燃氣用戶端爆炸危險區域劃分方法研究

朱禹洲， 侯翠翠

(1.北京市公用事業科學研究所，北京100011；2.北京市燕山工業燃氣設備有限公司，北京100011)

1 概述

燃氣具有易燃易爆特性，其輸配、儲存和使用過程均需采取相應安全技術措施。爆炸危險區域劃分是電氣防爆安全技術措施的基礎，決定了工藝流程的合理性、周圍電氣設備防護的復雜程度，甚至直接決定整套設計方案可行性。高壓、中壓城鎮燃氣輸配廠站和其他使用燃氣的工廠區域，一般有相應的國家標準或行業標準對其爆炸危險區域劃分進行規定，且得到嚴格執行，安全性較高。但是，燃氣用戶端(燃氣用戶設施)爆炸危險區域的劃分目前存在較大困難。現有方法或未考慮釋放源特性，或無法對用戶端的復雜環境進行詳細分析。現有方法面對用戶端的復雜條件可操作性較差，不能準確、合理地劃分爆炸危險區域，不能有效保證燃氣的使用安全。本文通過對比現有方法，應用計算機仿真分析方法將釋放源特性、周邊障礙物、通風條件作為整體進行綜合分析，研究適用于燃氣用戶端的爆炸危險區域劃分方法。

2 現有劃分方法比較

現有爆炸危險區域的劃分方法有4種。方法1，基于長時間實踐總結出經驗范圍，并以圖例的方法指導具體設備設施爆炸危險區域的劃分。此方法是目前國內設計單位主流的劃分方法，其參考標準是GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》(2020年版)和GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》。方法2，基于半經驗半理論分析的危險區域估算方法，其參考標準是GB 3836.14—2014《爆炸性環境 第14部分:場所分類 爆炸性氣體環境》。方法3，基于氣體射流理論和擴散模型等純理論分析方法。方法4，基于有限元分析的計算機仿真分析方法。

2.1 GB 50058—2014劃分方法

GB 50028—2006是國內城鎮燃氣領域最重要的設計標準之一，標準中關于電氣防爆的技術措施參照GB 50058—2014相關規定，其爆炸危險區域劃分方法與GB 50058—2014一致。GB 50058—2014主要參照美國石油工業協會(API)以及美國消防協會(NFPA)相關標準內容，依據石油、化工工業生產實踐經驗制定，其適用范圍包括“生產、加工、處理、轉運或貯存過程中出現或可能出現爆炸危險環境”的區域。這些區域涉及的可燃物質一般壓力較高，數量較多，危險性高。標準基于經驗給出了在最不利條件下可燃物質可能擴散的最遠距離，以此劃分爆炸危險區域，并以圖例方法向設計人員提供設計指導。例如，通風良好條件下，釋放天然氣的二級釋放源將形成一個爆炸危險區域。該爆炸危險區域的等級為2區，范圍為地坪至釋放源上方7.5 m且半徑為4.5 m的圓柱形區域，該爆炸危險區域的劃分示例見圖1(當釋放源距地坪高度超過4.5 m時爆炸危險區域有差異，見GB 50058—2014)。該方法流程簡便、界限分明、安全性高，在國內廣受設計單位青睞。

圖1 GB 50058—2014爆炸危險區域劃分示例

雖然這種劃分方法安全性高，但高要求也給防爆措施的落實造成困難。例如，參照GB 50058—2014規定，使用燃氣的商業廚房內一定存在爆炸危險區域，且整個廚房基本都處于2區以內，廚房內的所有設備均須進行防爆設計。顯然，這一要求在實際應用中是不可行的，因此燃氣商業廚房目前并未被視為爆炸危險區域，從而埋下一些安全隱患。實際上，GB 50058—2014在標準適用范圍內明確說明不適用城鎮燃氣領域，因此GB 50028—2006不應該參考GB 50058—2014。但是，由于國內沒有其他上位標準可以參考，出于安全因素考慮，GB 50028—2006還是參考了GB 50058—2014的方法。另外需要說明的是，GB 50028—2006僅對門站、儲配站、調壓站等輸配系統廠站進行了相關規定，未對燃氣用戶端進行規定。

2.2 GB 3836.14—2014劃分方法

GB 3836.14—2014采標于國際電工協會IEC 60079《爆炸性環境系列標準》(Series Explosive Atmosphere Standards)，主要規定了不同釋放源及環境條件下爆炸危險區域劃分方法，其中爆炸危險區域劃分流程見圖2，圖中假設體積指爆炸危險區域的預估體積。

圖2 GB 3836.14—2014爆炸危險區域劃分流程

燃氣泄漏是釋放源的一種形式。小孔燃氣泄漏可以采用小孔泄漏模型進行求解，從而得到釋放速度。該模型在眾多研究和實踐中被采用，較為準確可靠[1-3]。

通風特性求解過程中，最小通風量依據GB 3836.14—2014第B.5.2.2款，用式(1)計算。

(1)

式中qV，min——最小通風量，m3/s

qm，max——釋放源釋放可燃氣體的最大質量流量，kg/s

k——不同爆炸下限對應的安全系數，對于連續級和一級釋放源取0.25，對于二級釋放源取0.5

ρLEL——可燃氣體的爆炸質量濃度下限，kg/m3

T——環境溫度，K

分析可見，該求解方法對全面通風稀釋方程進行了簡化，假設釋放出的所有可燃氣體瞬間被通風稀釋，且均勻分布在釋放源周圍。現實中，釋放源周圍的可燃氣體質量分數隨距釋放源的距離增加呈下降趨勢，可燃氣體主要集中在中心部分，因此該求解方法求得的最小通風量要大于實際需求量。最小通風量可以理解為評估爆炸危險區域范圍的一個標準參量，在此標準參量的基礎上疊加通風對可燃物質擴散速度的影響，確定對應的爆炸危險區域假設體積。

依據GB 3836.14—2014第B.5.2.2款，假設體積Vz計算見下式：

(2)

式中Vz——假設體積，m3

f——通風效率的倒數，理想狀態下f取1，空氣流動受阻時f最大可取5

C——換氣次數，h-1

可見，GB 3836.14—2014劃分方法充分考慮了釋放源的特性、周圍的通風條件對于爆炸危險區域的影響，比GB 50058—2014更靈活、準確。但該方法也存在一些問題：所有釋放源都需要單獨計算分析，過程過于復雜；求解過程中的釋放口面積選取缺少可靠依據；求解得到的假設體積與爆炸危險區域并不是直接對應關系，需要專家依據假設體積結合主觀經驗分析確定。因此，國內設計單位較少采用。

2.3 純理論分析方法

① 射流模型

燃氣釋放過程符合射流、擴散等理論模型，可采用理論分析的方法對其質量分數場、速度場進行求解。在軸線方向上，距釋放口一定距離處有觀察點A。在非等溫射流條件下燃氣釋放射流的卷吸關系見下式[3]。

(3)

式中qm,en——從釋放口到觀察點A被卷吸進入射流的空氣質量流量，kg/s

qm, 0——射流出口燃氣質量流量，kg/s

ρa——周圍流體密度，kg/m3

ρ0——射流流體密度，kg/m3

r0——軸線方向上觀察點A離釋放口的距離，m

d——釋放口直徑，m

燃氣釋放時，燃氣射流不斷卷吸周圍空氣進入射流并與之混合。可見，湍流自由射流在理論情況下，射流內某處的質量分數場只與釋放口直徑和射流流體密度有關，即只要釋放口面積一定，不管管內壓力如何，它釋放所形成的可燃氣體云團體積、位置、質量分數都相同，這有悖于常識。因為該模型過于理想化，僅考慮了氣體的流動，沒考慮氣體的擴散，這在射流的初期流速高于擴散速度多個數量級時是比較準確的，但是后期兩者速度差減小，擴散作用顯現，其準確度就會下降。另外，該模型僅針對自由射流，實際環境下，完全無風、無阻礙的情況較少，因此該模型的適用面很小。

② 高斯模型

燃氣釋放后會在釋放源附近形成燃氣云團，云團在環境中自由擴散規律通常采用高斯模型進行計算。定義任意點(記為點B)離釋放點的距離為r。當釋放點附近平均風速小于0.5 m/s時，則點B處燃氣質量濃度見下式[1]：

(4)

式中ρB——燃氣在點B處的質量濃度，kg/m3

a、b——擴散系數，m

r——點B離釋放點的距離，m

h——釋放點距地高度，m

tw——靜風持續時間，s，取3 600整倍數

高斯模型假定燃氣連續均勻地排放，空間的大氣條件均勻穩定，水平和垂直方向上的擴散都服從正態分布。相較于射流模型，高斯模型主要考慮了氣體的擴散作用，但忽略浮力及重力的作用，因此只能對輕空氣或者相對密度接近1的氣體擴散進行計算分析，其適用于速度較低的燃氣釋放過程，或自由射流的末期。

結合射流模型和高斯模型特點，將二者結合使用應該可以得到更為精確的理論解，但其求解的復雜程度較高。同時，它同樣無法考慮復雜的大氣條件和障礙物對其造成的影響。

2.4 計算機仿真分析方法

計算機仿真分析方法快速、準確、結果直觀、適用面廣，能夠解決多元參數耦合問題，是目前技術研究、工程設計領域應用相當廣泛的分析方法。圖3是采用計算機仿真技術分析燃氣管道在復雜環境內燃氣釋放的過程及其云團的特征。

圖3 采用計算機仿真分析燃氣管道在復雜環境內燃氣釋放的過程及其云團的特征

圖3所分析的環境中，既有空間位置不同、幾何結構復雜的障礙物體，也有多股多方向流動的通風氣流。面對這種復雜的條件，前述的3種方法都沒有辦法劃分出科學、合理的爆炸危險區域。因此，本文推薦采用計算機仿真分析方法作為燃氣用戶端的爆炸危險區域劃分的主要方法。

3 計算機仿真分析方法示例

下文對燃氣用戶端一假想釋放案例，采用計算機仿真分析方法對復雜環境內燃氣釋放過程、燃氣云團特征、周邊障礙物對燃氣云團的影響等進行分析，為劃定適宜的爆炸危險區域提供依據。

3.1 模型的參數設置

應用CFD仿真軟件精確研究環境對燃氣釋放特性的影響，需要完整考慮燃氣壓力、種類、通風方式、釋放口形狀尺寸以及障礙物等多項內容[4]。對假想釋放案例的各項環境及釋放口條件設置如下：三維模型為邊長10 m正方體，坐標原點為地面中心處，釋放口坐標(3 m,0 m,1 m)，釋放口直徑為8 mm，釋放方向為-x方向，其中障礙物設置在距離釋放口1 m處，障礙物高、寬均為2 m，厚度0.1 m，障礙物墻面與yOz平面平行，在Oy方向居中，底面與地面緊密接觸。三維模擬物理模型見圖4。為保證網格計算合理性，采用網格無關性分析確定合適的網格數量。主要參數設置見表1。三維模型內初始狀態充滿壓力為101 325 Pa、溫度為20 ℃的空氣。環境壓力為101 325 Pa、溫度為20 ℃，通風溫度為20 ℃。本文定義爆炸質量分數上限、爆炸質量分數下限，分別對應爆炸上限、爆炸下限。爆炸質量分數上限為2.84%，爆炸質量分數下限為8.92%。燃氣按純甲烷考慮，溫度為20 ℃。

圖4 三維模擬物理模型

表1 主要參數設置

一般燃氣用戶端的燃氣壓力為低壓，供氣管道可能涉及中壓B，因此根據常見的用氣設備及供氣管道情況選取2、10、150 kPa共3種燃氣壓力及有無障礙物的情況，分6種工況進行模擬分析。受限于硬件算力限制，筆者將3種燃氣壓力下釋放過程通過小孔泄漏模型轉化成釋放速度進行模擬，此轉化方法能滿足實際工程問題的分析需要[5]。具體模擬工況見表2。左側面為進風口，右側面為出風口，各模擬工況空氣流動速度均為0.3 m/s，方向為-x方向。

表2 具體模擬工況

3.2 仿真結果分析

① 燃氣質量分數分布

達到穩定狀態時，工況3、4燃氣質量分數分布見圖5(圖中圖例數值為質量分數)。由圖5a可以看出，當無障礙物時，燃氣主要呈現射流特征，射程較遠，燃氣影響范圍較大，燃氣質量分數呈火炬形狀分布。

由圖5b可以看出，當設置障礙物時，燃氣受障礙物阻擋，速度迅速衰減，流動方向改變，燃氣在其左側逐漸堆積，燃氣質量分數升高且燃氣云團范圍不斷增大。詳細分析障礙物附近的燃氣云團發現，障礙物左側的云團呈不規則形狀集聚，射流核心區上下兩側的云團形狀存在較大差異，燃氣云團在受障礙物阻擋后折返流動，最終越過釋放口所在豎直截面，出現在釋放口左側較遠位置。障礙物右側雖然被阻擋，但是也在障礙物的動力陰影區出現形狀不規則燃氣云團。由此可見，簡單的障礙物就會對燃氣的流動、擴散、燃氣質量分數分布規律等造成非常復雜的影響。

圖5 工況3、4燃氣質量分數分布(軟件截圖)

燃氣用戶端實際障礙物的位置、形狀、尺寸更為多變，通過純理論的計算方法，顯然無法準確預測燃氣的流動、擴散、燃氣質量分數分布規律。

② 爆炸區域和危險區域

本文將燃氣質量分數處于爆炸質量分數下限以上的區域稱為爆炸區域；將燃氣質量分數大于等于爆炸質量分數下限的20%，即燃氣質量分數大于等于0.57%的區域稱為危險區域，該區域為特殊情況下可能發生爆炸的區域。圖6為不同燃氣壓力下有、無障礙物時爆炸區域和危險區域體積對比。

圖6 不同燃氣壓力下有、無障礙物時爆炸區域和危險區域體積對比

由圖6可以看出，無障礙物時，3種燃氣壓力下的爆炸區域、危險區域體積都隨燃氣壓力增大逐漸增大。

有障礙物時，爆炸區域、危險區域體積隨壓力變化的趨勢要復雜許多。障礙物既可以使射流減速并限制燃氣流動至更遠區域，也可以增強擾動擴大燃氣云團波及范圍。這兩種作用是相反的，在不同作用主導狀態下產生完全不同的效果。爆炸區域主要由速度較快的射流核心構成，障礙物阻擋可以大大降低其流動速度，迫使射流提前發展至射流末端的狀態，初始速度越快影響越大，隨燃氣壓力升高，爆炸區域先降低后升高。

對于中、低速湍流構成的流動混合狀態(包括小部分射流核心以及射流中段和末端)，障礙物則可以進一步加強混合作用，從而增大其體積。圖6a中，不同燃氣壓力下，有障礙物時爆炸區域體積均大于無障礙物時。圖6b中，燃氣壓力分別為10、150 kPa時，有障礙物時危險區域體積大于無障礙物時。說明這些工況下障礙物主要發揮加強擾動作用，使燃氣與空氣混合更加充分，增大了爆炸區域、危險區域體積。

對于圖6b，燃氣壓力為2 kPa危險區域體積比無障礙物反而變小。分析其流動特性，由于此時射流速度較低，衰減快，到達障礙物時已衰減至接近0，燃氣基本處于擴散狀態，障礙物完全發揮阻擋作用，從而降低了危險區域體積。此種工況下，障礙物對燃氣釋放產生的燃氣云團擴散有較強的抑制作用，可以大大縮小危險區域。

需要特別注意的是，不管有無障礙物，燃氣釋放產生的危險區域體積都比爆炸區域體積大4個數量級，說明燃氣釋放是非常危險的事故，即使是小流量的釋放也會出現大范圍的可能發生爆炸的區域。

綜上所述，面對燃氣用戶端復雜多變的環境條件，GB 50058—2014劃分方法、GB 3836.14—2014劃分方法、純理論分析方法無法劃分出準確的爆炸危險區域。采用計算機仿真分析方法，在進行爆炸危險區域劃分時，面對釋放壓力、通風、障礙物、死角處等耦合的復雜多變的環境條件，能夠分析燃氣釋放過程及燃氣云團的特征，可以為劃定準確的爆炸危險區域提供詳細依據，具有一定的現實意義。

4 結論

以釋放源特性影響、周邊障礙物影響、通風條件影響作為爆炸危險區域劃分方法的分析要素，對4種劃分方法(GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》劃分方法、GB 3836.14—2014《爆炸性環境 第14部分：場所分類 爆炸性氣體環境》劃分方法、純理論分析方法、計算機仿真分析方法)進行對比分析，研究適用于燃氣用戶端的爆炸危險區域劃分方法。對燃氣用戶端一假想釋放案例，采用計算機仿真分析方法對復雜環境內燃氣釋放過程、燃氣云團特征、周邊障礙物對燃氣云團的影響進行分析。研究發現：

① 面對釋放壓力、通風、障礙物、死角處等耦合的復雜多變環境條件時，GB 50058—2014劃分方法、GB 3836.14—2014劃分方法和純理論分析方法均有較大局限性，不能劃分出準確的爆炸危險區域。

② 采用計算機仿真分析方法，能夠為劃定準確的爆炸危險區域提供詳細依據。