張?zhí)m江，羅維東，黃重國，劉 立

(1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2.聊城大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東聊城 252059)

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CNG加氣站固定儲氣設(shè)施的防火間距研究

張?zhí)m江1,2，羅維東1，黃重國1，劉 立1

(1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2.聊城大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東聊城 252059)

CNG加氣站的安全間距與城市安全及土地利用密切相關(guān)，為在滿足安全要求的前提下降低安全間距，提高土地利用率，對CNG加氣站的防火間距進(jìn)行了研究。基于Chamberlain模型，對CNG加氣站內(nèi)固定儲氣設(shè)施發(fā)生燃?xì)庑孤┤紵臒彷椛溥M(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)合地下抗爆泄壓式新型固定儲氣設(shè)施的研究成果，利用Matlab對不同形式的固定儲氣設(shè)施發(fā)生燃?xì)庑孤┤紵鹿蕰r的熱輻射情況做出相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，新型的固定儲氣設(shè)施(技術(shù))可以有效地縮小其防火間距，提高CNG加氣站的土地利用率。

燃燒計(jì)算；CNG加氣站；防火間距；熱輻射；固定儲氣設(shè)施

壓縮天然氣(簡稱CNG)加氣站的建設(shè)與城市安全及土地利用密切相關(guān)，安全間距在天然氣加氣站總平面設(shè)計(jì)中至關(guān)重要[1-4]。CNG加氣站安全間距的確定主要是基于減少偶然事故產(chǎn)生的災(zāi)害及影響和節(jié)約用地等綜合考慮的結(jié)果，其主要的影響因素是火災(zāi)。目前CNG加氣站的固定儲氣設(shè)施是指安裝在固定位置的地上或地下儲氣瓶(組)和儲氣井的統(tǒng)稱[5]，均儲備25 MPa壓力的天然氣，存在的最為突出的問題是設(shè)施安全性差、儲存困難。CNG加氣站在規(guī)劃上往往受到市內(nèi)建成區(qū)用地緊張的限制，導(dǎo)致城市內(nèi)加氣站站點(diǎn)不足、布置不合理。因此，針對加氣站開展安全間距和防火間距的相關(guān)研究是必要的。

1 防火間距的理論研究

防火間距是指為了防止著火，防止建筑的輻射熱在一定時間內(nèi)引燃相鄰建筑，且便于消防撲救的安全距離。目前，消防規(guī)范對不同建筑物的防火間距做了明確的定量規(guī)定，其主要依據(jù)是考慮熱輻射的作用，而不考慮飛火和對流的作用，其中熱輻射對物體材料的傷害破壞準(zhǔn)則如表1所示。

表1 熱輻射傷害/破壞準(zhǔn)則Tab.1 Thermal radiation damage/failure criteria

本文利用Chamberlain模型計(jì)算燃?xì)獾臒彷椛洹hamberlain模型是當(dāng)前國際上較為流行的用于計(jì)算噴射火焰特性參數(shù)的一種方法。該模型經(jīng)過了數(shù)年的研究, 經(jīng)受了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。它把噴射火焰看作是一個表面熱輻射能量均勻分布的實(shí)心截頭錐體, 能計(jì)算多種環(huán)境條件或流動狀態(tài)下噴射火焰的形狀及其表面輻射能量[6-8]。根據(jù)Chamberlain模型，噴射火焰的熱輻射強(qiáng)度主要按如下步驟計(jì)算。

1.1 計(jì)算泄漏下膨脹射流的初射速度uj

根據(jù)Chamberlain模型，膨脹射流的初射速度uj(單位為m/s)主要取決于壓縮氣體的初始溫度Ts、壓縮氣體的初始壓力Pinit、壓縮氣體的泊松常數(shù)k、泄漏口噴射面處的靜壓Pc以及膨脹射流的溫度Tj、阻流馬赫數(shù)Mj等主要的物理參數(shù)，即

(1)

1.2 噴射氣體遇火燃燒的火焰外形尺寸和傾角計(jì)算

噴射氣體燃燒時的火焰外形近似為一個截頭圓錐體，其外形尺寸不僅與環(huán)境風(fēng)速uw有關(guān)，而且還受泄漏口的形狀和尺寸影響。

由于CNG高壓儲氣設(shè)施發(fā)生泄漏時，氣體流速在音速范圍內(nèi)(臨界流)，根據(jù)文獻(xiàn)[10]規(guī)定，噴射氣體的質(zhì)量流率m′ 滿足式(2)關(guān)系，即

(2)

式中：Yd為流量系數(shù)，對于臨界流Yd=1；Cd為泄漏系數(shù)，跟泄漏口的形狀有關(guān)，圓形泄漏口取1，三角形泄漏口取0.95，長方形泄漏口取0.9；A為裂口面積，m2；Tg為泄漏氣體的溫度，K。

則泄露處有效源的等效直徑為

(3)

式中：ρa(bǔ)ir為空氣密度，取ρa(bǔ)ir=1.293 kg/m3。

1)噴射火焰頂部至噴射口中心的距離Lb(m)

Lb=YDs(0.51e-0.4uw+0.49)×

[1-6.07×10-3(θjv-90°)],

(4)

式中：θjv為泄漏口的軸線與水平面的夾角(°)；Y為輔助計(jì)算變量。

2)噴射火焰的傾角α(°)

若環(huán)境風(fēng)速與射流速度的比值Rw≤0.05，噴射火焰的傾角α主要受射流控制，風(fēng)速對其影響可以忽略不計(jì)，即：

(5)

若環(huán)境風(fēng)速與射流速度的比值Rw>0.05，噴射火焰的傾角α不僅受射流控制，風(fēng)速也對其有影響，此時：

(6)

3)噴射火焰的抬升距離b(m)

b=(0.185e-20Rw+0.015)Lb。

(7)

4)噴射火焰截頭錐體的長度R1(m)

(8)

5)火焰截頭錐體的底寬W1(m)

W1=Ds(13.5e-6Rw+1.5)×

(9)

6)噴射火焰截頭錐體的頂寬W2(m)

W2=Lb(0.18e-1.5Rw+0.31)×

(1-0.47e-25Rw)。

(10)

7)噴射火焰截頭錐體的表面積Af(m2)

(11)

1.3 計(jì)算射流火焰的表面熱輻射能量

1)噴射火焰單位時間釋放的熱量Q′(J/s1)

Q′=m′×ΔHc，

(12)

式中：ΔHc為氣體的燃燒熱，一般天然氣的燃燒熱取ΔHc=3.8×107J/kg。

2)噴射火焰表面的輻射熱量比率Fs

Fs=(0.21e-0.003 23uj+0.11)×F(Mg) ，

(13)

式中：F(Mg)是可燃?xì)怏w分子量的函數(shù)，

3)噴射火焰理論(最大)表面熱輻射值SEPmax(J·m-2·s-1)

(14)

1.4 計(jì)算噴射火焰的熱輻射強(qiáng)度

為了便于計(jì)算說明，將噴射火焰的截頭圓錐體轉(zhuǎn)化為等效的傾斜圓柱體，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)分別為

(15)

式中：X為泄漏口中心至目標(biāo)的距離，m；x為火焰表面至目標(biāo)的距離，m。

則利用Mudan提出的觀測因子(視角系數(shù))計(jì)算公式泄漏口下風(fēng)處X(m)距離的視角系數(shù)Fview：

(16)

式中：Fv為目標(biāo)在垂直方向上的幾何系數(shù)；Fh為目標(biāo)在水平方向上的幾何系數(shù)。

根據(jù)Bagster的計(jì)算公式，大氣熱傳遞系數(shù)τα可由式(17)求得：

(17)

式中：Pw為環(huán)境溫度下大氣中的水蒸氣壓力，N/m2；Ew為環(huán)境溫度下的飽和水蒸氣壓力，N/m2；RH為環(huán)境溫度下的相對濕度，%。

因此，泄漏口某一距離X(m)處的輻射強(qiáng)度qW/m2計(jì)算如式(18)所示：

q=SEPmaxFviewτα。

(18)

2 CNG加氣站固定儲氣設(shè)施燃?xì)庑孤┤紵裏彷椛鋸?qiáng)度的數(shù)值計(jì)算

2.1 傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算

目前CNG加氣站固定儲氣設(shè)施主要用儲氣瓶(瓶組)和高壓氣地下儲氣井。儲氣瓶(瓶組)采用大容積儲氣瓶臥式排列布局，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，具有易于制造、瓶閥少、接口少、安全性高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)末發(fā)明的高壓氣地下儲氣井是受制于天然氣儲存行業(yè)技術(shù)裝備發(fā)展水平的暫時選擇，它是將177.8～273.1 mm直徑的套管采用石油鉆井方式打入地下80～300 m，將底部用水泥固封的CNG管式儲存容器，儲氣井具有占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用低、安全可靠、操作維護(hù)簡便和事故影響范圍小等優(yōu)點(diǎn)[11]。根據(jù)對現(xiàn)有儲氣設(shè)施的燃?xì)庑孤堆芯?，最容易發(fā)生燃?xì)庑孤┑奈恢脼楣潭▋庠O(shè)施進(jìn)/出氣管口連接處，其中最危險的工況為泄漏燃?xì)獾纳淞鞣较驗(yàn)閮庠O(shè)施軸向方向，此工況所要求的防火間距最大。根據(jù)上述分析，本文選用高壓氣地下儲氣井為研究對象，利用Matlab計(jì)算極限工況下的熱輻射強(qiáng)度，如表2—表4所示。

圖1 高壓儲氣瓶組結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the high-pressure gas cylinders group

表2 CNG加氣站固定儲氣設(shè)施泄漏計(jì)算參數(shù)列表Tab.2 Leakage calculation parameters list of CNG filling stations fixed storage facilities

表3 CNG儲氣設(shè)施泄漏燃燒計(jì)算結(jié)果Tab.3 Leakage combustion calculations ofCNG storage facilities

表4 距儲氣設(shè)施泄漏口某一距離X處的熱輻射強(qiáng)度qTab.4 Thermal radiation intensityqat a distanceXfrom storage facilities leak orifice

可見，當(dāng)目標(biāo)距離在CNG固定儲氣設(shè)施泄露位置50 m處時，其噴射火焰的輻射強(qiáng)度為4.069 kW/m2，對該位置構(gòu)建筑物的影響較小，與文獻(xiàn)[5]中表4.0.8所規(guī)定的CNG固定儲氣設(shè)施到站外重要公共建筑物的防火間距為50 m的要求基本吻合。

2.2 基于二次泄壓技術(shù)的數(shù)值計(jì)算

為了進(jìn)一步減小CNG加氣站的防火間距，提高土地的利用率，本文提出了一種智能感知型壓縮天然氣大容積瓶式抗爆泄壓地下儲氣井，將瓶組式儲氣單元置于地下，配以抗爆泄壓式結(jié)構(gòu)和可燃?xì)怏w檢測器等傳感元件，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，實(shí)時監(jiān)控，事故可控，維護(hù)便捷，經(jīng)濟(jì)效益顯著[14]。

由于新型CNG儲氣設(shè)施設(shè)計(jì)了泄壓結(jié)構(gòu)(見圖2)，

圖2 新型CNG儲氣設(shè)施的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the new CNG storage facility

發(fā)生泄漏時，膨脹氣體先通過地下結(jié)構(gòu)泄壓，從泄壓口噴出的氣體壓力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于泄漏發(fā)生時的初始壓力。CNG泄漏時，泄漏速度極快，整個泄漏過程可以看成是一個絕熱過程。該設(shè)施發(fā)生泄露燃燒時的熱輻射強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果如表5—表7所示。

表5 新型CNG儲氣設(shè)施泄漏計(jì)算參數(shù)列表Tab.5 Leakage calculation parameters list of the new CNG storage facility

表6 新型儲氣設(shè)施泄漏燃燒計(jì)算結(jié)果Tab.6 Leakage combustion calculation of the CNGnew storage facility

表7 距儲氣設(shè)施泄漏口某一距離X處的輻射強(qiáng)度qTab.7 Thermal radiation intensityqat a distanceXfrom the new storage facility leak orifice

可見，與現(xiàn)有CNG加氣站的固定儲氣設(shè)施相比，該新型儲氣設(shè)施在極限工況下發(fā)生泄漏燃燒時，其燃?xì)鈬娚渌俣?、火焰長度、火焰表面積以及熱輻射強(qiáng)度等參數(shù)均明顯減小。當(dāng)目標(biāo)距離在新型固定儲氣設(shè)施泄露位置25 m處時，其噴射火焰的輻射強(qiáng)度為4.071 kW/m2，按照文獻(xiàn)[5]的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在同樣的熱輻射強(qiáng)度下其防火間距為25 m即可滿足要求，可以大幅減小該儲氣設(shè)施對CNG加氣站防火間距的要求。

3 結(jié) 語

圖3 CNG儲氣設(shè)施泄漏氣體燃燒的熱輻射強(qiáng)度與目標(biāo)距離的關(guān)系曲線Fig.3 Versus of heat radiation intensity and target distance for CNG storage facilities leakage gas combustion

從理論分析和數(shù)值模擬的角度對CNG加氣站固定儲氣設(shè)施防火間距進(jìn)行了定量分析研究。通過對現(xiàn)有CNG加氣站固定儲氣設(shè)施和新型儲氣設(shè)施在發(fā)生燃?xì)庑孤┤紵龝r熱輻射強(qiáng)度的數(shù)值計(jì)算，證明在同樣的工況下新型儲氣設(shè)施所產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度要小于現(xiàn)有的CNG儲氣設(shè)施(如圖3所示)，所滿足的防火間距要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有的CNG儲氣設(shè)施。本文為更科學(xué)、安全、合理、規(guī)范地確定CNG加氣站固定儲氣設(shè)施的安全間距提供了一種新思路。在今后的研究工作中，還需設(shè)計(jì)相應(yīng)的工程試驗(yàn)對上述固定儲氣設(shè)施的安全間距進(jìn)行驗(yàn)證。

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Quantitative study on fire separation of fixed storage facility for CNG filling station

ZHANG Lanjiang1,2, LUO Weidong1, HUANG Zhongguo1, LIU Li1

(1.School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2.School of Mechanical and Automobile Engineering, Liaocheng University, Liaocheng, Shandong 252059, China)

The fixed storage facility safety distance of CNG filling station is closely related to urban safety and land use. In order to meet the safety requirement but reduce the safety distance and improve land usage rate, the safety distance of CNG filling station is studied. The burning gas leakage thermal radiation of the fixed storage facilities is numerically analyzed based on the Chamberlain model. On the basis of the research achievement of new antiknock pres-relief type fixed storage facilities, by using Matlab, the corresponding calculating of thermal radiation is conducted when gas leakage burning accident of different forms of fixed storage facilities occurs. The results show that the new fixed storage facility (technology) can effectively reduce the fire separation, and improve the land use rate of CNG filling stations.

combustion calculation; CNG filling station; fire separation; thermal radiation; fixed storage facility

1008-1534(2016)06-0509-06

2016-07-23;

2016-10-31；責(zé)任編輯：馮 民

張?zhí)m江(1980—)，男，山東昌樂人，博士研究生，主要從事能源裝備新技術(shù)方面的研究與設(shè)計(jì)工作。

E-mail:landy_qd@163.com

A

10.7535/hbgykj.2016yx06012

張?zhí)m江，羅維東，黃重國，等.CNG加氣站固定儲氣設(shè)施的防火間距研究 [J].河北工業(yè)科技,2016,33(6):509-514. ZHANG Lanjiang, LUO Weidong, HUANG Zhongguo,et al.Quantitative study on fire separation of fixed storage facility for CNG filling station[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(6):509-514.