室外高压天然气喷射火燃烧特性实验_陈东生.pdf

113Operation&Management|运行与管理2023 年 1 月第 42 卷 第 1 期网络出版时间：2022-10-11T08:52:27网络出版地址：http:/ 5.8 MPa、管径为25 mm 的天然气管道开展了室外高压天然气水平喷射火实验。结果表明：当天然气燃烧达到稳定时，在高温火焰导致的浮力作用下，火焰会产生 11.3 1.4 的倾角；当天然气喷射燃烧时，在泄漏孔的孔口处会形成未参与燃烧的喷射气流，此区域气流的喷射速度较快、不易燃烧，喷射火焰中心区域平均温度超过 1 000，且火焰中心最高温度超过 1 300；火焰水平长度为 1921 m，在距离火焰中心 10 m 处的热辐射强度达到最大值 20 kW/m2。实验结果对高压天然气管道火灾事故处理及安全距离的制定具有参考价值。（图 9，表 5，参 18）关键词：天然气；喷射火；燃烧特性；热辐射；安全距离中图分类号：TE88文献标识码：A文章编号：1000-8241（2023）01-0113-08 DOI：10.6047/j.issn.1000-8241.2023.01.015Experiment on combustion characteristics of outdoor high pressure natural gas jet fireCHEN Dongsheng1,KOU Jiemin1,YANG Rui1,ZHU Jianlu2,ZHANG Yixiang2,PAN Jun21.Shaanxi Provincial Natural Gas Co.Ltd.;2.College of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum(East China)Abstract:Once leakage occurs in the gas pipeline under high pressure,it is very easy to form jet fire in case of encountering open flame,which will pose a great threat to the safety of people and property around the pipeline.In order to study the combustion characteristics of outdoor high pressure natural gas jet fire,an outdoor horizontal high pressure natural gas jet fire experiment was conducted using a natural gas pipeline with diameter of 25 mm and operating pressure of 5.8 MPa based on the influence mechanism of natural gas jet fire.The results show that the flame will produce an angle of 11.31.4 due to the buoyancy caused by high-temperature flame during the stable gas combustion.Besides,a jet flow not involved in combustion will be formed in the orifice of the leak hole during the jet combustion of natural gas,the gas flow in this area has a fast jet speed and not easy to burn,the average temperature in the center area of jet flame is higher than 1 000,and the highest temperature of the flame center is more than 1 300.The flame length is 19 m to 21 m,and the maximum thermal radiation is 20 kW/m2 at the place 10 m away from the flame center.In general,the experimental results have reference value for the fire accident treatment and the determination of safe distance of high pressure natural gas pipelines.(9 Figures,5 Tables,18 References)Key words:natural gas,jet fire,combustion characteristics,thermal radiation,safe distance近年来，天然气管道泄漏事故频繁发生，泄漏气体点燃后易发生喷射火、火球火灾、蒸气云爆炸等事故。目前，学者们对泄漏气体的燃烧特性及危害开展了大量研究。在理论研究方面，王振华等1对高压氢气泄漏形成的喷射火进行了研究，确定了 Abel-Nobel 气体状态方程对多种高压氢气储运设施泄漏的适用性；引文：陈东生，寇睫敏，杨睿，等.室外高压天然气喷射火燃烧特性实验J.油气储运，2023，42（1）：113-120.CHEN Dongsheng,KOU Jiemin,YANG Rui,et al.Experiment on combustion characteristics of outdoor high pressure natural gas jet fireJ.Oil&Gas Storage and Transportation,2023,42(1):113-运行与管理|Operation&Management2023 年 1 月第 42 卷 第 1 期距下，水平射流火焰撞击壁面时的燃烧特性，发现在热辐射传感器视角范围内，热辐射传感器热通量的变化可以用火焰体积的某一位置与火羽的距离来表征，并预测了水平射流火焰撞击到壁面主要区域的总辐射热通量；翟春婕等18在得到实验喷射火图像后，提出利用火焰图像来测量火焰锋面法向速度场的方式。然而，上述研究大多局限于理论研究、软件模拟以及低压小孔泄漏气体喷射火研究，对于室外高压天然气管道泄漏喷射火的实验研究甚少。为此，选取管道压力为 5.8 MPa、水平泄漏孔径为 25 mm的工况进行室外高压天然气水平喷射火实验，以期为天然气管道泄漏喷射火灾事故处理提供参考。1天然气喷射火影响机理 固体火焰模型即“Thornton”模型，通常假定火焰的形状为圆锥形或圆柱形，与固体表面具有相同的辐射率。该模型将喷射火热辐射强度的计算分为 4 个部分：虚拟喷嘴的出口速度计算。在出口速度的计算中，需要可燃物质的相对分子质量、气体存储条件、泊松常数等相关物理参数。火焰形状及尺寸的计算。主要计算火焰的位置以及形状，其中火焰位置是计算火焰的倾角、火焰水平长度及垂直长度，火焰形状计算则主要是确定火焰的表面积。火焰表面热辐射率的计算。喷射火焰表面热辐射率与喷射火焰表面热辐射比率、火焰每秒的燃烧能量、喷射火焰面积有关。计算某一目标所受热辐射强度。对于稳态燃烧区域外的某一点，其接受到的热辐射强度计算式为：q=PF（x）（x）（1）式中：q为热辐射强度，kW/m2；P为火焰表面热辐射功率，J/（m2s）；F为热辐射传感器视角系数；为大气透射率；x为火焰中心与检测位置的距离，m。2实验装置及步骤 2.1实验装置室外高压天然气喷射火实验装置（图 1）包括天然气供给系统、流量控制系统、图像测试系统、温度测试系统、热辐射测试系统及数据采集系统（表 1）。在实验过程中，所用天然气由 CNG 橇装系统供给。Zhou 等2认为将高压氢气/天然气瞬态泄漏引发的全尺寸射流火灾的实验结果用于检验多点源辐射模型具有局限性，因此提出了高压氢气/天然气泄漏引发的火灾理论框架；Tong 等3建立了射流火灾模型，并利用 Matlab 软件确定了火灾对人员和设备的影响区域；何杰等4在现有喷射火模型的基础上，提出了更符合实际的喷射火危害区域线性积分模型，并研究了横向风对喷射火危害区域的影响，发现当考虑横向风影响时，喷射火的危害区域形状近似一个椭圆。在数值模拟研究方面，张媛媛等5通过 FDS 软件模拟了矩形泄漏孔在不同泄漏速度下的喷射火热辐射分布情况，与热辐射的固体点源模型模拟结果相同；李镇裕等6通过模拟不同风速下管道泄漏的燃烧特性，得到不同风速下火焰的燃烧速度、温度及热辐射；刘少杰等7通过动态火灾软件对喷射火进行数值仿真，结果表明热辐射是火灾的主导因素，并提出了具有针对性的防控措施；肖惠兰8利用喷射火模型对天然气管道泄漏后的火灾进行分析，得出了火灾对管道周围人员及环境的伤害范围；董炳燕等9研究了喷射火撞击障碍物后的温度场特性，得出障碍物壁面温度场受喷射速率、泄漏孔形状影响的规律。马子超等10研究了泄漏孔位置对天然气喷射火的影响，得出 12 点钟方向的高温区域、热辐射区域对人员及设备的危害对最低；Shan 等11利用 FLACS 软件模拟了天然气管道从泄漏、扩散、点火到射流火灾的整个过程，并提出射流火灾热辐射冲击距离与内压、管径及风速的函数关系。在实验研究方面，张亦翔等12通过室内实验研究了 3 种不同高度障碍物下甲烷水平喷射火的燃烧特性，发现障碍物对于火焰的传播具有很大阻碍作用，在相同流量下，障碍物越高，阻碍效果越明显；李玉星等13也研究了障碍物条件下甲烷水平喷射火的燃烧特性，发现障碍物对火焰阻挡效果最佳位置为火焰长度的 4070处；郑立刚等14通过实验研究了点火位置对可燃气体爆燃特性的影响，结果表明点火位置对于爆燃所形成的压力波有较大影响。沈燕等15以甲烷为实验介质，研究了不同开口特征条件下矩形火焰中心线处的温度变化情况；Wang 等16研究了水平射流火焰撞击壁面时燃料的初始速度与喷嘴壁间距的关系，最终提出了水平射流火焰撞击壁面的火焰尺寸模型；Wang等17通过实验研究了不同燃料初始速度、喷嘴壁间Operation&Management|运行与管理为了确保室外高压天然气喷射火实验的安全性，采取以下 3 个措施：定量分析管道的承压及壁厚；设置阻火器，防止回火；将现场所有可燃物清空，增加灭火器。同时，为减小地面环境对火焰形态的影响，实验中的传感器布置方式（图 2、表 2、表 3）为：喷射口设置为离地面垂直距离为 3 m，以喷射口为原点，陈东生，等：室外高压天然气喷射火燃烧特性实验图 1室外高压天然气喷射火实验系统组成示意图Fig.1Composition of outdoor high-pressure natural gas jet fire experiment system表 1室外高压天然气喷射火实验装置中仪器的型号、量程及精度表Table 1Type,range and accuracy of instruments in outdoor high-pressure natural gas jet fire experiment device仪器型号量程精度气体调压阀T648H-200C020 MPa0.5质量流量计YK-MFU-03205 kg/s0.10.2温度传感器 K 型标准热电偶01 300 1.1热辐射传感器TS-10C200200 kW/m22 红外热像仪FLIR E95251 300 1.5表 2室外高压天然气喷射火实验装置中温度传感器坐标表Table 2Coordinate