燃气燃火特效剧场的有害物质散发特性及适宜的通风技术措施研究

北京市公用事业科学研究所 朱禹洲 高春梅北京市燕山工业燃气设备有限公司 侯翠翠

1 概述

室内燃火特效剧场是指在室内剧场使用可燃气体或液体制造火焰、喷火、爆炸等特效表演的场所。由于燃火特效演出能极大地提升演出的感染力和表现力，受到了众多演出导演的追捧，近年来燃火特效系统的应用呈逐渐增多的趋势。

燃火特效表演采用明火进行表演，且表演时会在很短的时间内燃烧大量的燃气，污染物瞬时散发量大，可能造成空间内污染物严重超标。为了确保这类项目的安全，笔者所在团队起草了国内首个室内燃火特效工程的技术规程，并对其有害物质的散发特性及通风关键技术措施进行了研究。依照该技术规程，笔者建议室内燃火特效剧场仅使用天然气作为燃料，因此本文只对采用天然气为燃料的室内燃火特效剧场进行分析。

2 燃火特效剧场特征

燃火特效剧场室内区域主要包括：观演区、表演区、背景区。表演区是燃火特效表演的区域，区域内设有燃气管道、特效燃烧器、监控设备及灯光、音响等设备；背景区主要用来搭建、投影场景，配合表演区进行艺术渲染，亦可兼作演出后台使用。典型燃火特效剧场的分区见图1。

图1 典型燃火特效剧场的分区

为配合表演，燃火特效燃烧器可采用多种类型，提供不同的火焰效果，常见燃火特效燃烧器工作参数见表1。

表1 常见燃火特效燃烧器工作参数

由上述特征可见，室内燃火特效剧场具有以下特殊性：1) 剧场内使用燃气，其通风系统必须独立设置，并采用直流式系统，且其内部应为负压；2) 空间高大且基本封闭；3) 人员密集，且靠近特效燃烧器较近；4) 剧场内使用大量明火，散发多种有害物，需要确定何种有害物质对安全危害最大，并加以控制；5) 为保证可视度和特效效果，燃气往往燃烧不完全，烟气中CO含量较高；6) 演出中明火带来的污染物和热负荷散发不均匀，存在极高的峰值负荷；7) 因布景及其他设备的限制，排风口一般无法布置在表演区、背景区内，不便于采用局部排风；8) 需要控制表演区的气流流速，以防影响火焰效果；9) 特效燃烧器工作时可能破坏通风的气流组织；10) 视情况可能需要采用局部送风，通过正压对表演区的电器进行保护。

3 剧场内有害物质分析

燃火特效剧场可能存在多种有害物质，主要包括以下几项：CO、CO2、SO2、缺氧(非有害物质，为行文简练归并在有害物质内)。不同有害物质的毒害机理和限值有较大差异，消除其危害所需的通风量大不相同，因此需要分析并确定其中对通风量设计影响最大的关键有害物质。

3.1 各有害物质的浓度限值

各有害物质在不同场所的浓度限值见表2[1-5]。

表2 燃火特效剧场可能存在的主要有害物质标准限值

基于燃火特效剧场观演时长一般短于15 min，CO采用GB 50736—2012规定的不高于30 mg/m3的要求；CO2采用JGJ 57—2016规定的小于0.25%的要求，即4 573 mg/m3；SO2采取GBZ 2.1—2019规定的PC-STEL限值，为10 mg/m3。

3.2 剧场内有害物质的散发强度

1) CO的散发强度。天然气燃烧生成的烟气中CO体积分数一般在1%～2%以下[6]，即最多约有10%～20%的天然气未完全燃烧。据笔者工程经验，一般的用气设备在极限情况下，烟气中的CO体积分数可能达到1%左右，考虑到燃火特效燃烧器为了保证火焰的可视度和特效效果，往往有意或无意地劣化燃烧条件，因此这种燃烧器的CO排放量取上限较为保险。本文假定天然气由100%甲烷组成，那么极端情况下，单位体积天然气的最大CO散发强度约为0.2 m3/m3。

2) CO2的散发强度。CO2的散发来源有2个：一是房间内人员呼吸的代谢产物，二是燃烧生成的烟气。前者相对较少，可忽略不计。由反应方程式计算，单位体积天然气的CO2散发强度约为1 m3/m3。

3) SO2的散发强度。依据GB 17820—2018《天然气》，含硫量最高的二类气的总含硫量不大于100 mg/m3[7]。由反应方程式计算，单位体积天然气的最大SO2散发强度约为6.99×10-5m3/m3。

4) O2的消耗速度。O2主要有2个消耗途径：一是房间内人员呼吸消耗，二是燃烧消耗。前者相对较少，可忽略不计。对于燃烧消耗的O2，依据反应方程式，燃烧单位体积天然气消耗的O2为2 m3/m3，消耗的空气量为9.52 m3/m3。

3.3 关键有害物质的确定

全面通风稀释方程[8]为

式中 C为通风后房间内的有害物质质量浓度，mg/m3；Cs为送入房间的空气中有害物质的质量浓度，mg/m3；M为室内有害物质的散发强度，mg/s；Vv为房间的通风量，m3/s；V为房间容积，m3；t为通风时长，s；C0为通风前房间内有害物质的初始质量浓度，mg/m3。

通风一定时间达到稳定后，全面通风稀释方程可以简化为

燃火特效剧场存在的有害物质中，CO、CO2、SO2三者之间没有叠加作用，可以分别考虑。CO进入人体后与血红蛋白结合，使血红蛋白失去携氧能力，毒害机理和缺氧类似，需要叠加计算。

依据GBZ2.1—2019，当2种有害物质具有相似的毒害作用时，其浓度限值应满足式(3)。

式中 C1、…、Cn为通风后房间内空气中各种有害物质的质量浓度，mg/m3；Cy1、…、Cyn为各种有害物质的最高允许质量浓度，mg/m3。

一般空气中的有害物质浓度较低，可忽略不计，那么由式(2)和式(3)可得，消除有叠加作用有害物质的全面通风量Vv见式(4)。

V1+…+Vn≤Vv

(4)

式中 V1、…、Vn为消除无叠加作用有害物质所需的全面通风量，m3/s。

那么由上述各种有害物质的散发强度，消除燃烧1m3天然气所产生的有害物质各自所需要的全面通风量见表3。

表3 消除各类有害物质所需的全面通风量

可见，燃火特效剧场内消除CO及缺氧所需的通风量最大，且远大于其他有害物质，因此燃火特效剧场的通风设计应以CO作为控制指标，而非常规剧场中采用的CO2。为了安全起见，在设计时应假设所有燃气中有20%未完全燃烧并生成了CO，此时燃烧所需的通风量仅占其2%，可以忽略不计。

4 全面通风效果的定性分析

本文通过假定的剧场模型对燃火特效剧场通风的特点进行研究。假设剧场为一长方体空间，总容积为20 000 m3，剧场通风换气次数为6 h-1，剧场结构见图1。每场燃火特效表演用气量约14 m3，表演持续1 min左右，每小时表演10场，用气时序见图2。

图2 用气时序

稀释方程可认为是房间内所有位置的通风效率Ev=1情况下的理想方程。为了对房间内有害物质的浓度进行定性分析，本文假定有害物质在剧场内均匀散发，通风空气送入房间瞬间与房间内空气混合均匀。那么，可以采用稀释方程分析该剧场不同阶段空气中有害物质浓度的变化，其变化趋势见图3。

图3 Ev=1的理想情况下剧场空气中CO的质量浓度变化

可见，剧场的CO散发速度一直大于排除速度，剧场内CO质量浓度在第一场表演结束时就已经远超30 mg/m3，即使每场表演间隔期间持续通风也无法完全排除上一场表演散发的CO，致使剧场内的CO质量浓度随时间不断升高。而且，考虑到实际通风过程存在大量回流区，剧场内的CO质量浓度将高于计算值。

因此，该类型剧场的通风设计需要特别注意有害物质的排除效率，通风效率应尽量大于1，否则有害物质在室内将随时间集聚；由于表演区及回流区的CO浓度基本都超出限值要求，因此观演区必须处于通风气流的上游，且不应使回流区气流进入观演区，保持观演区的换气效率ηa接近1。另外，由于CO的散发速度快，要将剧场内所有区域的CO质量浓度控制在30 mg/m3以下，需要400 h-1的通风换气次数，这显然是难以达到的。因此，在燃火特效剧场内是无法单纯通过通风换气次数保证室内空气品质的。

5 适宜气流分布的研究

基于前面的讨论，笔者为燃火特效剧场设置了2种可能的气流分布形式，并通过计算机仿真的方式研究实际通风效果。计算机仿真采用ANSYS进行三维建模，并对模型进行非结构化网格划分，经过网格无关性检验，确定合适的网格数量，时间步长为0.01 s。本模型气流为非稳态流动，送风口、污染物入口的边界条件为速度入口，出风口为速度出口，墙壁设置为绝热壁面。先进行10 min的通风使剧场内气流稳定，之后按照用气时序进行一场特效表演，表演完成后继续模拟1 min。为了研究极端情况下通风对有害物质的排除效果，假设各特效燃烧器使用的燃气中有20%未完全燃烧并生成了CO，燃烧瞬间完成并以高温烟气的形式从各燃烧器处释放，烟气中各成分的体积分数为：2%CO、8%CO2、69%N2、19%H2O、2%O2，烟气温度为1 800 ℃。

模式1：观演区采用近距离顶部送风，格栅送风口距地5 m高，且风口尽量覆盖全部观演区，送风温度20 ℃，送风速度约0.23 m/s，总送风量110 000 m3/h；表演区上空均布9个顶部排风口，每个排风口面积2 m2，充分利用燃火特效表演的热射流提高有害物质和热气流的排除效率，排风量为120 000 m3/h；由剧场门窗等自由补风。送、排风口位置见图1。燃火特效表演用气量及用气时序见图2。

图4显示了模式1剧场内不同时刻中间竖直截面处气体流动状态。可以看到：1) 特效燃烧器会对表演区上空的通风气流造成较大影响，其尾部的回流空气速度衰减较慢，长时间存在于剧场内，是造成剧场污染物扩散的重要原因，应特别注意其流动趋势。2) 由于射流和热压作用的存在，表演后有害物质会迅速流向顶部，可见应将排风口主要布置在该区域顶部，便于有害物质排出。3) 因为送风口距离观众较近，虽然送风速度较低，但是在本模型假定的特效燃烧器距离下，燃烧器的强大气流并不会对观演区产生过大干扰。4) 观演区基本形成竖直单向流送风环境，换气效率近似为1，能够有效阻隔其他区域有害物质侵入。5) 表演结束后，在表演区及观演区的上方形成了较大回流区，需要持续保持观演区的单向流通风，防止有害物质侵入，保持该区域的空气品质。

图4 模式1剧场内不同时刻中间竖直截面处气体流动状态

图5显示了模式1剧场内不同时刻各截面处CO体积分数。可以看到：1) 左下侧观演区内的空气品质基本都能满足要求，仅在特效表演结束1 min 后前排顶部3 m以上有小部分区域CO体积分数为0.002%～0.003%。2) 为了保证观众的安全，建议适当加大观演区单向流的设计范围，防止边缘区域的观众受到有害气体的侵害。3) 以本模式进行排风，观演区的通风效率接近无穷大，但是表演区的通风效率无法大于1，不能减缓剧场内的CO集聚。如果可能的话，建议降低排风口高度，缩短其与特效火焰的距离，使烟气能够更迅速地被排至室外，提高通风效率。

图5 模式1剧场内不同时刻各截面处CO体积分数

图6显示了模式1剧场内距地3 m高截面处的温度分布。可以看到观演区的温度受表演影响不大，基本能够满足热舒适性要求，但是由于特效表演释放的热负荷较大，模拟持续时间内剧场温度在逐渐升高，因此实际项目应该适当降低送风温度。

图6 模式1剧场内距地3 m高截面处的温度分布

模式2：观演区及表演区采用球形喷口水平送风，喷口距地6 m高，观演区后侧布置6个，相邻两侧各布置11个，球形喷口送风速度15 m/s，观演区前排区域设计风速约0.5 m/s，总送风量11 000 m3/h；排风、补风、用燃气情况与模式1完全相同。送、排风口位置见图7。

图7 模式2送、排风口位置

图8显示了模式2剧场纵、横截面处在特效表演结束1 min后的流场。可以看到剧场内没有形成较为有序的气流分布，回流空气存在于所有区域。同时，在表演区中间位置上空，喷口射流的速度达1 m/s左右，可能会影响特效火焰的效果。

图8 模式2剧场纵、横截面处在特效表演结束1 min后的流场

图9显示了模式2剧场内不同时刻各截面处CO体积分数。可以看到：1) 喷口射流在其周围引起较强的卷吸作用，使表演产生的烟气与射流迅速混合，形成大量带有较高CO浓度的回流区。2) 射流会破坏火焰引起的热压作用，阻碍烟气顺利上升，烟气长时间集聚在靠下部位无法顺利排除，剧场的通风效率小于1。3) 观演区的CO浓度没有得到有效控制，特效表演结束1 min后，观演区大部分区域的CO体积分数都在0.003 3%～0.003 9%区间，观众有中毒隐患。

图10显示了模式2剧场横向截面处的温度分布。得益于射流的卷吸作用，室温控制较好，靠下部位的温度明显低于上部。

对于模式2，由于喷口射流卷吸作用强，即使调整喷口的位置使其集中于观演区，或者继续加大送风量，都无法满足燃火特效剧场控制CO的需求，因此不建议采用。与模式1类似的通风方案在燃火特效剧场中应用，表演时在观众区前排测得的CO体积分数为0.000 1%，可见模式1是有效的。

6 结论

燃火特效剧场与普通剧场存在诸多不同的特性，其通风设计不能套用普通剧场的技术措施。笔者建议在设计燃火特效剧场的通风系统时，应该以排除CO为首要目标，并应假设有20%燃气未完全燃烧生成CO来设计通风量；设计中应特别注意优化剧场的气流组织，提高剧场的通风效率，并保证烟气不得回流进入观演区，保证观众的安全和健康。

具体措施如下：

1) 通风系统应独立设置，并采用直流式，排风量应适当高于送风量，保持剧场内部负压；

2) 送、排风口尽量布置在相对的两侧或顶面，以便通风气流大体上沿同一方向流动，减少回流区域面积；

3) 送风口应该靠近观众集中布置，采用低速送风的形式，尽量使观演区地面以上2～3 m高度以内的气流单向流动至观演区外，阻止表演区有害物质侵入观演区；

4) 排风口建议布置在表演区顶面，并在不影响演出效果的情况下，尽量靠近特效火焰，提高排除烟气的效率。