多工况下综合管廊燃气泄漏致火灾温度场分析

周庆辉， 肖 龙， 白宗杰， 刘李艳

(1.北京建筑大学 机电与车辆工程学院 北京市建筑安全监测工程技术研究中心, 北京 100044；2.北京市市政六建设工程有限公司， 北京 100023)

根据GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》的相关要求，燃气管线纳入综合管廊需要单独设置舱室. 然而天然气具有易燃易爆的特性，造成爆炸事故的可能性增加. 这是因为综合管廊属于受限空间，天然气管道一旦泄漏，极易形成高浓度区，达到爆炸极限，遇到火源从而发生火灾爆炸. 相关统计资料显示，我国每年发生的燃气事故在1 500起以上，每天平均发生5起燃气事故[1]，从博燃网和中国燃气网中也统计出2012—2015年共有3 927起燃气事故的具体信息[2]. 例如，在2017年，我国共发生燃气爆炸事故702起，造成1 100余人受伤，126人死亡[3]，所以对综合管廊燃气泄漏火灾的研究，是燃气安全领域内的重要研究内容，是燃气管道事故分析及评价、应急处理的重要依据，对于保护人身财产安全及事故预防具有重要的意义.

本文建立综合管廊燃气舱的三维几何模型，使用FLUENT软件计算流体力学，在多种工况条件下，对燃气舱内天然气的湍流燃烧进行数值模拟，得出天然气泄漏速度和空气流速对火灾燃烧的影响规律.

1 计算模型

1.1 燃气舱物理模型

图1所示是某综合管廊的剖面图. 根据该管廊实际尺寸，运用ICEM软件建立综合管廊燃气舱和天然气管道的几何模型和网格模型，并在管道的中间位置设置一个天然气泄漏口，网格划分采用非结构化网格，如图2所示.

燃气舱几何尺寸(长×宽×高)：20 m×1.8 m×3 m

泄露口尺寸(宽×弧长)：2 cm×10 cm

网格单元数量：1 122 751个

网格面数量：268 440个

节点数量：460 560个

1.2 天然气燃烧反应机理

天然气中含有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等烃类组分，还含有各种非烃组分(氮气、氦气、二氧化碳、硫化氢和水等). 甲烷及非烃组分达到汽液相平衡状态[4]. 由于天然气的主要成分是甲烷，天然气燃烧过程采用甲烷燃烧机理. 甲烷在低温条件下的基元反应是支链反应，过程如下[5-6]：

链引发：

CH4+O2→CH3+H2O；

CH4+O2→CH2O+OH；

OH3+CH→CH3+H2O；

OH+CH2O→HCO+H2O.

链分支：

CH+O2→H2O+HCO.

链传递：

HCO+O2→CO+HO2；

HO2+CH4→H2O2+CH3；

HO2+CH2O→H2O2+HCO.

链终止：

OH+器壁→销毁；

CH3+器壁→销毁.

天然气与空气混合燃烧后的主要产物是二氧化碳和水，因此可以通过分析燃气舱内二氧化碳的分布规律来探索混合气燃烧后的烟气扩散规律. 同时，综合管廊可以看作是狭长的受限空间，受限空间内可燃混合气的流动会受到通风系统的影响，因此还要考虑空气流动速度的影响.

1.3 燃烧模型

FLUENT软件中包含多种燃烧模型、辐射模型及与燃烧相关的湍流模型，适用于各种复杂情况下的燃烧问题. 本文采用组分输运模型模拟天然气燃烧反应，选择体积反应，开启入口扩散和扩散能量源. 湍流化学反应相互作用选取涡耗散概念模型(EDC).

1.3.1 组分输运方程

(1)

式中：Ds为组分S在介子中的扩散系数,cs为该组分的体积浓度,ρcs为该组分的质量浓度,Ss为该组分的生产率,xi为物理空间单位向量,ui是xi方向的体积力，t为时间.

1.3.2 涡耗散概念模型

(2)

式中：ρ为计算流体的密度，ε*为良好尺度的容积比率，τ*为时间尺度，Yi为预估物质的质量分数.

2 边界条件设置

利用FLUENT软件进行计算，需要对边界条件进行设置.

2.1 初始速度和压力条件

设置管廊燃气舱空气入口速度为0 m/s、1 m/s、2 m/s，湍流度为10%，出口压力为0；天然气泄漏口入口速度为60 m/s、200 m/s、340 m/s，湍流度为10%. 各工况参数设置见表1.

表1 工况设置

2.2 初始温度和组成条件

设置管廊燃气舱内空气温度和泄漏天然气温度均为300 K，管廊燃气舱内氧气组分为0.23. 为简化初始条件，天然气管道泄漏的天然气用甲烷代替.

燃烧过程中不考虑管廊内部空间与外界的热交换，管廊壁为绝热，且管廊壁作刚性壁面处理.

3 火灾燃烧仿真结果及分析

3.1 燃烧仿真结果

甲烷泄漏后，在泄漏气体动能和恒速空气流动的影响下，甲烷会在燃气舱的有限空间内扩散，并与空气混合燃烧，进行动量、热量和质量的交换，直至混合气浓度达到平衡，从而燃烧达到稳定状态. 图3为各工况对应的混合气燃烧达到稳态时，燃气舱轴向剖面的温度分布及二氧化碳分布云图.

各工况的云图分层形态基本一致，各工况下二氧化碳组分比例的等值线与管廊内等温线基本重合，并且二氧化碳组分比例高低的分布与管廊内温度高低的分布呈现一致性，说明二氧化碳的分布规律可以反映混合气燃烧扩散规律.

3.2 不同工况下燃烧的温度分布对比

从图3中各工况温度分布云图可以看出，各工况下的等温线基本都与管廊燃气舱的轴向几何中线相交，因此选择中线以反映燃气舱内的温度变化及分布规律，管廊轴向几何中线及样本点示意图如图4所示.

图5表示甲烷泄漏速度和空气流速对管廊内燃烧后温度分布的影响规律.

3.2.1 不同空气流速下燃烧温度分布

在空气流速为零的条件下，管廊温度分布以泄漏口为基准，向周边对称分布，这是由于甲烷从中间泄漏口自然扩散至两端，并与两端的空气形成可燃混合气.

管廊内空气流速为1 m/s、泄漏速度为60 m/s工况下，泄漏口位置处出现了温度极大值，说明泄漏初段的甲烷气流与空气混合形成了有利于充分燃烧的环境. 在泄漏速度为340 m/s工况下，泄漏口位置处出现了温度极小值，这说明高速泄漏的甲烷气流对温度具有发散作用. 在200 m/s泄漏速度下，高温几乎均匀分布于整个管廊内，泄漏口位置处的温度梯度较其他两者过渡的最为平缓. 以上表明：泄漏速度只有在适中时才会促进燃烧，泄漏速度过高或过低并不会加快燃烧反应.

2 m/s空气流速下，甲烷以60 m/s速度泄漏时，泄漏口右侧的温度变化呈现出由高温直线下降至常温的现象，说明该泄漏工况受空气流速的影响最明显. 相比之下，200 m/s速度泄漏工况下管廊内的高温段相对最长，且高低温过渡最平缓.

对比图5(a)～(c)，图5(a)表明管廊在无风时低温分布最均匀，图5(b)表明管廊在1 m/s风速时高温分布最均匀. 说明适当增加空气流速可以促进燃烧.

3.2.2 不同天然气泄漏速度下燃烧温度分布

甲烷以60 m/s的速度泄漏时，1 m/s和2 m/s空气流速工况下的温度分布曲线相似，在泄漏口左侧，1 m/s空气流速工况下管廊内的平均温度明显高于后者，表明过高的空气流速并不能对燃烧起到促进作用.

甲烷以200 m/s速度泄漏时，各空气流速下燃烧温度分布均表现出对称性，说明甲烷以200 m/s速度泄漏时，空气流速对燃烧温度分布的影响最小. 空气流速为1 m/s时混合气燃烧高温分布最均匀，说明该工况下混合气燃烧最充分.

甲烷以340 m/s高速泄漏时，3种空气流速工况下，泄漏口处温度分布都有波动，空气流速越大，泄漏口处甲烷和空气2种气流相互扰动作用越激烈，温度波动越激烈.

4 结论

1) 管廊内空气流速为零时，燃烧的温度以泄漏口为基准，向周边对称分布.

2) 对比几种不同工况，当甲烷以200 m/s的速度泄漏，且管廊内空气流速为1 m/s时，火灾燃烧导致管廊内的温度最高，且高温分布也最均匀.

3) 在相同的燃气泄漏速度下，适当增加空气流速可以促进燃烧，但过高的空气流速并不利于燃烧；在相同的空气流速条件下，泄漏速度过高或过低并不利于燃烧.

4) 燃烧所生成二氧化碳的浓度高低分布与管廊内温度高低的分布呈现一致性，从而二氧化碳的分布规律可以反映混合气燃烧扩散规律.