综合管廊燃气舱气体灭火模拟分析

2022-03-23席一凡周庆辉

智能建筑与智慧城市 2022年3期

席一凡，周庆辉

（北京建筑大学机电与车辆工程学院）

1 引言

根据2016年《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》：凡建有地下综合管廊的区域，各类管线必须全部入廊，管线以外区域不得新建管线。因此，目前在建的城市地下综合管廊都包含有燃气舱。但是由于天然气属于易燃易爆气体，综合管廊也紧邻人口密集区，如果发生危险将对百姓的生命财产造成重大威胁。根据“燃气爆炸公众平台”收录的数据统计[1]，2020 年全年共计发生燃气安全事故548 起，共造成84 人死亡，670 人受伤。对综合管廊燃气舱火灾及气体灭火的研究，是燃气安全领域内的重要研究内容,是天然气舱事故分析及评估、应急救灾处理的重要依据。

2 计算模型

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）[2]。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。

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热量的分布规律探索混合气燃烧后的火灾扩散规律。同时，综合管廊是狭长的受限空间，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。燃烧的条件包括可燃物、氧气和着火点，可通过降低氧气浓度的方式阻断燃烧反应。

2.1 组分运输方程

式（2）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。Ds是组分S在流体中的扩系数，xi为物理空间单位向量，ui是xi方向的体积力。

2.2 涡耗散模型

涡耗散模型认为化学反应速率取决于未燃气体微团在湍流作用下破碎成更小微团的速率。组分中第i种物质在第r个反应中的产生速率Rir公式为：

式（3）中：vi,r′为反应r中反应物i的化学计量系数；vi,r″为反应r中生成物i的化学计量系数；Mw,R为某种产物的分子量；Mw,i为第i种物质的分子量；YP是任何一种产物的质量组分；YR是某种产物的质量组分。

2.3 RNG k-ε模型

RNG k-ε 模型来源于严格的统计技术。它和标准k-ε 模型很相似，但RNG 模型在方程中考虑到湍流漩涡，加了一个条件，有效改善了精度。RNG 理论为湍流Prandtl数提供了解析公式，然而标准k-ε模型使用的是用户提供的常数。然而标准k-ε 模型是一种高雷诺数的模型，RNG理论提供了考虑低雷诺数流动粘性的解析公式。这些公式的效用依靠正确对待近壁区域这些特点使RNG k-ε 模型比标准k-ε模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度[3]。

2.4 物理模型

根据管廊实际尺寸，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（见图1）和网格模型（见图2-3），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。

图1 某城市地下综合管廊模型

图2 燃气舱几何网格模型

图3 燃气舱侧面几何网格模型

燃气舱尺寸：长20m、宽1.8m、高3m。泄露口尺寸：宽2cm、弧长10cm的口。网格单元：1122751个。网格面：2658440个。节点数量：460560个。

3 边界条件设置

周宁[4]等人研究风速对综合管廊天然气管舱泄露扩散影响的数值模拟得出，风速增大到3.81m/s后，湍流能升高，湍流扰动增强，泄露口出涡团发生畸变，浓度报警器不在工作，能有效抑制甲烷扩散。所以我们设定风速为3.81m/s；物种模型为物质运输；泄露口速度为20m/s；湍流强度为10%；燃气舱水力直径为2.25m、泄露口水力直径为0.033m；外墙温度均为300K。

4 FLUENT模拟

4.1 燃气舱火灾模拟及二氧化碳气体灭火模拟

燃气舱火灾模拟：由无风状态下反应温度分布图（见图4）可知，在无风状态下，火焰的最高温度为3980K，整个火焰沿泄露口呈对称分布。

图4 无风状态下反应温度分布图

当风速为3.81m/s、空气中氧气浓度为0.21%时，由反应过程图和温度分布图（图5-6）可知，在风速为3.81m/s 时，反应进行到160s 左右反应趋于稳定，此时燃气舱内的最高温度为3023.972K，整个管廊内天然气燃烧随着风向燃烧，火焰主要分布在出风口侧。

图5 风速为3.81m/s、空气中氧气浓度为0.21%时，反应过程图

图6 风速为3.81m/s、空气中氧气浓度为0.21%时，温度分布图

由据泄露口0m、5m、10m 处温度分布图（图7～9）可知，火焰剖面呈倒心形向外传播，距离泄露口越远，心形越大，在整个剖面中，在心形的中心处温度最高。

图7 泄露口剖面温度分布图

图8 据泄露口5m处剖面温度分布图

图9 据泄露口10m处剖面温度分布图

在风的作用下，甲烷随着风向传播，由于甲烷密度小于空气，燃气舱上层燃烧更剧烈，温度也更高。

4.2 二氧化碳气体灭火模拟

将整个反应迭代300步就可以使整个反应进入稳定状态，然后逐步增加CO2浓度改变空气中氧气的含量。

由通入CO2后的反应过程图（图10）可知，通入CO2后，从发生反应到反应结束的时间变短，反应过程变得更加缓和。由各个浓度下温度分布图（图11）可知，整个燃气舱内温度随着氧气浓度的减少而降低。

图10 通入CO2后的反应过程

图11 各个浓度下温度分布图

5 仿真结果及分析

通过数据结果（表1）和反应结果组合图（图12）可知，随着空气中CO2的增加，O2浓度的减少，整个反应过程的最高温度在逐渐降低，总的热传递速率也在降低，总的反应源热和反应热也在降低。甲烷燃烧所需的着火点温度为811.15K，在空气中氧气含量降到0.03 时，整个反应的最高温度是低于甲烷燃烧所需的着火点温度，氧气含量继续降低，则整个反应将不再进行。