危險場所泄漏天然氣爆燃的尖點效應研究

晏建波，王海蓉 (中山大學工學院，廣東 廣州 510006；廣東省消防技術重點實驗室，廣東 廣州 510275)

危險場所泄漏天然氣爆燃的尖點效應研究

晏建波，王海蓉 (中山大學工學院，廣東 廣州 510006；廣東省消防技術重點實驗室，廣東 廣州 510275)

從區域之間的能量平衡出發，建立了描述泄漏天然氣燃燒發展過程的尖點突變模型，結合通風條件以及火源參數，探討了爆燃發生的必要條件。研究表明，在同一濃度下，如果通風面積增大到一定程度，天然氣泄漏引發的燃燒較難轉變為爆燃；在正常的燃燒范圍內，前導燃燒越大，天然氣濃度越高，越容易發生爆燃。

天然氣；爆燃；尖點效應

泄漏后的天然氣與空氣的混合物遇明火會產生燃燒或爆炸現象，因其燃燒速度較慢，在開敞的環境下，一般不會由燃燒波轉化為沖擊波而對外做功、造成爆炸[1]。隨著可燃物質貯存量增加和操作條件的日益嚴格，天然氣在BOG(低溫液體，Boil of Gas)壓縮機房等受限空間內燃燒并轉化為爆燃的可能性愈來愈大。為此，筆者從空間的區域能量平衡出發，建立了天然氣爆燃的尖點突變模型，并探討了爆燃發生的內部機制及其影響因素。

1 控制方程及其求解

1.1物理模型

注： LR、WR、HR分別表示模型的長度、寬度和高度，m；Wv、Hv分別表示通風口的寬度和高度，m。

采用區域模型[2]研究危險場所天然氣爆燃的發生機制。爆燃區域模型圖如圖1所示。

1.2控制方程

以可燃物富集區為研究對象，建立如下能量平衡式[3-4]：

(1)

能量獲得率G的定義式如下：

(2)

熱通量qff的定義式如下[2]：

(3)

系統的能量損失包括燃氣的焓損以及對壁面的輻射和換熱損失3部分：

(4)

整理上述各式得[5]：

(5)

φ3+μφ+ν=0

(6)

1.3控制方程的求解

對應溫度狀態的突跳，系統釋放的熱通量為：

(7)

2 計算結果分析

2.1爆燃時的溫度和釋熱量

表1 不同濃度下天然氣爆燃時的溫度及熱通量數據表

假定危險場所的長、寬、高為分別為1m， 通風口高度Hv=1m。天然氣密度ρ=0.58kg/m3，定壓比熱cp=2205J/(kg·K)，汽化熱hv=427098J/kg，反應熱Hc=38121KJ/Kg，表面輻射率ε=0.4，輻射反饋系數αU=0.1, 指前因子k0=1.03， 熱交換系數ht=1W/(m2·K)， 火焰傳播半徑R=0.15m。根據式(6)，確定預混氣發生爆燃時的溫度和所釋放的熱通量，計算結果如表1所示。

研究認為爆燃認定標準如下[8]：當溫度超過873K、熱通量超過20kW/m2時，爆燃容易發生。由表1可知，天然氣的濃度為15%且通風口面積為0.4m2時，燃燒溫度為865.15K，熱通量為23.484kW/m2，基本符合爆燃認定標準；天然氣的濃度為18%且通風口面積在0.4、0.5、0.6m2時，燃燒溫度均達到了900K以上，且熱通量都在23kW/m2以上，爆燃更易發生。因此，當天然氣的濃度等于或超過15%時，容易發生爆燃。

2.2爆燃發展勢態分析

以濃度為15%的天然氣為例，當通風口面積為0.4m2、前導燃燒的火焰半徑為0.08m時，控制參數μ=0.89。可燃氣與進入的空氣點燃后趨于自由燃燒，系統處于平衡態：天然氣將從初始溫度(約300K)開始點火燃燒, 然后平穩上升，并很快趨于自由燃燒(見圖2(a))。

在同樣的通風條件下， 如果火焰半徑R增長為0.15m，前導燃燒的放熱量將會大大提高，并導致能量在中壓區聚集。這時，控制參數μ=-1.28，ν=0.415。因此，燃氣溫度從344K突跳至865K, 并且火災勢態隨溫度的增加而擴大，導致爆燃發生(見圖2(b))。

當火焰半徑為0.15m，而通風口面積為0.5m2時，μ=-0.96。天然氣將從T=468K的定態點突然開始燃燒，并迅速升溫發展至完全燃燒階段。這時，系統處于平衡態與爆燃態之間的過渡態，其溫度變化過程如圖2(c)所示。

圖2不同控制參數下的燃燒發展態勢示意圖

3 結論

(1)在同一濃度下，如果通風面積增大到一定程度，天然氣泄漏引發的燃燒較難轉變為爆燃。

(2)在正常的燃燒范圍內，前導燃燒越大，天然氣濃度越高，爆燃越容易發生。

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[編輯] 李啟棟

O347.5+1

A

1673-1409(2013)22-0022-03

2013-05-01

廣東省科技計劃資助項目(2010B060900051)。

晏建波(1990-)，男，碩士生，現主要從事LNG儲運與安全領域方面的研究工作。

王海蓉(1974-)，女，博士，講師，現主要從事燃燒與安全領域方面的教學與研究工作；E-mail:wanghairong11@126.com。