張亦翔，李玉星，耿曉茹，劉翠偉，王武昌，朱建魯

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580)

0 引言

對(duì)于輸氣管道和大型液化氣儲(chǔ)罐發(fā)生的泄漏擴(kuò)散現(xiàn)象，火災(zāi)爆炸事故是最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，不僅容易造成大量的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，給站場(chǎng)的安全生產(chǎn)帶來(lái)了極大的隱患，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞并可能引發(fā)不良的社會(huì)影響。為了有效防止噴射火災(zāi)的發(fā)生以及減輕火災(zāi)爆炸事故帶來(lái)的損失，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)噴射火的燃燒機(jī)理[1-2]、火焰的傳播特性[3-4]和影響因素[5-6]以及有效的抑制手段[7-8]展開了研究。

Gomez等[9]通過(guò)對(duì)丙烷氣體在垂直方向的噴射火實(shí)驗(yàn)確定了氣體火焰溫度在速度方向呈先增加后減小的規(guī)律，建立了溫度隨傳播距離的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式；馬子超等[10]研究了不同泄漏位置對(duì)外界環(huán)境的危害，認(rèn)為水平噴射產(chǎn)生的輻射區(qū)域危害面積最大；Schefer等[11]分別研究了具有不同夾角的墻壁結(jié)構(gòu)在固定距離對(duì)降低噴射火產(chǎn)生的危害效果；董炳燕等[12]通過(guò)FDS模擬研究了障礙物寬度對(duì)噴射火傳播特性的影響，確定了最佳的障礙物阻擋寬度；楊宏偉等[7]通過(guò)軟件模擬得到了障礙物在密閉空間對(duì)火焰?zhèn)鞑サ耐牧骷铀僮饔?；徐明高、丁以斌等[13-14]實(shí)驗(yàn)研究了不同障礙物結(jié)構(gòu)、數(shù)量和位置對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，但研究主要針?duì)于深井隧道內(nèi)的障礙物布置。噴射火的危害主要為火焰對(duì)人員或設(shè)備的沖擊、在短距離內(nèi)產(chǎn)生的高強(qiáng)度熱輻射通量對(duì)周圍設(shè)備的輻射損壞[15]。對(duì)以往事故總結(jié)發(fā)現(xiàn)，50%涉及噴射火災(zāi)的事故往往會(huì)導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)額外的事故后果，產(chǎn)生多米諾效應(yīng)[16]。目前對(duì)于管道、儲(chǔ)罐泄漏產(chǎn)生噴射火與障礙物的作用規(guī)律缺乏實(shí)驗(yàn)研究，且之前的研究多集中于重?zé)N以及輕烴的預(yù)混氣體噴射火，對(duì)于相對(duì)密度較小的輕烴水平噴射火的研究較少。因此，基于實(shí)驗(yàn)確定合適的障礙物高度和布置距離具有一定的工程意義。

鑒于此，本文以障礙物的高度以及障礙物與泄漏口的距離為研究對(duì)象，將不同置障工況下的火焰幾何特征、溫度和熱輻射分布規(guī)律進(jìn)行對(duì)比，得到不同條件下障礙物對(duì)甲烷氣體水平噴射火焰的控制效果，為噴射火的事故預(yù)防和控制提供理論和技術(shù)上的指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)方法及驗(yàn)證

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共包括4個(gè)部分：噴射系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)，如圖1所示。噴射系統(tǒng)為長(zhǎng)400 mm、噴口直徑為?=8 mm的圓管，障礙物尺寸為120 mm×120 mm，高度分別為120 ，180和240 mm的鋼制立方體，放置在三角支架上置于噴射口正前方。點(diǎn)火系統(tǒng)由點(diǎn)火器、控制電源和控制器組成，點(diǎn)火器的工作電壓為直流6 V，點(diǎn)火電極能量為6 J，位于噴口水平軸線位置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由K型熱電偶(-40～1 300 ℃)、熱輻射傳感器(0～200 kW·m-2)、高速攝像儀和數(shù)據(jù)記錄儀組成。其中，K型熱電偶沿噴口軸向位置以150 mm的增量依次布置，測(cè)點(diǎn)2和3分別布置在障礙物前后位置；TS-10C輻射熱流傳感器與溫度測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3在相同水平位置，與軸線垂直距離為300 mm。火焰的圖像由高速攝像儀以3 000 fps的速度進(jìn)行拍攝，捕捉火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中幾何形貌的變化；配氣部分由甲烷氣瓶(體積分?jǐn)?shù)為99.99%)提供，流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)通過(guò)閥門控制，滿足實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)不同流量的需求，其中轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量的氣體流量以空氣進(jìn)行標(biāo)定，所以將空氣的流量轉(zhuǎn)換為實(shí)際的甲烷流量，換算公式如下：

(1)

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Experimental devices schematic diagram

式中：q0和q1分別為空氣和甲烷的流量值，m3/h；ρ0和ρ1為2種氣體在20 ℃，101.325 kPa狀態(tài)下的密度，值分別為1.205 kg·m-3和0.66 kg·m-3；P1，T1分別為甲烷在工作狀態(tài)下的絕對(duì)壓力、溫度；P0，T0分別為空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的絕對(duì)壓力和溫度。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)在室溫和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)前連接噴射槍、流量計(jì)、甲烷氣瓶、點(diǎn)火電極等，檢查燃燒裝置的完備性和密封性，將障礙物置于噴射口水平軸線位置，組裝高速攝像機(jī)并與計(jì)算機(jī)連接。進(jìn)氣時(shí)打開閥門至轉(zhuǎn)子流量計(jì)浮子跳動(dòng)，開啟點(diǎn)火器電源進(jìn)行手動(dòng)點(diǎn)火，同時(shí)觸發(fā)高速攝像機(jī)，在水平方向形成穩(wěn)定的燃燒火焰，開始采集數(shù)據(jù)和圖像。

每組試驗(yàn)分別在達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)后，采集并記錄溫度和熱輻射數(shù)據(jù)，高速攝像機(jī)拍攝速度為3 000 fps，圖像選取在穩(wěn)定燃燒大約7 s左右的火焰形態(tài)變化。試驗(yàn)完畢后將所取圖像導(dǎo)入圖像處理軟件，通過(guò)調(diào)節(jié)像素識(shí)別捕捉火焰輪廓，每隔100幀記錄火焰的高度和面積，用于分析不同置障工況下對(duì)火焰固有特性和誘導(dǎo)特性的影響。

1.3 誤差分析

本次實(shí)驗(yàn)的誤差主要由以下幾個(gè)方面引起：溫度測(cè)量采用的k型熱電偶精度為±0.75%；熱輻射傳感器的精度為±3%；壓力測(cè)量采用精密壓力表，精度為0.02%。每組工況進(jìn)行3次或3次以上的重復(fù)實(shí)驗(yàn)。表1為無(wú)障礙條件下進(jìn)行的3次實(shí)驗(yàn)溫度和輻射數(shù)據(jù)對(duì)比，穩(wěn)定燃燒階段的平均溫度最大相對(duì)誤差為7.8%，熱輻射的最大相對(duì)誤差為5.0%，均在可接受誤差范圍之內(nèi)。

表1 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)比Table 1 Error comparison of repeatable experiment

2 結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)噴射火的特征參數(shù)進(jìn)行了量化分析，火焰高度選取在整個(gè)圖像中火焰底部到頂部垂直距離的高度，從噴口到完全燃燒區(qū)域作為火焰的面積，火焰速度選用鋒面?zhèn)鞑ニ俣葋?lái)表示。

2.1 障礙物高度對(duì)噴射火焰特征影響分析

在出口速度和障礙物與泄漏孔間距不變的情況下，分析障礙物高度對(duì)噴射火的影響。根據(jù)工況1障礙物距離噴口為200 mm，氣體的流量Q分別為1.6，2.1和2.9 m3·h-1，雷諾數(shù)Re在4 092～7 503之間，達(dá)到穩(wěn)定燃燒的湍流狀態(tài)。

2.1.1 火焰幾何尺寸變化分析

圖2為捕捉到的火焰外焰輪廓，用于計(jì)算火焰的高度和面積尺寸。因?yàn)榛鹧嫒紵嚸鏋槊芏乳g斷面，燃燒產(chǎn)生的脈動(dòng)和震蕩特性，在噴口處和火焰頂部產(chǎn)生失穩(wěn)、變形和剝離導(dǎo)致部分燃燒片段較難捕捉，但相對(duì)于火焰整體輪廓仍屬于可接受的誤差范圍。圖2中，在Q=2.9 m3·h-1，d=200 mm時(shí)，增加障礙物對(duì)火焰的充分發(fā)展起到了良好的抑制效果，有效阻擋了可燃?xì)怏w在水平方向的射流傳播，火焰的高度和面積最大減小了8.8%和59.3%。由圖3可知，在障礙物高為120 mm時(shí)，火焰的平均高度和面積分別為620 mm和41 000 mm2。而隨著障礙物高度的增加，在垂直方向燃料與氧氣的接觸面積減小，燃燒強(qiáng)度下降，使火焰難以越過(guò)障礙繼續(xù)傳播，因此，火焰的高度和面積在縱向產(chǎn)生小幅的減小。

圖4是3種不同流量下火焰高度和面積隨障礙物高度的變化曲線，從圖可以看出火焰的高度和面積均隨著障礙物高度的增加而逐漸下降，且下降的幅度趨于平緩。在Q=1.6 m3·h-1，高240 mm障礙物的阻擋效果相對(duì)于120 mm的障礙使火焰長(zhǎng)度和面積分別下降了8.1%和19.8%，說(shuō)明高240 mm的障礙已經(jīng)起到了較好的阻擋效果。火焰在縱向的燃燒逐漸趨于穩(wěn)定，火焰鋒面在氣流卷吸作用下向上抬升的程度逐漸減弱，因此，從宏觀現(xiàn)象表現(xiàn)為火焰長(zhǎng)度和面積的大小趨于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

圖2 在Q=2.9 m3·h-1，d=200 mm時(shí)不同障礙物高度下火焰的變化Fig.2 Changes of flame shape at different height of obstacles under Q=2.9 m3·h-1, d=200 mm

圖3 Q=2.9 m3·h-1，d=200 mm下障礙物對(duì)火焰幾何形狀的影響Fig.3 Obstacle effects on flame geometry under Q=2.9 m3·h-1, d=200 mm

2.1.2 障礙物對(duì)溫度分布影響分析

圖5為在障礙物距離噴射口d=200 mm時(shí)，不同泄漏速率下不同測(cè)試點(diǎn)溫度隨障礙物高度的變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)定燃燒時(shí)間大約持續(xù)10～30 s，隨后關(guān)閉閥門，火焰溫度逐漸衰減。在障礙物前方的測(cè)溫點(diǎn)1看出，測(cè)點(diǎn)溫度隨障礙物高度增加而增加，隨流量增大溫差減小。測(cè)溫點(diǎn)布置在距水平軸線右側(cè)一定距離，在Q=1.6 m3·h-1時(shí)，泄漏量較小，障礙物高120 mm對(duì)火焰在縱向高度的阻擋作用有限，因此在障礙物上方可燃物與氧氣接觸面積較大，提高了火焰在垂直方向的傳播速度和熱釋放率，導(dǎo)致在水平測(cè)點(diǎn)處溫度略低，平均值為264 ℃。當(dāng)障礙物高度增加到240 mm時(shí)，阻擋作用增強(qiáng)，可燃物在縱向與氧氣混合減少，由燃燒造成的空氣卷吸作用下降，導(dǎo)致火焰高度和燃燒面積減小。此時(shí)在障礙物前方測(cè)點(diǎn)處的溫度較高，平均值為432 ℃。隨著泄漏量增加，在3種高度障礙物前，燃燒的平均溫度差距減小。因?yàn)樵黾託怏w流量，導(dǎo)致可燃?xì)怏w與空氣之間的預(yù)混距離增加。氣體燃燒受到障礙物的干擾程度增強(qiáng)，表現(xiàn)出火焰的劇烈燃燒，因此，在障礙物前形成高溫。而在障礙物后方由于有效的阻擋作用，火焰溫度迅速下降。從圖5中看出，當(dāng)泄漏量在1.6 m3·h-1時(shí)，火焰不能越過(guò)方形障礙物，而增大泄漏量部分火焰沿障礙兩側(cè)向后方蔓延，在后方形成較高的溫度場(chǎng)，但該處的溫度遠(yuǎn)小于沒(méi)有障礙時(shí)的情況。

圖4 不同流量下火焰的幾何形狀Fig.4 Flame geometry under different flow rates

圖5 障礙物前后測(cè)點(diǎn)的溫度變化規(guī)律Fig.5 Changes of temperature before and after the test point

2.1.3 障礙物對(duì)熱輻射通量影響分析

圖6為在距離泄漏口d=200 mm時(shí)，穩(wěn)定燃燒階段障礙物前(測(cè)點(diǎn)1)和障礙物后(測(cè)點(diǎn)2)熱輻射通量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。在3種流量下，熱輻射通量均隨著障礙物高度的增加而減小，說(shuō)明提高障礙物的高度有效阻擋了熱輻射通量的傳播，當(dāng)流量增加到Q=2.9 m3·h-1時(shí)，熱輻射平均最大下降可達(dá)2 402 W·m-1。

表2對(duì)比了不同工況下障礙物抑制輻射傳播的效果。當(dāng)泄漏口與障礙物距離為200 mm時(shí)，阻擋效果最好，熱輻射通量的下降幅度最大為64.1 %。當(dāng)障礙物高度逐漸增加，控制熱輻射衰減程度逐漸減低。由于可燃?xì)怏w和空氣的燃燒熱為定值，當(dāng)障礙物高度到達(dá)一定值并繼續(xù)增加時(shí)，對(duì)于控制火焰的熱流量傳播幅度降低。而隨著障礙物與噴射火之間距離增加，對(duì)于熱流量的控制效果逐漸減弱，因此當(dāng)障礙物布置在燃燒的最高溫區(qū)域之外時(shí)，對(duì)抑制火焰的傳播效果明顯下降。

圖6 障礙物前后測(cè)點(diǎn)之間的輻射變化趨勢(shì)Fig.6 Changes of radiation before and after the test point

2.2 障礙物與噴射孔距離影響分析

在固定噴射速度和障礙物高度條件下，改變障礙物與噴射口的距離分析障礙物對(duì)后方溫度和輻射傳播的影響。

2.2.1 溫度分析

從圖7中看出當(dāng)障礙物與噴射口距離從200 mm增加到400 mm時(shí)，高240 mm的障礙物形成的平均溫降從950℃減小到250℃，高120 mm的障礙物平均溫降從738℃下降到50℃左右。說(shuō)明隨著障礙物與噴射口之間距離的增加，障礙物控制溫度下降幅度逐漸減小，此時(shí)障礙物對(duì)火焰?zhèn)鞑サ淖钃踝饔妹黠@減弱。主要原因是甲烷噴射火在水平傳播時(shí)受空氣浮力影響，火焰抬升高度比重?zé)N類氣體大，因此隨軸線距離增加火焰溫度迅速下降。在d=300 mm時(shí)，火焰已經(jīng)進(jìn)入持續(xù)燃燒區(qū)，在障礙物前方形成火焰的高溫區(qū)域，因此在障礙前后兩側(cè)產(chǎn)生的溫度梯度較大，說(shuō)明障礙物對(duì)溫度的抑制效果與傳播距離密切相關(guān)。當(dāng)d=400 mm時(shí)，火焰已經(jīng)進(jìn)入完全燃燒的羽流擴(kuò)散區(qū)，受空氣浮力影響的抬升高度較高，此時(shí)障礙物對(duì)火焰的阻擋效果已經(jīng)明顯減弱，所以障礙物應(yīng)布置在可燃物到達(dá)充分燃燒之前，產(chǎn)生較好的抑制效果。

2.2.2 輻射分析

通過(guò)熱輻射的變化趨勢(shì)可以明顯看出，在d=200 mm時(shí)，3種流量下對(duì)輻射的抑制效果均大于50%，而隨著障礙物與噴射口距離的增加，熱輻射通量的下降幅度減小，障礙對(duì)于火焰?zhèn)鞑サ淖钃跣Ч档?。因此根?jù)實(shí)驗(yàn)確定合適的置障距離，有助于形成高效的阻燃區(qū)。

圖7 在距泄漏口不同位置處前后測(cè)點(diǎn)溫差分布Fig.7 Temperature distribution before and after the test point in different positions

圖8 障礙物前后熱輻射隨時(shí)間的變化Fig.8 Changes of radiation before and after the obstacle with time

3 結(jié)論

1)障礙物能有效阻擋火焰在速度方向的傳播，減緩火焰對(duì)下游的危害，使障礙物后方的溫度和熱輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于沒(méi)有障礙物的情況。

2)在一定噴射距離和流量的條件下，隨著障礙物高度的增加，火焰的幾何尺寸減小，障礙后方的溫度和熱輻射迅速下降，且障礙物高度繼續(xù)增加，下降幅度逐漸降低；在Q=2.9 m3·h-1，d=200 mm時(shí)，溫度和熱輻射最大下降比例分別達(dá)到88.5%和64.1%。

3)隨著障礙物與泄漏孔間距的增加，障礙物前后兩側(cè)溫差逐漸降低，控制火焰?zhèn)鞑ノ：Φ哪芰p弱，因此障礙物布置在持續(xù)燃燒區(qū)域之前對(duì)火焰的控制效果最好。