地下综合管廊天然气管道泄漏扩散模拟研究

钱喜玲，闫小燕，赵江平

(1.西安建筑科技大学 材料与矿资学院，陕西 西安，710055；2.陕西省西安市公安消防支队，陕西 西安，710055)

0　引言

地下综合管廊作为21世纪新型城市市政基础设施建设的重要标志之一，现已被越来越多的城市采用。地下综合管廊(Utility tunnel)是指建于城市地下用于容纳两类及以上城市工程管线的构筑物及附属设施[1]，地下综合管廊内敷设有自来水、污水、热力、电力、电信、天然气等各种管线。使用综合管廊带来便利的同时也带来了一定的危险性，特别是电缆管线和天然气管线具有巨大的火灾隐患。地下综合管廊一旦发生火灾，烟气会沿着管舱迅速蔓延，产生的烟气不能及时排出，热量大量聚集，使得管舱内温度快速升高，危险性极大，同时该类设施的建设费用远高于传统的直埋式铺设的成本[2]，因此一旦在管舱内出现异常情况，势必造成巨大的经济损失。

为了预防地下综合管廊事故，许多学者已进行了相关研究。林俊等[3]采用FDS分析软件，对热源恒定情况下，不同通风风速和不同防火分区长度地下综合管廊火灾时的烟气流动特性进行研究，最终对城市综合管廊建设中的防火分区设置和通风设备的安装提出建议；Kim HS[4]等运用CFD模拟软件，建立以体积热源为火源的圆形和矩形综合管廊尺度，对空气流速及烟气流量进行对比分析，得知圆形综合管廊模型烟气温度高于矩形；李文婷[5]根据测量电缆质量损失速率和热释放速率参数，运用FDS分析软件，对地下综合管廊电缆火灾烟气蔓延过程和热量传递过程进行模拟分析，得到电缆管舱内部分温度高达 1 000℃时，可能引起缆线轰燃和管舱结构变形；方自虎[6]以深圳地下综合管廊为研究对象，用甲烷代替天然气，采用向上和水平2种管道泄漏口开口方向，利用Fluent软件模拟了天然气管舱内甲烷泄漏的扩散过程，得到距离泄漏口达到一定的距离后，甲烷浓度的变化与泄漏口的开口方向无关；赵永昌等[7]在隧道模型基础上，搭建了1∶3∶6的小尺寸地下综合管廊实体模型，对电力舱室火灾通过油池火试验研究发现，不同火源功率下，烟气温度均呈现幂函数衰减，火源功率较大时，温度衰减梯度也较大，电力舱内火灾烟气蔓延过程中存在烟气分层现象；李朝阳等[8]利用Fluent软件对埋地含硫天然气管道穿孔泄漏后的甲烷、硫化氢气体的扩散进行了数值模拟。

通过阅读大量文献发现，国内外学者对地下综合管廊的研究主要集中于电缆火灾，对天然气泄漏扩散规律研究甚少。因此，本文采用Fluent模拟软件对某地下综合管廊天然气泄漏后在管舱内的扩散规律进行数值仿真模拟，根据天然气爆炸下限浓度，将质量浓度转化为探头报警响应时间，为预防天然气泄漏后发生火灾提供一定的参考依据。

1　物理模型

以西安市某地下综合管廊天然气管舱为研究对象，其简化的物理模型如图1所示。为体现约束条件对泄漏扩散规律的影响，模型中保留X方向和Y方向的约束。在机械通风条件下，圆形泄漏孔径设置在模型下方中间位置，直径为20 mm。由于城镇天然气中甲烷的组分一般大于95%，所以模拟时以甲烷为介质，天然气管道内气体平均温度T1=300 K[9]，模拟时忽略泄漏气体与空气温度的差异，管舱内温度Ta=300 K压力，Pa=101 325 Pa。根据《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》(GB/50493-2009)中的规定，可燃气体处于封闭或局部通风不良的半敞开厂房内，每隔15 m可设置一台探测器，且探测器距其所覆盖范围内的任意释放源不宜大于7.5 m[10]，故选择天然气管舱顶部每15 m设置一个天然气报警探测器，以监测探测器报警响应时间。

图1　天然气管舱模型Fig.1　Natural gas pipe model

1.1　模型简化

为了简化计算过程，根据管舱内的实际布置情况，在满足工程精度的条件下可忽略一些次要因素，具体假设如下：

1)将计算域进行简化，忽略天然气管道本身对泄漏气体扩散的影响；

2)天然气泄漏口处的泄漏压力恒定[11]；

3)在数值计算中忽略空气粘性的影响[12]；

4)假定泄漏气体为理想气体，气体之间不发生化学反应；

5)泄漏过程中，温度恒定且与外界无热量交换[13]。

1.2　边界条件

入口条件：空气入口边界选用速度入口，地下综合管廊天然气管舱内平时通风量为每小时6次，事故通风排风量为每小时12次[14]，换算得到进口风速Vair=3.5 m/s，天然气泄漏口选用压力入口，泄漏压力为P1=103.3 kPa和P2=200.0 kPa。

出口条件：天然气出口选用压力出口，出口压力为101 325 Pa。

壁面条件：固体壁面为无滑移条件。

Fluent模拟采用非耦合隐式求解器，由于Realizablek-ε湍流模型已被有效地用于各种不同类型的流动模拟[15]，其中包含有射流和混合流等，所以计算选用Realizablek-ε湍流模型，天然气在大气中的扩散过程实际上是天然气在空气中的运动，涉及到化学组分的传输[16]，故选择组分传输模型(Species transport)，并定义组分为甲烷-空气。

2　模拟结果与分析

2.1　气体泄漏初期扩散过程

根据《城市综合管廊工程技术规范》(GB/T50086-2015)中的规定，地下综合管廊中天然气报警浓度设定值(上限值)不应大于其爆炸下限值(体积分数)的20%[14]。天然气的爆炸极限为5%～15%(体积分数)，换算成质量分数爆炸极限为2.7%～8.6%，选择爆炸下限浓度的20%作为天然气报警的临界值，换算成质量分数天然气报警上限约为0.6%。以下针对天然气泄漏后最先的浓度探测器报警时，不同泄漏压力下天然气在管舱中的运移规律，泄漏压力分别为103.3 kPa和200.0 kPa时，天然气泄漏后浓度分布情况如图2所示。

图2　压力不同时管道泄漏天然气扩散规律Fig.2　Affected area under different operating pressure of the pipeline

由图2分析可以得出，泄漏初期，天然气管道内的压力大于管舱内的压力，气体向管舱内的泄漏呈射流态，气体进入管舱后气流快速冲击管舱顶棚，受到壁面的约束，气流将在冲击顶棚后沿水平方向向泄漏口左右两侧运动。从天然气浓度分布等值线图中看出，管舱内气体质量分数从0.6%至8.6%之间的区域均已在爆炸极限内，在此区域内若氧气含量充足，遇火源点燃将会发生爆炸事故；泄漏口处气体质量分数均高于32.6%，若火源在泄漏口处，气体高速喷射扩散遇到火源点燃将发生燃烧事故，这是因为天然气喷射速度较快，流动性较大，不足以发生爆炸。由于在管舱最左端的顶部设有机械进风口，天然气偏向管舱右端的排风口侧进行扩散，泄漏压力为103.3 kPa时，最先的浓度探测器报警时间是2.15 s，泄漏压力为200.0 kPa时，最先的浓度探测器报警时间是0.45 s，泄漏压力对探测器的响应时间有显著影响，响应时间随泄漏压力的增大而减小。

泄漏压力分别为103.3 kPa和200.0 kPa时，天然气泄漏后从泄漏口处向管舱右端排风口侧的扩散距离与时间的变化规律如图3所示。

图3　不同泄漏压力下扩散距离与时间变化关系Fig.3　Spread distance vs．spread time under different operating pressure

图3中的结果表明：泄漏时间相同时，泄漏压力对气体扩散距离有显著影响，且气体扩散距离随泄漏压力的增大而增大；对所得数据进行拟合可知，泄漏压力分别为103.3 kPa和200 kPa时，泄漏气体扩散距离与时间的函数关系分别为：y=2.12 158+2.03 699x(x≥1)和y=9.75 579+2.87 278x(x≥1)，故泄漏压力相同时，气体扩散距离与时间呈一次函数，即y=a+bx(x≥1)当其曲线斜率表示气体在管舱中的扩散速度，随着泄漏压力的增大气体扩散速度增大。

2.2　探测器报警响应时间

天然气泄漏后，天然气浓度探测器的报警响应时间是安全控制的重要数据，因此，从地下综合管廊安全控制来说，对天然气泄漏后探测器报警响应时间的研究至关重要。管舱中每相隔15 m设置一个浓度探测器，且选择爆炸下限浓度的20%作为探测器响应临界点，泄漏压力分别为103.3 kPa和200.0 kPa时，天然气泄漏后管舱中的探测器报警响应时间如图4所示。

图4　不同泄漏压力与探测器响应时间关系Fig.4　The different operating pressure vs. the detector response time

图4中的结果表明：泄漏压力为103.3 kPa时，最先的浓度探测器在天然气泄漏2.15 s时响应，且60 m处的探测器没有响应，泄漏压力为200.0 kPa时，最先的浓度探测器响应时间是0.45 s，且泄漏口上游距离泄漏口60 m处的探测器在天然气泄漏12.1 s时响应，而下游距离泄漏口90 m处的探测器在2.75 s时已经响应，可见受机械进风的影响，泄漏口下游的探测器比上游的探测器先响应，且泄漏口下游的浓度探测器在一定的时间范围内均会响应。

图5　报警浓度与探测器响应时间关系Fig.5　The alarm concentration vs. the response time of detector

选择爆炸下限浓度的10%和20%作为探测器探头响应临界点，泄漏压力分别为103.3 kPa和200.0 kPa时，天然气泄漏后报警浓度与探测器响应时间的关系如图5所示。图5中结果表明：受机械进风影响，扩散气体沿泄漏口下游方向迁移，泄漏口上游方向45 m处以前所设置的浓度探测均未响应；当泄漏压力相同时，报警浓度设置对探测器响应时间的影响极小，同一位置探测器的报警响应时间不超过1 s，故管舱中每15 m设置一个探测器和选择爆炸下限的20%作为探测器响应的临界浓度值是合理的。

3　结论

1)以探测器保护半径为7.5 m核算，当泄漏压力为103.3 kPa时，浓度探测器报警时间是2.15 s，当泄漏压力为200.0 kPa时，浓度探测器报警时间是0.45 s，报警响应时间随着泄漏压力的增大而减小，在常规中压输出压力下，响应时间最大值为2.15 s。

2)对所得数据进行拟合可知，泄漏压力相同时，气体扩散距离与时间呈正相关关系，其曲线斜率表示气体在管舱中的扩散速度。

3)当泄漏压力相同时，报警浓度设置对探测器响应时间的影响极小，同一位置探测器的报警响应时间不超过1 s，故管舱中选择爆炸下限的20%作为探测器响应的临界浓度值是合理的。

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