綜合管廊燃氣管道泄漏模擬實驗臺的研制

張瑞達， 許淑惠， 袁欣然， 郝卿儒， 徐榮吉

(北京建筑大學 北京未來城市設計高精尖創新中心， 建筑用能國家級虛擬仿真實驗教學示范中心， 北京 100044)

0 引 言

2014年起，國家開始大規模地投資建設地下綜合管廊，2015年我國建成的綜合管廊長度約為1 000 km，投資約880億元[1]。綜合管廊是指建于城市道路地下，用于容納多種市政管線的公用設施[2]。綜合管廊能夠保障城市基礎設施的安全，改善城市環境，眾多的優勢使之成為市政公用管線鋪設的主流趨勢和必要發展方向[3-4]。燃氣管道在綜合管廊中需要單獨設艙[5]，而燃氣管道屬于高危管線，在管廊的密閉空間內，若發生泄漏會有爆炸危險，引起的后果非常嚴重[6]，所以需要研究燃氣管道在燃氣艙內發生泄漏時的擴散規律，以應對泄漏情況的發生，保障綜合管廊的安全。

為了預防綜合管廊事故的發生，李文婷結合上海市某綜合管廊項目，運用 FDS 分析軟件，對地下綜合管廊電纜火災煙氣蔓延過程和熱量傳遞過程進行模擬分析[7]；趙永昌等在隧道模型基礎上，搭建了 1∶3∶6 的小尺寸地下綜合管廊實體模型，對電力艙室火災溫度場進行研究[8]；方自虎等采用CO2代替燃氣在管廊里一側進行泄漏的方式建立管艙泄漏模型，用于燃氣泄漏擴散模型實驗[9-11]；胡敏華以深圳的大梅沙-鹽田坳燃氣共同溝為例，設計了包含管溝模型、氣體釋放裝置和報警系統的實驗臺，模擬天然氣在靜風狀態下的泄漏，可用于綜合管廊報警的研究[12-13]。

通過閱讀大量文獻發現，國內外學者主要對綜合管廊電力艙的火災情況進行研究[14]，并且為研究燃氣艙燃氣泄漏情況所設計的燃氣艙泄漏實驗臺較簡單，沒有考慮管廊的通風狀態，只能進行靜態實驗。本文設計了一種能充分保證實驗安全性和可靠性的綜合管廊燃氣泄漏模擬實驗臺，該實驗臺能對綜合管廊內不同情況下的燃氣泄漏情況進行模擬，通過分析實驗測得的數據，可知道燃氣泄漏后管廊內不同位置的燃氣體積分數，用于對管廊燃氣艙燃氣泄漏后擴散規律的研究。

1 實驗臺方案設計

對北京某實際項目中綜合管廊燃氣艙進行分析，該燃氣艙斷面尺寸為1.7 m×3.4 m，其中燃氣管道布置在管艙右側，直徑300 mm，由支座支撐，支座高500 mm，艙內留有1 m寬的檢修通道以及預留燃氣管線，如圖1(a)所示。燃氣管艙以200 m長度劃為一個防火分區，并采用防火門分隔開，在燃氣管艙內，當燃氣泄漏后，防火門關閉，可控制燃氣擴散區域在一個防火區間內，然后通過排風井將燃氣排出管艙，所以將模擬的燃氣管艙長度定為200 m。為對燃氣艙內發生燃氣泄漏后的模擬結果形象描述，需定義管艙內觀測面。因此，以A—A斷面為觀測面，如圖1(b)所示，觀察燃氣的擴散情況。

按照實際項目中的燃氣艙設計模擬實驗臺，根據流體力學中的相似理論以及搭建實驗臺的場地面積，選擇按照比例1∶20對實際燃氣艙設計實驗臺尺寸，搭建實驗臺并進行模擬實驗。同樣地，按比例縮放A—A觀測面，將其作為實驗管廊模型的觀測面，用于在實驗時觀察燃氣的擴散情況。實驗臺燃氣艙斷面尺寸為85 mm×170 mm，長度為10 m，由于燃氣管道體積占整個管艙空間的1.22%，因此不再敷設燃氣管道，并采用針頭泄漏的方式代替燃氣管道破損泄漏。由于整個實驗臺長度為10 m，擴散區域較短，因此將泄漏口設計在實驗臺中靠近進風口的一側。

圖1 北京某項目綜合管廊燃氣艙 (mm)

由于實驗臺搭建的場地在室內，考慮到實驗的安全性，采用其他氣體代替燃氣在空氣中泄漏的實驗方法。通過分析燃氣的物性條件、相對密度以及其他參數，選擇無毒且常見的氣體進行替代。發現可用N2氣體代替燃氣，CO2氣體代替空氣。管廊內燃氣管道輸送的燃氣為天然氣，天然氣的主要成分是CH4[15]，燃氣與空氣的密度比為0.63～0.68，而N2與CO2在常溫常壓下的密度比為0.642，兩者密度比較接近，因此認為采用N2代替燃氣，CO2代替空氣的模擬方法是可以的。

實驗設計原理圖如圖2所示，實驗氣體為純度99.999%的N2和CO2，儲氣氣瓶出口壓力可調。首先CO2氣體通過進風口流入整個模型管廊中，當管廊模型充滿CO2時，開啟N2氣瓶以及電磁閥，使N2在充滿CO2的管廊模型中泄漏，使用氣體采樣系統對管廊觀測面10個測點的混合氣體進行同時采集，然后使用數據處理系統對將采集后的混合氣體進行成分和含量的分析。

2 實驗臺搭建

2.1 綜合管廊模型

綜合管廊模型包括管廊本體、進風井、排風井、實驗臺支架等。管廊本體材料為有機玻璃材質，采用分段式設計，便于安裝和連接。管廊本體長度為10 m，分為8段，每段長度為1.25 m，用法蘭和固定螺母連接，同時在連接處設置墊片，以保持管廊本體的密閉性。為了定量分析管廊內不同位置、同一時刻的氣體含量，在每段管段側面設有多個采樣點，配合氣體采樣系統使用。泄漏口所處的分管段在側面上部和中間位置設均有采樣孔，其他管段只在中間位置設有采樣孔。每個采樣孔都設有一個圓形墊片，以此密封和固定采樣裝置的針頭。具體位置如圖3所示。

圖2 實驗臺設計原理圖 (mm)

(a) 泄漏口所處分管段

(b) 管廊管段采樣點位置

搭建綜合管廊實驗臺時用進風井和排風井代替實際管廊中的進風口和排風口，進風井和排風井斷面尺寸為0.07 m×0.07 m。在整座實驗臺的兩側分別設有擋板，模擬燃氣管艙的封閉防火區。管廊管段進風口側連接CO2氣瓶，開啟CO2氣瓶的閥門后，高純度CO2氣體從CO2氣瓶中流出，通過進氣軟管進入進氣井，再通過穩定氣流用的均流板后，流入管廊內部。在第3段管廊管段，距進風口3.125 m且距管廊側面27.5 mm處的底部鉆有小孔，設為泄漏孔，泄漏點針頭插入到泄漏孔內。泄漏口處針頭卸取方便，可換不同直徑的針頭進行實驗，針頭直徑最小為0.16 mm，最大達到1.26 mm，泄漏點針頭既可以采用徑向開孔，也可采用側面開孔，針頭可繞直徑實現360°轉動，從而模擬不同的泄漏口大小和泄漏口方位的泄漏過程。高純度N2從N2氣瓶中流出，可通過氣瓶閥門調節泄漏點N2出口壓力，N2通過進氣軟管和泄漏點針頭，由管廊底面泄漏孔進入管廊內。在LabVIEW軟件上控制電磁閥的開關，可以調節N2的泄漏過程。實驗后，管廊中的混合氣體由排氣井經排氣軟管排出。通過設置不同的實驗工況，可用于研究燃氣泄漏后氣體擴散影響因素，設置工況見表1。

表1 實驗工況設置表

為方便觀察和操作，實驗臺支架材質采用標準鋁合金型材，通過標準的直角連接件和螺釘固定，高度可調，將支架高度調整到方便操作的高度即可，實驗臺支架上設有縱梁以方便安裝和調整采樣裝置。圖4為綜合管廊燃氣管道泄漏擴散實驗臺，示意圖中僅選擇兩個管廊管段進行示意圖展示，實際實驗臺有8節管廊管段。

(a) 實驗臺示意圖

2.2 氣體采樣系統

氣體采樣系統可實現在同一時刻對不同位置的采樣點進行采樣，該系統包括直流電源、電磁繼電器、數據采集卡、電腦控制、氣體采集裝置，如圖5所示。其中電腦負責控制整套系統的采樣，數據采集卡型號為NI USB-6210，負責控制電磁繼電器的開關和換向。電磁繼電器控制采樣裝置中電磁缸的通電斷電及電流流向，從而進行采樣和復位操作。氣體采樣裝置固定在實驗臺支架上，主要由電磁缸和注射器構成，電磁缸型號為HF-TGA-50-24-10，負責拉伸和推送注射器芯桿。采樣裝置上有卡座，可卡住注射器芯桿，注射器的針頭通過采樣點伸入到管廊的觀測面處的位置。

圖5 氣體采樣系統原理圖及氣體采集裝置實物圖

使用LabVIEW軟件編程，該程序可實現控制N2泄漏開關、采樣時長、氣體采集裝置的采樣與復位操作等操作，并自動記錄N2泄漏時刻以及每次采樣時刻，實時顯示N2壓力，采樣界面如圖6所示。首先設置采樣時長即規定了采氣量的多少，點擊采樣后，氣體采集裝置中電磁缸帶動注射器活塞芯桿向后拉伸，采集泄漏后的N2和CO2混合氣體，人工取下注射器，電腦點擊復位后在換上新的注射器，進行下一輪的采樣操作。采樣結束后，可從電腦上導出每次采樣時刻，與泄漏時刻相減后即為泄漏后每次取樣的時間。

圖6 采樣程序界面

2.3 檢測裝置

實驗中需要收集流速、流量、壓力、溫度等數據，現將主要檢測裝置匯總于表2。

表2 檢測裝置

圖7 數據處理系統

2.4 數據處理系統

數據處理系統由氣相色譜儀(GC-2001)、N2000型色譜工作站、氫氣發生器(THH-300)三部分組成(見圖7)。該數據處理系統可以測試氣體采樣系統收集的混合氣體中N2和CO2的體積分數。在測試前，采用校正歸一法對氣相色譜儀進行校正，之后注入采樣裝置收集的混合氣體，點擊安裝在電腦上的色譜工作站軟件中的采集數據按鈕，然后查看色譜軟件上的N2和CO2體積含量。在色譜工作站中讀取數據文件后，將數據保存在自制表格中，與測點位置和采樣時間對應。

3 實驗臺的可行性驗證

3.1 靜態過程燃氣泄漏實驗

3.1.1實驗步驟

在注射器架子上同時放置20個序號從1～20排序好的注射器，例如，1號采樣點配有1-1～1-20的注射器，取樣時，按順序換取注射器。

實驗過程選取的針頭為0.16 mm，具體實驗操作步驟為：

(1) 手動開啟CO2氣瓶的閥門，使高純度CO2經進氣軟管和進氣井進入到管廊內。

(2) 用便攜式CO2檢測儀檢測排風口的CO2含量，達到99%以上時，視為管廊模型中充滿CO2氣體。然后關閉CO2氣瓶閥門，制造管廊內無風狀態，此時，記錄溫度為15°C。

(3) 每個氣體采集裝置卡座上放上序號為1的注射器，開啟N2氣瓶閥門，在電腦軟件中點擊開啟N2泄漏按鈕，此時高純度N2經泄漏點針頭進入到管廊內，模擬地下綜合管廊中燃氣管道的泄漏擴散過程。手動調節N2氣瓶減壓閥，調節出口壓力為0.2 MPa，觀測質量流量計，記錄泄漏流量為2.1 L/min。

(4) 點擊采樣系統界面的采樣按鈕，10個不同位置的氣體采集裝置同時進行采樣，采樣結束后人工取下注射器，放置在注射器架子上，點擊復位，按順序換上下一序號的注射器，依次在每個采樣點采集10管注射器的混合氣體。

(5) 采樣結束后，用橡膠塞封住注射器出口，按順序排列在架子上，等待分析。然后在電腦上點擊關閉N2泄漏按鈕，并手動關閉N2氣瓶閥門。

3.1.2實驗結果

實驗完成后，將待測樣品拿至數據數理系統處，使用氣相色譜儀對注射器中N2體積分數進行測量，測量后發現有效測點為7個。現將7個采樣點N2體積分數在不同時間的變化情況匯總在表3。

表3 不同泄漏時間下采樣點的N2體積分數 %

3.2 FLUENT模擬驗證

按照實驗臺的實際尺寸建立綜合管廊燃氣泄漏實驗臺物理模型，使用FLUENT軟件進行模擬計算。設置泄漏口處邊界條件為與靜態過程燃氣泄漏實驗工況相同的邊界條件，分別模擬燃氣在空氣環境中泄漏和N2在CO2環境中泄漏兩種情況。

在運算的過程中監測這7個采樣點的泄漏氣體的體積分數變化，運算到107 s時結束模擬，導出這7個采樣點的泄漏氣體含量，將軟件模擬結果與實驗結果對照，如圖8所示。

圖8 不同采樣點泄漏氣體體積分數實驗與模擬對比結果

通過對7個采樣點處氣體的體積分數對比，發現CH4在空氣中泄漏的模擬結果比較貼近實驗結果，并且N2在CO2中泄漏的模擬結果與實驗結果變化趨勢一致。雖存在一定的偏差，但誤差范圍在20%以內，證明該實驗臺模擬綜合管廊燃氣管道泄漏擴散過程是可行的。分析誤差產生的原因：實驗中測量N2的體積分數時存在由實驗設備精度等原因導致的隨機誤差；實驗氣體選用的是空氣中成分比例最大的N2，在采樣之前注射器內含有一定量的空氣，在氣相色譜處理數據時都默認為N2；在泄漏N2之前，空氣會滲入管廊模型或上次實驗泄漏的N2未被排盡，導致在采樣時N2含量增加。

4 結 語

研制的綜合管廊燃氣泄漏模擬實驗臺可實現對真實管廊中燃氣管道泄漏情況的模擬。使用FLUENT軟件，設置與實驗工況相同的條件，分別模擬N2在CO2中泄漏和CH4在空氣中泄漏兩種情況，并與實驗臺測得數據對比分析，發現誤差在合理范圍之內，證明采用N2在充滿CO2氣體的管廊模型中泄漏代替燃氣在燃氣管艙內的泄漏模擬方法可行，并且運用該實驗臺進行實際綜合管廊中燃氣泄漏情況模擬，研究燃氣泄漏后擴散規律是可行的。另外，該實驗臺可設置不同的實驗工況，研究燃氣泄漏后氣體擴散影響因素。為充分認識綜合管廊內燃氣管道泄漏擴散情況，有效預測泄漏事故范圍，進行泄漏事故后處理，建立完善的燃氣艙運行條例和國家標準，提供了安全、可行的實驗裝置。