燃氣燃火特效劇場的有害物質散發特性及適宜的通風技術措施研究

北京市公用事業科學研究所 朱禹洲 高春梅北京市燕山工業燃氣設備有限公司 侯翠翠

1 概述

室內燃火特效劇場是指在室內劇場使用可燃氣體或液體制造火焰、噴火、爆炸等特效表演的場所。由于燃火特效演出能極大地提升演出的感染力和表現力，受到了眾多演出導演的追捧，近年來燃火特效系統的應用呈逐漸增多的趨勢。

燃火特效表演采用明火進行表演，且表演時會在很短的時間內燃燒大量的燃氣，污染物瞬時散發量大，可能造成空間內污染物嚴重超標。為了確保這類項目的安全，筆者所在團隊起草了國內首個室內燃火特效工程的技術規程，并對其有害物質的散發特性及通風關鍵技術措施進行了研究。依照該技術規程，筆者建議室內燃火特效劇場僅使用天然氣作為燃料，因此本文只對采用天然氣為燃料的室內燃火特效劇場進行分析。

2 燃火特效劇場特征

燃火特效劇場室內區域主要包括：觀演區、表演區、背景區。表演區是燃火特效表演的區域，區域內設有燃氣管道、特效燃燒器、監控設備及燈光、音響等設備；背景區主要用來搭建、投影場景，配合表演區進行藝術渲染，亦可兼作演出后臺使用。典型燃火特效劇場的分區見圖1。

圖1 典型燃火特效劇場的分區

為配合表演，燃火特效燃燒器可采用多種類型，提供不同的火焰效果，常見燃火特效燃燒器工作參數見表1。

表1 常見燃火特效燃燒器工作參數

由上述特征可見，室內燃火特效劇場具有以下特殊性：1) 劇場內使用燃氣，其通風系統必須獨立設置，并采用直流式系統，且其內部應為負壓；2) 空間高大且基本封閉；3) 人員密集，且靠近特效燃燒器較近；4) 劇場內使用大量明火，散發多種有害物，需要確定何種有害物質對安全危害最大，并加以控制；5) 為保證可視度和特效效果，燃氣往往燃燒不完全，煙氣中CO含量較高；6) 演出中明火帶來的污染物和熱負荷散發不均勻，存在極高的峰值負荷；7) 因布景及其他設備的限制，排風口一般無法布置在表演區、背景區內，不便于采用局部排風；8) 需要控制表演區的氣流流速，以防影響火焰效果；9) 特效燃燒器工作時可能破壞通風的氣流組織；10) 視情況可能需要采用局部送風，通過正壓對表演區的電器進行保護。

3 劇場內有害物質分析

燃火特效劇場可能存在多種有害物質，主要包括以下幾項：CO、CO2、SO2、缺氧(非有害物質，為行文簡練歸并在有害物質內)。不同有害物質的毒害機理和限值有較大差異，消除其危害所需的通風量大不相同，因此需要分析并確定其中對通風量設計影響最大的關鍵有害物質。

3.1 各有害物質的濃度限值

各有害物質在不同場所的濃度限值見表2[1-5]。

表2 燃火特效劇場可能存在的主要有害物質標準限值

基于燃火特效劇場觀演時長一般短于15 min，CO采用GB 50736—2012規定的不高于30 mg/m3的要求；CO2采用JGJ 57—2016規定的小于0.25%的要求，即4 573 mg/m3；SO2采取GBZ 2.1—2019規定的PC-STEL限值，為10 mg/m3。

3.2 劇場內有害物質的散發強度

1) CO的散發強度。天然氣燃燒生成的煙氣中CO體積分數一般在1%～2%以下[6]，即最多約有10%～20%的天然氣未完全燃燒。據筆者工程經驗，一般的用氣設備在極限情況下，煙氣中的CO體積分數可能達到1%左右，考慮到燃火特效燃燒器為了保證火焰的可視度和特效效果，往往有意或無意地劣化燃燒條件，因此這種燃燒器的CO排放量取上限較為保險。本文假定天然氣由100%甲烷組成，那么極端情況下，單位體積天然氣的最大CO散發強度約為0.2 m3/m3。

2) CO2的散發強度。CO2的散發來源有2個：一是房間內人員呼吸的代謝產物，二是燃燒生成的煙氣。前者相對較少，可忽略不計。由反應方程式計算，單位體積天然氣的CO2散發強度約為1 m3/m3。

3) SO2的散發強度。依據GB 17820—2018《天然氣》，含硫量最高的二類氣的總含硫量不大于100 mg/m3[7]。由反應方程式計算，單位體積天然氣的最大SO2散發強度約為6.99×10-5m3/m3。

4) O2的消耗速度。O2主要有2個消耗途徑：一是房間內人員呼吸消耗，二是燃燒消耗。前者相對較少，可忽略不計。對于燃燒消耗的O2，依據反應方程式，燃燒單位體積天然氣消耗的O2為2 m3/m3，消耗的空氣量為9.52 m3/m3。

3.3 關鍵有害物質的確定

全面通風稀釋方程[8]為

式中 C為通風后房間內的有害物質質量濃度，mg/m3；Cs為送入房間的空氣中有害物質的質量濃度，mg/m3；M為室內有害物質的散發強度，mg/s；Vv為房間的通風量，m3/s；V為房間容積，m3；t為通風時長，s；C0為通風前房間內有害物質的初始質量濃度，mg/m3。

通風一定時間達到穩定后，全面通風稀釋方程可以簡化為

燃火特效劇場存在的有害物質中，CO、CO2、SO2三者之間沒有疊加作用，可以分別考慮。CO進入人體后與血紅蛋白結合，使血紅蛋白失去攜氧能力，毒害機理和缺氧類似，需要疊加計算。

依據GBZ2.1—2019，當2種有害物質具有相似的毒害作用時，其濃度限值應滿足式(3)。

式中 C1、…、Cn為通風后房間內空氣中各種有害物質的質量濃度，mg/m3；Cy1、…、Cyn為各種有害物質的最高允許質量濃度，mg/m3。

一般空氣中的有害物質濃度較低，可忽略不計，那么由式(2)和式(3)可得，消除有疊加作用有害物質的全面通風量Vv見式(4)。

V1+…+Vn≤Vv

(4)

式中 V1、…、Vn為消除無疊加作用有害物質所需的全面通風量，m3/s。

那么由上述各種有害物質的散發強度，消除燃燒1m3天然氣所產生的有害物質各自所需要的全面通風量見表3。

表3 消除各類有害物質所需的全面通風量

可見，燃火特效劇場內消除CO及缺氧所需的通風量最大，且遠大于其他有害物質，因此燃火特效劇場的通風設計應以CO作為控制指標，而非常規劇場中采用的CO2。為了安全起見，在設計時應假設所有燃氣中有20%未完全燃燒并生成了CO，此時燃燒所需的通風量僅占其2%，可以忽略不計。

4 全面通風效果的定性分析

本文通過假定的劇場模型對燃火特效劇場通風的特點進行研究。假設劇場為一長方體空間，總容積為20 000 m3，劇場通風換氣次數為6 h-1，劇場結構見圖1。每場燃火特效表演用氣量約14 m3，表演持續1 min左右，每小時表演10場，用氣時序見圖2。

圖2 用氣時序

稀釋方程可認為是房間內所有位置的通風效率Ev=1情況下的理想方程。為了對房間內有害物質的濃度進行定性分析，本文假定有害物質在劇場內均勻散發，通風空氣送入房間瞬間與房間內空氣混合均勻。那么，可以采用稀釋方程分析該劇場不同階段空氣中有害物質濃度的變化，其變化趨勢見圖3。

圖3 Ev=1的理想情況下劇場空氣中CO的質量濃度變化

可見，劇場的CO散發速度一直大于排除速度，劇場內CO質量濃度在第一場表演結束時就已經遠超30 mg/m3，即使每場表演間隔期間持續通風也無法完全排除上一場表演散發的CO，致使劇場內的CO質量濃度隨時間不斷升高。而且，考慮到實際通風過程存在大量回流區，劇場內的CO質量濃度將高于計算值。

因此，該類型劇場的通風設計需要特別注意有害物質的排除效率，通風效率應盡量大于1，否則有害物質在室內將隨時間集聚；由于表演區及回流區的CO濃度基本都超出限值要求，因此觀演區必須處于通風氣流的上游，且不應使回流區氣流進入觀演區，保持觀演區的換氣效率ηa接近1。另外，由于CO的散發速度快，要將劇場內所有區域的CO質量濃度控制在30 mg/m3以下，需要400 h-1的通風換氣次數，這顯然是難以達到的。因此，在燃火特效劇場內是無法單純通過通風換氣次數保證室內空氣品質的。

5 適宜氣流分布的研究

基于前面的討論，筆者為燃火特效劇場設置了2種可能的氣流分布形式，并通過計算機仿真的方式研究實際通風效果。計算機仿真采用ANSYS進行三維建模，并對模型進行非結構化網格劃分，經過網格無關性檢驗，確定合適的網格數量，時間步長為0.01 s。本模型氣流為非穩態流動，送風口、污染物入口的邊界條件為速度入口，出風口為速度出口，墻壁設置為絕熱壁面。先進行10 min的通風使劇場內氣流穩定，之后按照用氣時序進行一場特效表演，表演完成后繼續模擬1 min。為了研究極端情況下通風對有害物質的排除效果，假設各特效燃燒器使用的燃氣中有20%未完全燃燒并生成了CO，燃燒瞬間完成并以高溫煙氣的形式從各燃燒器處釋放，煙氣中各成分的體積分數為：2%CO、8%CO2、69%N2、19%H2O、2%O2，煙氣溫度為1 800 ℃。

模式1：觀演區采用近距離頂部送風，格柵送風口距地5 m高，且風口盡量覆蓋全部觀演區，送風溫度20 ℃，送風速度約0.23 m/s，總送風量110 000 m3/h；表演區上空均布9個頂部排風口，每個排風口面積2 m2，充分利用燃火特效表演的熱射流提高有害物質和熱氣流的排除效率，排風量為120 000 m3/h；由劇場門窗等自由補風。送、排風口位置見圖1。燃火特效表演用氣量及用氣時序見圖2。

圖4顯示了模式1劇場內不同時刻中間豎直截面處氣體流動狀態。可以看到：1) 特效燃燒器會對表演區上空的通風氣流造成較大影響，其尾部的回流空氣速度衰減較慢，長時間存在于劇場內，是造成劇場污染物擴散的重要原因，應特別注意其流動趨勢。2) 由于射流和熱壓作用的存在，表演后有害物質會迅速流向頂部，可見應將排風口主要布置在該區域頂部，便于有害物質排出。3) 因為送風口距離觀眾較近，雖然送風速度較低，但是在本模型假定的特效燃燒器距離下，燃燒器的強大氣流并不會對觀演區產生過大干擾。4) 觀演區基本形成豎直單向流送風環境，換氣效率近似為1，能夠有效阻隔其他區域有害物質侵入。5) 表演結束后，在表演區及觀演區的上方形成了較大回流區，需要持續保持觀演區的單向流通風，防止有害物質侵入，保持該區域的空氣品質。

圖4 模式1劇場內不同時刻中間豎直截面處氣體流動狀態

圖5顯示了模式1劇場內不同時刻各截面處CO體積分數。可以看到：1) 左下側觀演區內的空氣品質基本都能滿足要求，僅在特效表演結束1 min 后前排頂部3 m以上有小部分區域CO體積分數為0.002%～0.003%。2) 為了保證觀眾的安全，建議適當加大觀演區單向流的設計范圍，防止邊緣區域的觀眾受到有害氣體的侵害。3) 以本模式進行排風，觀演區的通風效率接近無窮大，但是表演區的通風效率無法大于1，不能減緩劇場內的CO集聚。如果可能的話，建議降低排風口高度，縮短其與特效火焰的距離，使煙氣能夠更迅速地被排至室外，提高通風效率。

圖5 模式1劇場內不同時刻各截面處CO體積分數

圖6顯示了模式1劇場內距地3 m高截面處的溫度分布。可以看到觀演區的溫度受表演影響不大，基本能夠滿足熱舒適性要求，但是由于特效表演釋放的熱負荷較大，模擬持續時間內劇場溫度在逐漸升高，因此實際項目應該適當降低送風溫度。

圖6 模式1劇場內距地3 m高截面處的溫度分布

模式2：觀演區及表演區采用球形噴口水平送風，噴口距地6 m高，觀演區后側布置6個，相鄰兩側各布置11個，球形噴口送風速度15 m/s，觀演區前排區域設計風速約0.5 m/s，總送風量11 000 m3/h；排風、補風、用燃氣情況與模式1完全相同。送、排風口位置見圖7。

圖7 模式2送、排風口位置

圖8顯示了模式2劇場縱、橫截面處在特效表演結束1 min后的流場。可以看到劇場內沒有形成較為有序的氣流分布，回流空氣存在于所有區域。同時，在表演區中間位置上空，噴口射流的速度達1 m/s左右，可能會影響特效火焰的效果。

圖8 模式2劇場縱、橫截面處在特效表演結束1 min后的流場

圖9顯示了模式2劇場內不同時刻各截面處CO體積分數。可以看到：1) 噴口射流在其周圍引起較強的卷吸作用，使表演產生的煙氣與射流迅速混合，形成大量帶有較高CO濃度的回流區。2) 射流會破壞火焰引起的熱壓作用，阻礙煙氣順利上升，煙氣長時間集聚在靠下部位無法順利排除，劇場的通風效率小于1。3) 觀演區的CO濃度沒有得到有效控制，特效表演結束1 min后，觀演區大部分區域的CO體積分數都在0.003 3%～0.003 9%區間，觀眾有中毒隱患。

圖10顯示了模式2劇場橫向截面處的溫度分布。得益于射流的卷吸作用，室溫控制較好，靠下部位的溫度明顯低于上部。

對于模式2，由于噴口射流卷吸作用強，即使調整噴口的位置使其集中于觀演區，或者繼續加大送風量，都無法滿足燃火特效劇場控制CO的需求，因此不建議采用。與模式1類似的通風方案在燃火特效劇場中應用，表演時在觀眾區前排測得的CO體積分數為0.000 1%，可見模式1是有效的。

6 結論

燃火特效劇場與普通劇場存在諸多不同的特性，其通風設計不能套用普通劇場的技術措施。筆者建議在設計燃火特效劇場的通風系統時，應該以排除CO為首要目標，并應假設有20%燃氣未完全燃燒生成CO來設計通風量；設計中應特別注意優化劇場的氣流組織，提高劇場的通風效率，并保證煙氣不得回流進入觀演區，保證觀眾的安全和健康。

具體措施如下：

1) 通風系統應獨立設置，并采用直流式，排風量應適當高于送風量，保持劇場內部負壓；

2) 送、排風口盡量布置在相對的兩側或頂面，以便通風氣流大體上沿同一方向流動，減少回流區域面積；

3) 送風口應該靠近觀眾集中布置，采用低速送風的形式，盡量使觀演區地面以上2～3 m高度以內的氣流單向流動至觀演區外，阻止表演區有害物質侵入觀演區；

4) 排風口建議布置在表演區頂面，并在不影響演出效果的情況下，盡量靠近特效火焰，提高排除煙氣的效率。