不同初始压力下可爆预混气体通过波纹板阻火器的淬熄特性研究*

2023-03-02张炼卓闫兴清吕先舒喻健良李通征詹潇兵

爆炸与冲击 2023年1期

张炼卓，闫兴清，吕先舒，喻健良，李通征，詹潇兵

（大连理工大学大学化工学院，辽宁大连 116024）

阻火器是一种应用广泛的隔爆阻火装置，其核心元件是内部的阻火单元。深入理解火焰通过不同类型阻火单元的淬熄行为，明确不同规格阻火单元能够淬熄的临界火焰参数特性及其影响因素，是构建阻火器理论与模型、开展结构设计与优化的基础。

Payman 等[1]和Cubbage[2]较早进行了煤气阻爆实验，发现火焰传播速度能够显著影响阻火器性能。Palmer 等[3]、Langford 等[4]通过化学计量比的丙烷-空气预混气火焰淬熄实验，发现阻火单元的狭缝几何尺寸与火焰进口速度成正比，并将热量传递作为火焰淬熄的原因。Berlad[5]研究了矩形管道中丙烷-氧-氮混合气火焰淬熄距离随压力的变化规律。Kersten 等[6]记录了火焰在波纹板阻火器中的传播过程以及爆炸各阶段的火焰速度和压力。Henkel 等[7]采用湍流模型预测了火焰在阻火器微通道中的传播过程，认为化学动力学机制对火焰淬熄有显著影响。周凯元等[8-9]开展了平行板狭缝、波纹板阻火器的阻火实验，提出了淬熄长度、淬熄边界层等概念，并推导了ⅡA 类气体爆燃火焰的阻火器参数计算公式。陈鹏[10]模拟了火焰在圆管和平行板狭缝中的淬熄过程，对比了多种惰性气体对淬熄的促进作用。张省漪[11]总结了多孔隙通道中丙烷-空气预混气体火焰速度与压力的相互影响。孙少辰等[12-13]开展了不同活性预混气体爆轰火焰在波纹管道阻火器内的传播与淬熄实验，探讨了装置结构参数等因素对传播过程的影响。王鲁庆等[14]对ⅡA 类气体波纹板阻爆燃型阻火器进行了实验研究，得到了阻火速度与狭缝通道的长度、扩张比的平方成正比的结论。

在多种阻火器类型中，波纹板阻火器因阻火性能好且受阻力较小[15]，通常被研究人员采用。调研发现，现有研究多关注常压工况，实验介质大多为化学计量比的丙烷-空气预混气体。实际上，阻火器的设计和选型还要考虑应用环境和气体介质的种类，因此，研究不同活性、不同初始压力下可爆预混气体的淬熄特性，有助于理解阻火器性能及指导科学应用。

本文中，参考标准GB/T 13347—2010《石油气体管道阻火器》[16]，以不同体积分数的丙烷-空气、乙烯-空气可燃预混气体为介质开展实验研究，系统探讨不同初始压力下可爆预混气体通过波纹板阻火器的火焰传播与淬熄过程。

1 实验装置及方法

实验装置由圆形管道、阻火器、配气系统、点火系统、测量及数据采集系统等组成，如图1 所示。圆形管道总长4 000 mm，由4 段长1 000 mm 的管道通过法兰连接而成，公称直径DN80，壁厚4 mm，管道点火端到阻火器入口为未受保护侧管道，长度L1=3 000 mm，阻火器出口到管道末端为受保护侧管道，长度L2=1 000 mm。

图1 实验装置Fig.1 Experimental system

阻火器主要由单层波纹板、外壳及附件构成，波纹板通道狭缝近似为正三角形，狭缝高h=0.8 mm，通道长L=38 mm。阻火器外壳内径165 mm，长L0=420 mm。

采用分压法配制一定体积分数的预混气体，气体静置24 h 后使用。将整个管道抽至绝对真空状态后充气进行实验。采用10 kV 双电极高压点火，点火持续时间为1 s，点火前管内气体静置3 min。测量及数据采集系统由光电传感器、光电转换电路、高频数据采集卡等组成。光电传感器接收到火焰的光信号后，经转换电路将光信号转换为电信号，采集卡将信号采集、存储并传输至计算机。每段管道布置4 个光电传感器，相邻传感器之间距离200 mm，第1 个传感器距离管道点火端1 200 mm，共布置12 个光电传感器。两传感器间距与接收信号时间差之比即为火焰速度。

实验介质参考标准GB/T 13347—2010《石油气体管道阻火器》[16]选取，表1 列举了所配制的预混气体类型、可燃气体积分数和当量比。

表1 可燃气-空气预混气体Table1 Combustible gas-air premixed gas

2 实验结果与讨论

2.1 不同体积分数乙烯-空气预混气体的淬熄特性

图2(a)～(c)分别给出了乙烯体积分数为5.0%、5.5%和6.5%的乙烯-空气预混气体在不同初始压力p0时的火焰速度曲线。图2(a)中，当p0=60 kPa 时，阻火器入口火焰速度为9 m/s，阻火器出口后的第1 个火焰传感器未收到信号，说明淬熄发生于阻火单元内。当p0=70 kPa 时，阻火器入口火焰为36 m/s，阻火单元内火焰速度为31 m/s，即阻火器出口的第1 个火焰传感器接收到信号，说明火焰穿过阻火单元后仍传播一段距离，淬熄发生于管道末端前。而当p0≥80 kPa 时，火焰则会直接穿过阻火器继续向下游传播，直至管道末端熄灭。因此，将上述3 种火焰传播模式分别定义为直接淬熄、穿过阻火单元后逐渐淬熄和淬熄失败。根据该定义，可以发现，图2(b)～(c)分别在初始压力为50 和30 kPa 时直接淬熄，在初始压力为60 和40 kPa 时淬熄失败。

图2 不同初始压力下的乙烯-空气预混气体火焰传播速度曲线（贫燃料）Fig.2 Flame propagation velocity of premixed C2H4-air under different initial pressures (lean fuel)

图3(a)～(c)分别给出了乙烯体积分数为7.5%、8.5%和9.5%的乙烯-空气预混气体在不同初始压力p0下的火焰速度曲线。根据之前对火焰传播模式的定义，富燃料预混气体火焰通过阻火单元时存在2 种传播模式：直接淬熄、淬熄失败。

火焰传播过程中的热量损失和自由基损耗致使火焰可能在阻火单元内淬熄。然而，少量自由基穿透熄灭层[8]继续反应是火焰穿过阻火单元后逐渐淬熄的原因。因为当单位体积内存在更多自由基时，穿越熄灭层的自由基更多，整体穿透熄灭层几率更大，在穿透熄灭层的自由基支持下，火焰得以继续传播。但是由于尚存的自由基数量有限，因而反应速率有限，其释放热量也有限，无法持续支持反应进行，最终火焰也会熄灭。此外，狭缝壁温持续上升，火焰与狭缝壁温差缩小，热量损失减小，因此火焰最终传播至管末，出现淬熄失败。

观察图2～3，速度曲线在管道未受保护侧振荡，该现象与压力波相关。反应产生的压力波传播至狭缝通道，阻火器外壳扩张产生反射压力波[13]，由于与火焰传播方向相反，会阻碍火焰向前，反射波通过后，火焰锋面与前方未燃烧气体接触，反应加速，速度再次上升。若火焰速度较大，火焰锋面与压力波的距离较小，反射波对火焰作用很小或者没有与火焰锋面相遇，则对火焰抑制效果不明显。

从速度衰减次数和衰减幅度角度分析可燃气体积分数和初始压力对火焰速度振荡的影响。从速度衰减次数看，可燃气体积分数会产生影响=5.0%时，会出现3 次减速；而当可燃气体积分数更高时，至多出现1 或2 次减速。从图4 可以看出，初始压力也会对速度衰减次数产生影响，当初始压力低于60 kPa 时，出现2 次减速；当初始压力提升至70 和80 kPa 时，出现3 次减速；然而当初始压力进一步提升至100 kPa 时，减速又重新降至2 次。这是由于对于低体积分数的预混气体，单位体积内乙烯分子较少，反应不够剧烈，火焰速度较小，如图2(c)和图3 所示，火焰初始速度大多处于70～120 m/s区间，而图2(a)中=5.0%的预混气初始速度则小于50 m/s。因此受压力波影响大，若初始压力增加，反射波强度也随之增大，但此时火焰仍未达到较高速度，压力波仍然存在较大影响，因此速度衰减次数随初始压力提升而增加。当初始压力进一步提升时，火焰速度达到较大值，反射波对火焰的抑制作用减弱，速度衰减次数也随之减少。因此，未受保护侧管道火焰速度衰减次数会随着可燃气体积分数增大而减少，对于低体积分数预混气体，则会在初始压力较低时随压力升高而减加，在初始压力较高时随压力升高而减少。

图3 不同初始压力下的乙烯-空气预混气体火焰传播速度曲线（富燃料）Fig.3 Flame propagation velocity of premixed C2H4-air under different initial pressures (rich fuel)

从速度衰减幅度来看，图4～5 中的δ 表征一次速度衰减过程的速度衰减幅度，定义为一次减速过程中最大火焰速度与最小火焰速度的差值与最大火焰速度之比，δ 越大，表明速度衰减幅度越大。由图5 可知，当可燃气的体积分数相同时，由于反射波对速度的抑制作用随初始压力升高而增强，总体来说，当初始压力为100 kPa 时，δ 值略大。而体积分数的影响还与初始压力相关。当初始压力较低（p0=50 kPa）时，δ 在贫燃料侧随着体积分数增大呈下降趋势，在=6.5%时达到最小，随后在富燃料侧呈上升趋势。当初始压力较高（p0=100 kPa）时，δ 随体积分数增大而减小。当=6.5%时，燃烧反应最充分和迅速，火焰速度也更快，与之相比，贫燃料会因为乙烯气体分子不充分而反应缓慢，富燃料则因乙烯气体分子较多致使反应受到抑制，因此，在初始压力较低、反射波强度较小时，贫燃料侧δ 随着体积分数增大而减小，富燃料侧则呈相反趋势。而初始压力较高时，反射波抑制作用显著，贫燃料受反应速率所限，低速火焰状态下受反射波影响较大，而富燃料则在火焰相对高速状态下受影响较小，δ 随体积分数增大而减小。

图4 未受保护侧体积分数5.0%的乙烯-空气预混气体火焰速度振荡分析Fig.4 Flame velocity oscillation analysis of 5.0% C2H4-air premixed gas on the unprotected side

图5 未受保护侧不同体积分数乙烯-空气预混气体火焰速度振荡分析Fig.5 Flame velocity oscillation analysis of C2H4-air premixed gas with different volume fractions on the unprotected side

对于管道受保护侧，火焰速度存在不降反升现象，在初始压力较高时尤为明显。当初始压力为100 kPa 时，图2(a)中火焰速度较平稳，但随着体积分数增大，火焰明显加速，尤其是在化学计量比（化学反应恰好能完全反应时的体积分数）时，阻火器入口和出口火焰速度分别为118 和344 m/s，变化最剧烈。

一方面，火焰经过狭缝表面扭曲伸展，与预混气接触面积增大，导致反应加速和火焰加速。另一方面，自由基碰撞损耗会造成反应速率降低和火焰减速。由于体积分数对自由基数量的影响较明显，对于贫燃料预混气体，自由基数量较少，自由基碰撞损耗对化学反应速率影响较大，从而减缓了狭缝扰动对火焰的加速作用，甚至出现图2(a)中速度较平稳的现象；对于富燃料预混气体，更多自由基意味着自由基碰撞损耗对反应影响较小，因此火焰加速明显。然而，富燃料预混气体存在与活化中心结合几率更小、通过狭缝发生碰撞几率更大、自由基损耗数量更多的情况，相较于化学计量比时，管道受保护侧速度增幅更小。因此，乙烯-空气预混气体火焰通过阻火器后会加速，且在化学计量比时加速幅度最大。

2.2 不同初始压力下丙烷-空气预混气体的淬熄特性

图6 给出了不同初始压力下4.2%丙烷-空气预混气体的火焰传播速度曲线，根据之前的定义，火焰传播有2 种模式：直接淬熄和淬熄失败。在p0=80 kPa 时，阻火器入口火焰速度为25 m/s，火焰直接淬熄；在p0=90 kPa 时，阻火器入口火焰速度为39 m/s，淬熄失败。

图6 = 4.2%时不同初始压力下丙烷-空气预混气体的火焰传播速度曲线Fig.6 Flame velocity of C3H8-air premixed gas under different initial pressures (= 4.2%)

丙烷火焰淬熄的主要原因被普遍认为是由于冷壁效应，因此有学者基于传热作用给出了半封闭管道的阻火速度计算式[8]：

式中：D 为平板狭缝直径；u∞=v-v0，v 为火焰传播速度，v0为介质燃烧速度；υ 为狭缝中气流的运动黏度；Pr 为Prandtl 数；Lq为火焰淬熄距离；A 为火焰淬熄时淬熄边界层厚度[8]与热边界层厚度的比值。

将平板狭缝换为波纹板的三角形狭缝时，存在特征尺寸关系[5]：

式中：Dt为三角形边长，转化为波纹板狭缝高度h（正三角形高，即为波高）。得到：

式中：L 为狭缝通道长度，即波纹板厚度。

运动黏度υ 与动力黏度µ和流体密度ρ 之间的关系：

预混气体动力黏度计算公式：

式中：下标i 表示组分，µm为混合气体的动力黏度，yi为组分i 的摩尔分数，µi为组分i 的动力黏度，Mi为组分i 的分子质量。

将式(4)～(5)代入式(3)，可以得到：

式中：λm为导热系数，ρm为混合气体的密度，cp,m为比定压热容。

介质燃烧速度v0相比火焰传播速度v 较小，因此将u∞近似看作v。式(6)适用于半封闭管道，而封闭管道需要考虑压力影响。初始压力对反应速率和压力波强度的影响，随着压力波的传播进而影响火焰速度以及爆炸压力，因此对于封闭管道需要考虑压力修正。参考Palmer 所提出的p0/p 压力修正项，将式(6)增加p0/p 的压力修正项，得到封闭管道阻火速度：

式中：p 为预混气的爆炸压力，物性参数µm、λm、ρm、cp,m均与可燃气体积分数相关。这说明，阻火速度不仅受阻火器结构参数影响，还与使用场景下的气体体积分数和初始压力相关，因此阻火器的设计与选型需要考虑适用对象和场景。

丙烷为组分1，空气为组分2。常温25 ℃下，黏度µ1=83.3 µP，µ2=184.5 µP，导热系数λ1=0.017 92 W/(m·K)，λ2=0.026 04 W/(m·K)。对于可燃气体积分数为4.2%的丙烷-空气预混气体，µm=179.3 µP，ρm=1.195 7 kg/m3，λm=0.024 98 W/(m·K)，cp,m=1.044 9 kJ/(kg·K)。代入式(7)可得：

2.3 预混气体阻火结果对比

图7 给出了不同压力下各组预混气体的阻火结果，将火焰会发生熄灭的最大初始压力定义为极限压力[15]plim，极限压力越小，阻火越困难。对比同处于化学计量比的预混气体，为90 kPa，而仅为50 kPa，＜。

图7 不同初始压力下可燃气-空气预混气体的阻火结果Fig.7 Quenching results of premixed combustible gas-air under different initial pressures

图8 给出了不同体积分数（当量比ϕ）的乙烯-空气的极限压力plim。由图8 可知，在当量比ϕ=1.00时，plim最小。在贫燃料侧，plim随ϕ 增大而减小；而在富燃料侧，在1.00≤ϕ≤1.33 区间，plim并未改变，在ϕ＞1.33 时，plim随ϕ 增大而增大。化学计量比时极限压力最小，火焰淬熄最困难，但在富燃料侧存在预混气体极限压力不变的体积分数区间，在实际应用中需要谨慎对待该危险体积分数区间。

图8 不同体积分数（当量比）乙烯-空气预混气体的极限压力Fig.8 Limit pressure of premixed C2H4-air with different volume fractions (equivalence ratios)

图9 分析了临界压力下同处于化学计量比的丙烷-空气和乙烯-空气预混气体火焰速度。在未受保护侧管道，二者均出现了2 次减速。第1 次减速，丙烷-空气预混气体的δ 小于乙烯-空气预混气体，第2 次减速情况则相反。乙烯预混气体经过第1 次速度大幅衰减后，速度还未充分加速又再次减速，此时δ 较小，其速度振荡也呈逐渐缓和趋势。在受保护侧管道时，丙烷-空气预混气体火焰在阻火器入口的速度为50 m/s，穿过阻火器后加速至113 m/s，该速度增幅低于乙烯-空气预混气体（5.0%乙烯-空气除外）。

图9 临界压力下未受保护侧可燃气-空气预混气体火焰速度分析Fig.9 Flame velocity analysis of premixed combustible gas-air under critical pressure on the unprotected side

乙烯活性更高，其易于反应、反应放热多的特点会使反应更加剧烈，火焰淬熄更困难，因此有＜。丙烷活性较低使得反应速率和放热量较低，火焰速度受反应速率限制，因此在未受保护侧管道火焰速度衰减幅度几乎不变，速度振荡更加均匀，且在火焰传播初期的振荡相较于乙烯预混气体更小。同时，由于自由基通过狭缝碰撞销毁等因素不利于反应进行，最终狭缝扰动对火焰的加速作用有限。