高保彬，任闖難，劉彥偉，董 群

(1.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；2.山西省資源環(huán)境與災害監(jiān)測重點實驗室，山西 太原 030000；3.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000)

0 引言

近年來，新型城鎮(zhèn)化建設不斷推進，為解決“城市病”問題，綜合管廊在我國大范圍推廣建設[1]。相對傳統(tǒng)埋地方式，管廊本體空間受限，為燃氣爆炸提供必要條件，所以國內(nèi)綜合管廊單獨設燃氣艙室[2]。燃氣艙內(nèi)按照要求設置可燃氣體探測裝置，一旦出現(xiàn)燃氣泄漏，可燃氣體探測裝置聯(lián)動報警系統(tǒng)與阻隔閥可及時關閥切斷氣源,并啟動事故通風模式，有效控制事故隱患。實時探測是預防燃氣積聚引發(fā)爆炸關鍵環(huán)節(jié)[3]。

目前，國內(nèi)綜合管廊可燃氣體探測器一般采用分布式定點探測與濃度探測。2種方法均適用于泄漏氣體已發(fā)生蔓延的情況，針對泄漏氣體大范圍擴散的精準探測比較困難。國內(nèi)燃氣艙可燃氣體探測器設置間隔小于等于15 m，導致可燃氣體探測器利用率降低。國內(nèi)外學者針對綜合管廊燃氣泄漏擴散影響因素研究主要集中于通風風速、泄漏口孔徑、泄漏速度、障礙物等方面[4-10],關于燃氣艙可燃氣體探測模擬研究相對較少:方自虎等[11]通過對綜合管廊天然氣泄漏擴散進行試驗與數(shù)值模擬，初步建立報警響應時間擬合計算公式；胡敏華[12]通過共同溝內(nèi)天然氣管道泄漏報警模型試驗，分析天然氣泄漏量與艙室斷面寬度對報警響應時間影響，并對傳統(tǒng)經(jīng)驗公式進行修正;錢喜玲等[13]利用CFD軟件模擬發(fā)現(xiàn)，隨管道泄漏壓力增大，報警響應時間不斷減小；萬留杰等[14]發(fā)現(xiàn)CH4泄漏報警響應時間與泄漏點位置、風速以及分隔物等多重因素相關；鄧小嬌等[15]通過小孔泄漏模擬發(fā)現(xiàn),解除報警時間與進風口風速呈近似線性關系；許淑惠等[16]模擬分析安裝間距對報警器響應時間影響規(guī)律，同時驗證泄漏源形狀對響應時間影響；何樂平等[17]提出CH4探頭沿艙室高度方向布設位置優(yōu)化方案，縮小探頭布置高度取值范圍；黃劍等[18]提出增設擋氣板的可燃氣體探測系統(tǒng)優(yōu)化方案，但技術(shù)參數(shù)誤差較大。

因此，本文通過數(shù)值模擬對增設擋氣板探測器優(yōu)化方案有效性進行驗證，研究擋氣板對綜合管廊燃氣泄漏擴散影響規(guī)律，以更好地指導綜合管廊燃氣艙可燃氣體探測系統(tǒng)優(yōu)化布置。

1 數(shù)值模型及模擬設置

1.1 物理模型

根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838—2015)[19]，綜合管廊燃氣艙每200 m設置1個防火分區(qū)。以鄭州市惠濟區(qū)花園口鎮(zhèn)已建成綜合管廊燃氣艙單個防火分區(qū)為研究對象，燃氣艙斷面高3.0 m，橫向?qū)挾?.9 m，燃氣管道選用DN250鋼管，進出風口長寬均為1.2 m。。

本文采用DM幾何建模方式，對綜合管廊燃氣艙室結(jié)構(gòu)進行簡化處理，得到燃氣艙單個防火分區(qū)增設擋氣板二維簡化物理模型，如圖1所示。

圖1 燃氣艙單個防火分區(qū)增設擋氣板二維簡化物理模型

1.2 數(shù)學模型

燃氣由管道泄漏至綜合管廊燃氣艙，與外界環(huán)境發(fā)生能量與物質(zhì)交換，整體滿足流體力學3大控制方程和無化學反應湍流組分輸運方程，并共同構(gòu)成管廊內(nèi)燃氣泄漏擴散流動方程組。通過給定初邊界條件得到不同情況下特解。

將管道內(nèi)燃氣流動視為一維流動，連續(xù)性方程如式(1)所示：

(1)

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；t為流動時間，s；u為流體在x軸方向速度，m/s。

納維-斯托克斯方程在二維坐標系如式(2)所示：

(2)

式中：ux,uy為速度在x,y坐標軸分量，m/s；p為靜壓力，Pa；τxy為應力張量,Pa；ρg為重力體積力，N；F為外部體積力，N。

在二維簡化物理模型中，能量守恒如式(3)所示：

(3)

式中：T為流體熱力學溫度，K；k為流體傳熱系數(shù)；Cp為等壓比熱容J/(kg·K)；ST為黏性耗散項，Pa·s。

1.3 模擬設置

1)網(wǎng)格劃分

本文采用ANSYS19.2中Fluid Flow(Fluent)內(nèi)置前處理器Mesh進行模型網(wǎng)格劃分，選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，局部網(wǎng)格質(zhì)量將決定模擬結(jié)果可靠性。因泄漏孔及進出風口位置相對于防火區(qū)間長度200 m量級差異較大，需進行局部網(wǎng)格細化處理。劃分網(wǎng)格數(shù)共計50 138個，網(wǎng)格質(zhì)量約0.7。

2)求解設置

考慮泄漏燃氣組分在艙室內(nèi)進行對流擴散，處于湍流狀態(tài)，因此，本文利用Standardk-ε模型模擬泄漏氣體湍流流動，采用組分輸運模型(Species Transport)模擬燃氣泄漏擴散過程，并定義組分為CH4-空氣，考慮全浮力影響。瞬態(tài)分析時間步長設置為0.5 s，迭代運算過程中相關參數(shù)殘差變化情況如圖2所示(以小孔10 mm泄漏，泄漏速度100 m/s，通風風速1.38 m/s，未設擋氣板為例)。

圖2 迭代運算過程中相關參數(shù)殘差變化

3)初邊界條件

綜合管廊可有效防止管廊內(nèi)管道受第3方施工等因素影響，燃氣泄漏主要涉及自然腐蝕或焊縫失效等情況下小孔泄漏，孔徑一般小于20 mm。李昭陽[20]通過事故樹分析，發(fā)現(xiàn)孔徑為10 mm小孔泄漏概率比大孔泄漏及管道斷裂事故概率高。因此，本文選用孔徑為10 mm小孔泄漏模型作為研究對象。當泄漏口孔徑為定值時，泄漏速率與管道壓力成正比，管道壓力越大，泄漏速率越高，泄漏量越大。管道內(nèi)壓力受泄漏影響忽略不計，同時，不考慮燃氣在管道內(nèi)摩擦影響，泄漏源視為連續(xù)泄漏源，整個泄漏過程泄漏速度恒定，即等于初始最大泄漏率。小孔泄漏模型包括以下5個模擬條件：

①初始條件：因燃氣中一般CH4比例大于90%，所以泄漏組分選用CH4。t=0 時刻，泄漏未開始，燃氣艙內(nèi)充滿空氣，CH4濃度為0，壓強為0.1 MPa。

②泄漏源條件：模擬過程中，CH4與空氣只有組分擴散，不發(fā)生化學反應；泄漏孔徑10 mm，泄漏源處CH4組分設置為1；泄漏口設置為速度進口，通過改變泄漏速度調(diào)節(jié)泄漏量，泄漏速度分別設置為50，100 m/s。

③進風口條件：假定風向與風速不隨燃氣泄漏擴散空間垂直高度變化而改變，即風速與地面平行且恒定不變，組分為空氣。根據(jù)不同工況，進風口設置為速度進口，通風風速分別為0，1.38 m/s。(根據(jù)規(guī)范，正常引風量6次/h，按照惠濟區(qū)燃氣艙雙速風機風量和通風口尺寸換算對應正常通風風速為1.38 m/s。)

④出風口條件：出風口與外界大氣連通，設為壓力出口。

⑤其他條件：忽略傳熱變化，壁面無滑移，選用標準壁面函數(shù)求解，室溫為300 K。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 擋氣板對探測效果影響分析

根據(jù)CH4性質(zhì)可得燃氣爆炸下限為5%(體積分數(shù))，對應質(zhì)量分數(shù)為2.82%。綜合管廊內(nèi)燃氣探測報警濃度設定值不能高于爆炸下限值(體積分數(shù))的20%。因此，設定報警響應濃度值為0.005(質(zhì)量分數(shù))。為探究最長報警響應時間，將泄漏源布設于2個可燃氣體探測器中點位置。綜合管廊每隔15 m安裝1個CH4探測器，即泄漏源與兩側(cè)CH4探測器水平距離為7.5 m，并以下游距離最近探測器作為探測點。按相關標準要求，可燃氣體探測器位置距艙室頂部距離不宜大于0.3 m[21]，因此將探測點縱坐標設為2.7 m。擋氣板設置在探測器背風側(cè)，距探測器水平距離1 m，寬度為燃氣艙凈寬，厚度為0.2 m，高度為0.5 m。采用Fluent軟件模擬增設擋氣板前后燃氣泄漏擴散后濃度分布，導出探測位置時長數(shù)據(jù)，并對比分析擋氣板對探測效果影響。

1)不同泄漏量下?lián)鯕獍逵绊懶Ч?/p>

為研究不同泄漏量(泄漏速度)條件下增設擋氣板對探測效果影響，選取通風風速為0 m/s，泄漏速度分別為50，100 m/s工況進行分析，得到增設擋氣板前后探測點CH4濃度隨時間變化，如圖3所示。

圖3 無通風條件下，探測點CH4濃度與時間變化關系

由圖3可知，以CH4質(zhì)量分數(shù)0.005作為報警響應濃度，當泄漏速度50 m/s時，增設擋氣板前后報警響應時間分別為4.6，4.0 s；當泄漏速度100 m/s時，增設擋氣板前后報警響應時間分別為2.2，1.9 s。當持續(xù)泄漏10 s，且泄漏速度50 m/s時，增設擋氣板前后探測點位置CH4濃度分別為0.078，0.087；泄漏速度100 m/s時，增設擋氣板前后探測點位置CH4濃度分別為0.103，0.136。受擋氣板間探測區(qū)段阻擋作用影響，不同泄漏量情況下，增設擋氣板后探測效果均有所提升，且探測點位置CH4濃度峰值有所增大，但整體提升效果不明顯。

2)正常通風下?lián)鯕獍逵绊懶Ч?/p>

為研究正常通風條件下增設擋氣板對探測效果影響，得到通風風速1.38 m/s(正常引風量6次/h)，泄漏速度50，100 m/s工況下，探測點CH4濃度隨時間變化，如圖4所示。

圖4 正常通風條件下，探測點CH4濃度與時間變化關系

由圖4可知，正常通風條件下增設擋氣板，當持續(xù)泄漏20 s，探測點位置CH4濃度峰值仍有所升高；但報警響應時間并未縮短。通過多次模擬驗證發(fā)現(xiàn)，因擋氣板阻擋作用，在擋氣板迎風側(cè)形成渦流，靠近擋氣板迎風側(cè)一定時間內(nèi)屬安全濃度區(qū)域。即在正常通風條件下，若擋氣板靠近探測器設置，存在削弱探測效果可能性。

3)不同高度下?lián)鯕獍逵绊懶Ч?/p>

根據(jù)相關標準要求，并考慮運維與人員活動等因素，專家給出擋氣板高度取值范圍為0.4～0.6 m。

為研究擋氣板設置高度對探測效果影響，選取通風風速為0 m/s，泄漏速度為50 m/s，擋氣板高度由0.5 m依次調(diào)整為0.3，0.7 m，得到不同擋氣板高度下探測點CH4濃度隨時間變化，如圖5所示。

圖5 不同擋氣板高度下，探測點CH4濃度與時間變化關系

由圖5可知，當擋氣板高度由0.3 m調(diào)整至0.7 m，隨擋氣板高度增加，CH4濃度發(fā)生小幅度增大，報警響應時間與探測點位置CH4濃度峰值改變不明顯。結(jié)合鄭州市惠濟區(qū)燃氣艙內(nèi)頂部分隔物高度設置要求(≤0.5 m)及模擬結(jié)果可知，當擋氣板高度達0.5 m時，繼續(xù)增加擋氣板高度效果不明顯。因此，建議擋氣板高度設置應小于等于0.5 m。

4)不同泄漏位置下?lián)鯕獍逵绊懶Ч?/p>

上述工況均針對泄漏源位于2探測器中間位置進行探討。為研究不同泄漏位置增設擋氣板對探測效果影響程度，將泄漏源與下游探測器水平距離依次設置為5.0，7.5，10.0 m，并以下游探測器作為數(shù)據(jù)監(jiān)測點。當通風風速為0 m/s，泄漏速度為50 m/s，擋氣板高度為0.5 m時，得到不同泄漏位置處增設擋氣板前后探測點CH4濃度隨時間變化，如圖6所示。

圖6 不同泄漏位置下，探測點CH4濃度與時間變化關系

由圖6可知，無通風條件下，在某2個探測器區(qū)段內(nèi)，泄漏源與下游探測器水平距離越大，探測效果提升越明顯。實際工程中確保探測器正常工作條件下，一般水平距離最近探測器先發(fā)生報警。但僅于擋氣板迎風側(cè)設置探測器，且泄漏源位于區(qū)段內(nèi)靠近左側(cè)位置，建議將可燃氣體探測器設置于每塊擋氣板兩側(cè)，相鄰2塊擋氣板間距設置為50 m。常規(guī)綜合管廊燃氣艙可燃氣體探測器間隔一般為15 m，200 m長管廊區(qū)段至少需布置13個探測器，優(yōu)化后布置方案可降低38%探測器使用量，有效節(jié)約資源，降低工程造價。

2.2 擋氣板對危險區(qū)域影響

燃氣泄漏擴散后，會在艙室內(nèi)形成危險濃度區(qū)。無通風條件下，當艙室內(nèi)燃氣濃度危險區(qū)域達到一定范圍，會增加爆炸隱患，需考慮如何降低危險濃度區(qū)擴張速度；通風條件下，希望危險區(qū)域內(nèi)燃氣盡快通過風流作用由出風口排出。分別對無通風及通風條件下?lián)鯕獍鍖ξｋU區(qū)域影響進行分析。

1)無通風

無通風條件下，將泄漏源設在2探測器中點位置，通風風速0 m/s，泄漏速度50 m/s，擋氣板高度0.5 m，得到泄漏時間持續(xù)10 s時，燃氣艙危險區(qū)域分布，如圖7所示(下游探測點為圖中五角星標注)。

圖7 無通風條件下，持續(xù)泄漏10 s燃氣艙危險區(qū)域分布

由圖7可知，無通風條件下，燃氣泄漏擴散后均勻向兩側(cè)擴散。增設擋氣板后，受擋氣板阻擋作用，燃氣濃度危險區(qū)域一定時間被限制于擋氣板區(qū)段內(nèi)，危險區(qū)域擴張速度減?。煌瑫r，因擋氣板區(qū)段未構(gòu)成密閉空間，可在一定程度上確保探測報警安全性。但2塊擋氣板區(qū)段不會一直限制燃氣擴散，當達到一定時長，燃氣將繼續(xù)向區(qū)段外下游擴散。

2)正常通風

正常通風條件下，通風風速1.38 m/s，泄漏時間持續(xù)10 s時，得到增設擋氣板后燃氣艙危險區(qū)域分布，如圖8所示。

圖8 正常通風條件下，持續(xù)泄漏10 s燃氣艙危險區(qū)域分布

通過對比圖7～8可知，正常通風條件下，泄漏源上游不會出現(xiàn)燃氣濃度危險區(qū)域，驗證通風措施有效性。根據(jù)圖8頂部安全區(qū)域可以判斷，受通風風速、燃氣密度以及泄漏源位置等多重因素影響，第1個報警響應探測器位置存在后移可能。

由圖8可知，正常通風條件下，持續(xù)泄漏10 s，增設擋氣板前危險區(qū)域可擴散31 m，增設擋氣板后可擴散37 m。擋氣板背風側(cè)形成更大范圍安全區(qū)域，本該賦存在該區(qū)域的燃氣繼續(xù)擴散至下游，在一定程度上促進燃氣擴散排出，防止燃氣管廊內(nèi)部燃氣聚集。同時，由于頂部安全區(qū)域擴大，第2個發(fā)生報警響應探測點位置將發(fā)生后移，為優(yōu)化綜合管廊燃氣艙可燃氣體探測系統(tǒng)布置方案提供新思路與理論依據(jù)?？紤]擋氣板經(jīng)濟性與實用性，優(yōu)化布置方案還需著眼于擋氣板選材、安裝以及間距設置等技術(shù)參數(shù)對可燃氣體探測效果提升程度。有關擋氣板對綜合管廊燃氣泄漏擴散影響規(guī)律及方案有效性，仍需大量數(shù)值模擬、試驗驗證及具體工程實際檢驗。

3 結(jié)論

1)增設擋氣板后，無通風情況下，探測效果提升，且探測點處CH4濃度峰值增大。以泄漏速度50 m/s為例，增設擋氣板前后，報警響應時間分別為4.6，4.0 s，持續(xù)泄漏10 s探測點處CH4濃度分別為0.078和0.087。同時，泄漏源與下游探測器水平距離越大，探測效果提升越明顯。正常通風情況下，無明顯提升效果。

2)擋氣板高度達到0.5 m后，繼續(xù)增加設置高度，探測效果無明顯提升?？紤]綜合管廊內(nèi)部分隔物設置及排風要求，擋氣板高度設置應小于等于0.5 m。

3)增設擋氣板后，無通風情況下，危險區(qū)域受擋氣板區(qū)間段限制，擴張速度減??；正常通風情況下，泄漏速度50 m/s，持續(xù)泄漏10 s，增設擋氣板前后危險區(qū)域分別擴散31，37 m，擋氣板背風側(cè)安全區(qū)域間接促進泄漏燃氣擴散排出。