燃气用户端爆炸危险区域划分方法研究

朱禹洲， 侯翠翠

(1.北京市公用事业科学研究所，北京100011；2.北京市燕山工业燃气设备有限公司，北京100011)

1 概述

燃气具有易燃易爆特性，其输配、储存和使用过程均需采取相应安全技术措施。爆炸危险区域划分是电气防爆安全技术措施的基础，决定了工艺流程的合理性、周围电气设备防护的复杂程度，甚至直接决定整套设计方案可行性。高压、中压城镇燃气输配厂站和其他使用燃气的工厂区域，一般有相应的国家标准或行业标准对其爆炸危险区域划分进行规定，且得到严格执行，安全性较高。但是，燃气用户端(燃气用户设施)爆炸危险区域的划分目前存在较大困难。现有方法或未考虑释放源特性，或无法对用户端的复杂环境进行详细分析。现有方法面对用户端的复杂条件可操作性较差，不能准确、合理地划分爆炸危险区域，不能有效保证燃气的使用安全。本文通过对比现有方法，应用计算机仿真分析方法将释放源特性、周边障碍物、通风条件作为整体进行综合分析，研究适用于燃气用户端的爆炸危险区域划分方法。

2 现有划分方法比较

现有爆炸危险区域的划分方法有4种。方法1，基于长时间实践总结出经验范围，并以图例的方法指导具体设备设施爆炸危险区域的划分。此方法是目前国内设计单位主流的划分方法，其参考标准是GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》(2020年版)和GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》。方法2，基于半经验半理论分析的危险区域估算方法，其参考标准是GB 3836.14—2014《爆炸性环境 第14部分:场所分类 爆炸性气体环境》。方法3，基于气体射流理论和扩散模型等纯理论分析方法。方法4，基于有限元分析的计算机仿真分析方法。

2.1 GB 50058—2014划分方法

GB 50028—2006是国内城镇燃气领域最重要的设计标准之一，标准中关于电气防爆的技术措施参照GB 50058—2014相关规定，其爆炸危险区域划分方法与GB 50058—2014一致。GB 50058—2014主要参照美国石油工业协会(API)以及美国消防协会(NFPA)相关标准内容，依据石油、化工工业生产实践经验制定，其适用范围包括“生产、加工、处理、转运或贮存过程中出现或可能出现爆炸危险环境”的区域。这些区域涉及的可燃物质一般压力较高，数量较多，危险性高。标准基于经验给出了在最不利条件下可燃物质可能扩散的最远距离，以此划分爆炸危险区域，并以图例方法向设计人员提供设计指导。例如，通风良好条件下，释放天然气的二级释放源将形成一个爆炸危险区域。该爆炸危险区域的等级为2区，范围为地坪至释放源上方7.5 m且半径为4.5 m的圆柱形区域，该爆炸危险区域的划分示例见图1(当释放源距地坪高度超过4.5 m时爆炸危险区域有差异，见GB 50058—2014)。该方法流程简便、界限分明、安全性高，在国内广受设计单位青睐。

图1 GB 50058—2014爆炸危险区域划分示例

虽然这种划分方法安全性高，但高要求也给防爆措施的落实造成困难。例如，参照GB 50058—2014规定，使用燃气的商业厨房内一定存在爆炸危险区域，且整个厨房基本都处于2区以内，厨房内的所有设备均须进行防爆设计。显然，这一要求在实际应用中是不可行的，因此燃气商业厨房目前并未被视为爆炸危险区域，从而埋下一些安全隐患。实际上，GB 50058—2014在标准适用范围内明确说明不适用城镇燃气领域，因此GB 50028—2006不应该参考GB 50058—2014。但是，由于国内没有其他上位标准可以参考，出于安全因素考虑，GB 50028—2006还是参考了GB 50058—2014的方法。另外需要说明的是，GB 50028—2006仅对门站、储配站、调压站等输配系统厂站进行了相关规定，未对燃气用户端进行规定。

2.2 GB 3836.14—2014划分方法

GB 3836.14—2014采标于国际电工协会IEC 60079《爆炸性环境系列标准》(Series Explosive Atmosphere Standards)，主要规定了不同释放源及环境条件下爆炸危险区域划分方法，其中爆炸危险区域划分流程见图2，图中假设体积指爆炸危险区域的预估体积。

图2 GB 3836.14—2014爆炸危险区域划分流程

燃气泄漏是释放源的一种形式。小孔燃气泄漏可以采用小孔泄漏模型进行求解，从而得到释放速度。该模型在众多研究和实践中被采用，较为准确可靠[1-3]。

通风特性求解过程中，最小通风量依据GB 3836.14—2014第B.5.2.2款，用式(1)计算。

(1)

式中qV，min——最小通风量，m3/s

qm，max——释放源释放可燃气体的最大质量流量，kg/s

k——不同爆炸下限对应的安全系数，对于连续级和一级释放源取0.25，对于二级释放源取0.5

ρLEL——可燃气体的爆炸质量浓度下限，kg/m3

T——环境温度，K

分析可见，该求解方法对全面通风稀释方程进行了简化，假设释放出的所有可燃气体瞬间被通风稀释，且均匀分布在释放源周围。现实中，释放源周围的可燃气体质量分数随距释放源的距离增加呈下降趋势，可燃气体主要集中在中心部分，因此该求解方法求得的最小通风量要大于实际需求量。最小通风量可以理解为评估爆炸危险区域范围的一个标准参量，在此标准参量的基础上叠加通风对可燃物质扩散速度的影响，确定对应的爆炸危险区域假设体积。

依据GB 3836.14—2014第B.5.2.2款，假设体积Vz计算见下式：

(2)

式中Vz——假设体积，m3

f——通风效率的倒数，理想状态下f取1，空气流动受阻时f最大可取5

C——换气次数，h-1

可见，GB 3836.14—2014划分方法充分考虑了释放源的特性、周围的通风条件对于爆炸危险区域的影响，比GB 50058—2014更灵活、准确。但该方法也存在一些问题：所有释放源都需要单独计算分析，过程过于复杂；求解过程中的释放口面积选取缺少可靠依据；求解得到的假设体积与爆炸危险区域并不是直接对应关系，需要专家依据假设体积结合主观经验分析确定。因此，国内设计单位较少采用。

2.3 纯理论分析方法

① 射流模型

燃气释放过程符合射流、扩散等理论模型，可采用理论分析的方法对其质量分数场、速度场进行求解。在轴线方向上，距释放口一定距离处有观察点A。在非等温射流条件下燃气释放射流的卷吸关系见下式[3]。

(3)

式中qm,en——从释放口到观察点A被卷吸进入射流的空气质量流量，kg/s

qm, 0——射流出口燃气质量流量，kg/s

ρa——周围流体密度，kg/m3

ρ0——射流流体密度，kg/m3

r0——轴线方向上观察点A离释放口的距离，m

d——释放口直径，m

燃气释放时，燃气射流不断卷吸周围空气进入射流并与之混合。可见，湍流自由射流在理论情况下，射流内某处的质量分数场只与释放口直径和射流流体密度有关，即只要释放口面积一定，不管管内压力如何，它释放所形成的可燃气体云团体积、位置、质量分数都相同，这有悖于常识。因为该模型过于理想化，仅考虑了气体的流动，没考虑气体的扩散，这在射流的初期流速高于扩散速度多个数量级时是比较准确的，但是后期两者速度差减小，扩散作用显现，其准确度就会下降。另外，该模型仅针对自由射流，实际环境下，完全无风、无阻碍的情况较少，因此该模型的适用面很小。

② 高斯模型

燃气释放后会在释放源附近形成燃气云团，云团在环境中自由扩散规律通常采用高斯模型进行计算。定义任意点(记为点B)离释放点的距离为r。当释放点附近平均风速小于0.5 m/s时，则点B处燃气质量浓度见下式[1]：

(4)

式中ρB——燃气在点B处的质量浓度，kg/m3

a、b——扩散系数，m

r——点B离释放点的距离，m

h——释放点距地高度，m

tw——静风持续时间，s，取3 600整倍数

高斯模型假定燃气连续均匀地排放，空间的大气条件均匀稳定，水平和垂直方向上的扩散都服从正态分布。相较于射流模型，高斯模型主要考虑了气体的扩散作用，但忽略浮力及重力的作用，因此只能对轻空气或者相对密度接近1的气体扩散进行计算分析，其适用于速度较低的燃气释放过程，或自由射流的末期。

结合射流模型和高斯模型特点，将二者结合使用应该可以得到更为精确的理论解，但其求解的复杂程度较高。同时，它同样无法考虑复杂的大气条件和障碍物对其造成的影响。

2.4 计算机仿真分析方法

计算机仿真分析方法快速、准确、结果直观、适用面广，能够解决多元参数耦合问题，是目前技术研究、工程设计领域应用相当广泛的分析方法。图3是采用计算机仿真技术分析燃气管道在复杂环境内燃气释放的过程及其云团的特征。

图3 采用计算机仿真分析燃气管道在复杂环境内燃气释放的过程及其云团的特征

图3所分析的环境中，既有空间位置不同、几何结构复杂的障碍物体，也有多股多方向流动的通风气流。面对这种复杂的条件，前述的3种方法都没有办法划分出科学、合理的爆炸危险区域。因此，本文推荐采用计算机仿真分析方法作为燃气用户端的爆炸危险区域划分的主要方法。

3 计算机仿真分析方法示例

下文对燃气用户端一假想释放案例，采用计算机仿真分析方法对复杂环境内燃气释放过程、燃气云团特征、周边障碍物对燃气云团的影响等进行分析，为划定适宜的爆炸危险区域提供依据。

3.1 模型的参数设置

应用CFD仿真软件精确研究环境对燃气释放特性的影响，需要完整考虑燃气压力、种类、通风方式、释放口形状尺寸以及障碍物等多项内容[4]。对假想释放案例的各项环境及释放口条件设置如下：三维模型为边长10 m正方体，坐标原点为地面中心处，释放口坐标(3 m,0 m,1 m)，释放口直径为8 mm，释放方向为-x方向，其中障碍物设置在距离释放口1 m处，障碍物高、宽均为2 m，厚度0.1 m，障碍物墙面与yOz平面平行，在Oy方向居中，底面与地面紧密接触。三维模拟物理模型见图4。为保证网格计算合理性，采用网格无关性分析确定合适的网格数量。主要参数设置见表1。三维模型内初始状态充满压力为101 325 Pa、温度为20 ℃的空气。环境压力为101 325 Pa、温度为20 ℃，通风温度为20 ℃。本文定义爆炸质量分数上限、爆炸质量分数下限，分别对应爆炸上限、爆炸下限。爆炸质量分数上限为2.84%，爆炸质量分数下限为8.92%。燃气按纯甲烷考虑，温度为20 ℃。

图4 三维模拟物理模型

表1 主要参数设置

一般燃气用户端的燃气压力为低压，供气管道可能涉及中压B，因此根据常见的用气设备及供气管道情况选取2、10、150 kPa共3种燃气压力及有无障碍物的情况，分6种工况进行模拟分析。受限于硬件算力限制，笔者将3种燃气压力下释放过程通过小孔泄漏模型转化成释放速度进行模拟，此转化方法能满足实际工程问题的分析需要[5]。具体模拟工况见表2。左侧面为进风口，右侧面为出风口，各模拟工况空气流动速度均为0.3 m/s，方向为-x方向。

表2 具体模拟工况

3.2 仿真结果分析

① 燃气质量分数分布

达到稳定状态时，工况3、4燃气质量分数分布见图5(图中图例数值为质量分数)。由图5a可以看出，当无障碍物时，燃气主要呈现射流特征，射程较远，燃气影响范围较大，燃气质量分数呈火炬形状分布。

由图5b可以看出，当设置障碍物时，燃气受障碍物阻挡，速度迅速衰减，流动方向改变，燃气在其左侧逐渐堆积，燃气质量分数升高且燃气云团范围不断增大。详细分析障碍物附近的燃气云团发现，障碍物左侧的云团呈不规则形状集聚，射流核心区上下两侧的云团形状存在较大差异，燃气云团在受障碍物阻挡后折返流动，最终越过释放口所在竖直截面，出现在释放口左侧较远位置。障碍物右侧虽然被阻挡，但是也在障碍物的动力阴影区出现形状不规则燃气云团。由此可见，简单的障碍物就会对燃气的流动、扩散、燃气质量分数分布规律等造成非常复杂的影响。

图5 工况3、4燃气质量分数分布(软件截图)

燃气用户端实际障碍物的位置、形状、尺寸更为多变，通过纯理论的计算方法，显然无法准确预测燃气的流动、扩散、燃气质量分数分布规律。

② 爆炸区域和危险区域

本文将燃气质量分数处于爆炸质量分数下限以上的区域称为爆炸区域；将燃气质量分数大于等于爆炸质量分数下限的20%，即燃气质量分数大于等于0.57%的区域称为危险区域，该区域为特殊情况下可能发生爆炸的区域。图6为不同燃气压力下有、无障碍物时爆炸区域和危险区域体积对比。

图6 不同燃气压力下有、无障碍物时爆炸区域和危险区域体积对比

由图6可以看出，无障碍物时，3种燃气压力下的爆炸区域、危险区域体积都随燃气压力增大逐渐增大。

有障碍物时，爆炸区域、危险区域体积随压力变化的趋势要复杂许多。障碍物既可以使射流减速并限制燃气流动至更远区域，也可以增强扰动扩大燃气云团波及范围。这两种作用是相反的，在不同作用主导状态下产生完全不同的效果。爆炸区域主要由速度较快的射流核心构成，障碍物阻挡可以大大降低其流动速度，迫使射流提前发展至射流末端的状态，初始速度越快影响越大，随燃气压力升高，爆炸区域先降低后升高。

对于中、低速湍流构成的流动混合状态(包括小部分射流核心以及射流中段和末端)，障碍物则可以进一步加强混合作用，从而增大其体积。图6a中，不同燃气压力下，有障碍物时爆炸区域体积均大于无障碍物时。图6b中，燃气压力分别为10、150 kPa时，有障碍物时危险区域体积大于无障碍物时。说明这些工况下障碍物主要发挥加强扰动作用，使燃气与空气混合更加充分，增大了爆炸区域、危险区域体积。

对于图6b，燃气压力为2 kPa危险区域体积比无障碍物反而变小。分析其流动特性，由于此时射流速度较低，衰减快，到达障碍物时已衰减至接近0，燃气基本处于扩散状态，障碍物完全发挥阻挡作用，从而降低了危险区域体积。此种工况下，障碍物对燃气释放产生的燃气云团扩散有较强的抑制作用，可以大大缩小危险区域。

需要特别注意的是，不管有无障碍物，燃气释放产生的危险区域体积都比爆炸区域体积大4个数量级，说明燃气释放是非常危险的事故，即使是小流量的释放也会出现大范围的可能发生爆炸的区域。

综上所述，面对燃气用户端复杂多变的环境条件，GB 50058—2014划分方法、GB 3836.14—2014划分方法、纯理论分析方法无法划分出准确的爆炸危险区域。采用计算机仿真分析方法，在进行爆炸危险区域划分时，面对释放压力、通风、障碍物、死角处等耦合的复杂多变的环境条件，能够分析燃气释放过程及燃气云团的特征，可以为划定准确的爆炸危险区域提供详细依据，具有一定的现实意义。

4 结论

以释放源特性影响、周边障碍物影响、通风条件影响作为爆炸危险区域划分方法的分析要素，对4种划分方法(GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》划分方法、GB 3836.14—2014《爆炸性环境 第14部分：场所分类 爆炸性气体环境》划分方法、纯理论分析方法、计算机仿真分析方法)进行对比分析，研究适用于燃气用户端的爆炸危险区域划分方法。对燃气用户端一假想释放案例，采用计算机仿真分析方法对复杂环境内燃气释放过程、燃气云团特征、周边障碍物对燃气云团的影响进行分析。研究发现：

① 面对释放压力、通风、障碍物、死角处等耦合的复杂多变环境条件时，GB 50058—2014划分方法、GB 3836.14—2014划分方法和纯理论分析方法均有较大局限性，不能划分出准确的爆炸危险区域。

② 采用计算机仿真分析方法，能够为划定准确的爆炸危险区域提供详细依据。