。

图7 障碍物与泄漏孔不同间距时火焰的变化Fig.7 Changes of flame with different distances between obstacles and leak holes

图8 障碍物距泄漏孔不同距离对火焰几何形状的影响Fig.8 Influence of distance between obstacle distance and leak hole on flame geometry

图9 轴向温度分布和拟合曲线Fig.9 Axial temperature distribution and fitting curve

图9a 中看出，在三种喷射速度下，甲烷喷射火温度沿轴线呈先增加后减小的变化趋势，而火焰中心的最高温度基本位于火焰长度的40%～70%位置处。根据实验发现，轴线位置的温度分布与火焰长度呈正态分布规律，拟合的温度分布曲线如图9b 所示。当Q=1.6 m3/h 时，火焰温度的最大值为880 ℃，距喷射源位置大约38%处；当Q=2.1 m3/h时，火焰的平均最高温度达到810 ℃，距喷射源位置大约为42%处；当Q=2.9 m3/h 时，实验得到的火焰平均最高温度为750 ℃，距喷射源位置大约为46%处。因此在不同流量下，火焰形成的最高温度范围大约在火焰长度的40%～50%处。由于实验中传感器布置数量有限，所以在较大流量下测量的温度分布产生一定的偏差，造成在拟合曲线时最高温度位置偏低。由图可知，对于甲烷气形成的喷射火，火焰的运动受浮力影响较大，火焰抬升高度较大，所以在轴线末段温度下降幅度较大。因此对于障碍物的位置应该设置在达到稳定燃烧之前，即距离喷射源轴线位置的40%～50%处。