住宅厨房内小流量燃气泄漏的扩散规律研究

朱宏丹， 詹心怡， 秦朝葵

(同济大学 机械与能源工程学院， 上海 201804)

1 概述

天然气的普及给生产生活带来了极大便利，但管道老化、燃具故障、燃气施工不规范等各种因素导致的泄漏、爆燃事故逐年增加[1]。2020年，发生室内燃气爆炸事故327起，造成78人死亡、657人受伤；室内燃气爆炸事故主要集中在居民住宅，共218起[2]。随着天然气普及率逐渐提高，室内天然气泄漏导致的事故越来越受到各方的高度重视。

对于居民住宅而言，燃气爆炸发生的主要场所为厨房。张增刚等[3]进行了开放式厨房与闭式厨房燃气泄漏模拟对比研究，结果表明：长时间(超过4 h)泄漏情况下，开放式厨房发生爆炸的可能性更大;岑康等[4]对比研究了开放式厨房与隔断厨房的燃气泄漏爆炸定量风险评价，结果表明：开放式厨房的燃气泄漏爆炸风险更高。因此燃气公司拒绝给采用开放式厨房的房屋供气[5]，具有合理性。吴宪等[1]与朱静等[6]分别通过传感器采集数据与CFD模拟分析的方式研究住宅天然气泄漏扩散问题，总结了燃气在住宅内泄漏后自由扩散的规律，表明自然通风是防止天然气积聚、降低泄漏风险的有效方法。上述研究中，模拟的泄漏工况均为燃气灶火孔处发生泄漏、灶前连接软管完全脱落等恶劣泄漏情况。

厨房燃气管道上设有许多阀门与接头，因管道年代久远、用户配合度不高、报警器尚未全面普及等各种因素，存在大量无法探知、无法维修的微量泄漏。如果同时存在管道锈蚀穿孔、阀门垫片损坏、接头松动等异常情况，泄漏量将进一步提升。此时若居民长时间外出，门窗紧闭、通风条件恶化，经过长时间积聚，厨房内部有可能达到爆炸极限，导致事故发生。较之上述研究中的恶劣泄漏情况，长时间、小流量泄漏扩散的时间累积效应与爆炸可能性的相关研究很少。本文利用集总参数法和COMSOL动态仿真，考察不同微小泄漏量与不同通风量情况下，封闭式厨房内达到爆炸极限的时间与体积分数场分布规律，为居民对天然气的安全使用提供参考案例与建议，降低事故发生率。

2 模型建立

居民住宅典型厨房见图1，长×宽×高为3.8 m×2.0 m×2.8 m。燃气设备包括1台燃气灶和1台燃气热水器。厨房有1门1窗，门缝、窗缝尺寸(长度×缝宽)分别为0.7 m×0.01 m、1.5 m×0.002 m。窗缝位于墙面正中，下端距地面0.9 m。在长3.8 m的墙面上以两个边长为0.1 m方形泄漏孔A、B，分别代表第1道阀门泄漏孔、其他阀门总泄漏孔，泄漏孔作为厨房燃气泄漏源向室内定流量泄漏。泄漏孔的位置距地面1 m，两泄漏孔中心相距1 m，中心连线位于墙面正中。

图1 居民住宅典型厨房(软件截图)

假设门窗一直关闭，仅通过门缝与窗缝通风。模拟典型封闭式厨房天然气泄漏情况，采用COMSOL软件进行三维建模、网格划分以及后续非稳态仿真，根据实际物理模型选用四面体网格并在泄漏孔和门、窗缝附近进行网格局部加密。综合考虑网格质量、网格数量、网格疏密等因素，最终确定的网格数量为1 165 998。三维模型与网格划分情况见图2。

图2 三维模型与网格划分情况(软件截图)

3 理论分析

将厨房内部空间看作一个均匀搅拌反应器，假定燃气泄漏后立即与厨房内空气充分混合，且进风与出风体积流量相等(门缝进风，窗缝出风)，假设大气环境及厨房处于15 ℃、101.325 kPa的状态，不考虑温度对密度的影响。灶前压力为2 kPa，燃气温度与环境温度相同。建立房间内气流混合的瞬态模型，见图3。解微分方程(1)得到式(2)，可理论计算不同泄漏、通风工况下房间内燃气体积分数随时间变化的情况。通风时，假设门缝进风，窗缝出风；未通风时，门缝窗缝均密闭。泄漏燃气看作纯甲烷，按其爆炸下限进行模拟参比。

图3 气流混合瞬态模型

可以列出微分方程：

dφ(t)=

(1)

式中φ(t)——房间内燃气体积分数

t——时间，h

qV1——泄漏孔A燃气流量，L/h

qV2——泄漏孔B燃气流量，L/h

qV0——门缝进风量，L/h

V0——房间气体体积，m3

该方程初始条件为φ(t)|t=0=0，解微分方程得:

(2)

GB 6932—2015《家用燃气快速热水器》规定，通过燃气主通路的第1道阀门漏气量应小于0.07 L/h，通过其他阀门漏气量应小于0.55 L/h。参考此规定，泄漏工况设置见表1。仿真模拟考虑恶劣的通风条件，通过试算设置进风速度为0.01 m/s与0.03 m/s，此时通风量为252 L/h与756 L/h。

表1 泄漏工况设置

4 结果与讨论

4.1 最高体积分数点的确定

以过泄漏孔中心点的水平面α为水平参考面，考虑到灶台宽度一般为0.55 m，在参考面上作一条平行于泄漏孔所在墙面且距墙面0.55 m的直线为水平参考线l(见图1)。未通风时，当燃气体积分数达到平衡状态(即模拟达稳定状态)，不同泄漏工况下，参考线l上燃气体积分数沿x正方向分布见图4，t0为达平衡时间。可以看出，参考线l上的体积分数最大值出现在x=2.4 m左右，过该点作水平参考面的垂线,定义为竖直参考线，发现竖直参考线上燃气体积分数最大值出现在z=1 m左右，因此定义点M1(2.40，0.55，1.00)为未通风时最高体积分数点。同理可得，门缝进风速度分别为0.01、0.03 m/s时最高体积分数点分别为M2(2.25，0.55，1.00)、M3(1.20，0.55，1.00)。

图4 未通风时，不同泄漏工况下，参考线l上燃气体积分数沿x正方向分布

4.2 未通风时，泄漏量对达爆炸极限时间的影响

通过集总参数法与模拟仿真计算，得到未通风时不同工况下点M1燃气体积分数达爆炸下限(5%)时间，见表2(受模拟计算精度影响，达爆炸极限的燃气体积分数存在±0.05%的偏差)。

表2 未通风时不同工况下点M1燃气体积分数达爆炸下限时间

由表2可知，集总参数法与模拟仿真计算结果相差较小，随泄漏量(泄漏孔A、B燃气流量之和)增加，由工况3开始两者达爆炸下限时间的差距稳定在1.9 d。相对于模拟仿真，集总参数法以燃气泄漏后立即与周围空气混合均匀为前提，忽略了燃气泄漏扩散与混合的时间，因此计算结果相对偏大，模拟仿真计算结果更加接近实际情景。模拟仿真计算结果表明,工况5、6达爆炸下限时间分别为2.3、1.5 d，说明未通风时，燃气泄漏量超过11.04 L/h时，经过约2.3 d，厨房便存在燃气爆炸危险。如果家里燃气设备等较老旧，近期未检查维修，则居民需要提高安全防患意识。

截取未通风1.5、2.3 d时工况2、4、6下水平参考面α的燃气体积分数云图，见图5(图中色阶图数值为燃气体积分数，单位为%)。可以直观地看到厨房内燃气体积分数分布随时间及泄漏量变化情况，以两泄漏孔为中心，燃气扩散区域不断扩大，体积分数不断减小，达爆炸极限的危险区不断向外延展。

图5 未通风1.5、2.3 d时，工况2、4、6下水平参考面α的燃气体积分数云图(软件截图)

4.3 通风对达爆炸下限时间的影响

应用集总参数法计算门缝进风速度分别为0.01、0.03 m/s时燃气体积分数随时间的变化，见图6。可知，门缝进风速度达到0.03 m/s时，6个工况的平衡燃气体积分数远低于爆炸下限，能够维持安全环境；进风速度为0.01 m/s时，只有工况6的平衡燃气体积分数超过5%，有发生爆炸的风险。

图6 通风时燃气体积分数随时间的变化(集总参数法)

工况6下，模拟分析在不同进风速度下(未通风、门缝进风速度为0.01 m/s、门缝进风速度为0.03 m/s)，各最高体积分数点M1、M2、M3燃气体积分数随时间的变化，见图7。可以看出，工况6在门缝进风速度为0.01 m/s时，第2.3 d会形成爆炸性气体；门缝进风速度为0.03 m/s时，燃气体积分数在第3 d达到平衡，最高体积分数点M3燃气体积分数维持在2.7%左右，相对安全。

图7 工况6下,不同进风速度下,最高体积分数点燃气体积分数随时间的变化(模拟仿真)

工况6下，模拟分析在不同进风速度下(未通风、门缝进风速度为0.01 m/s、门缝进风速度为0.03 m/s)，房间内最高体积分数点燃气体积分数达爆炸下限(未通风、门缝进风速度为0.01 m/s)或平衡(门缝进风速度为0.03 m/s)时参考面α的燃气体积分数分布云图，见图8(图中色阶图数值为燃气体积分数，单位为%)。可以看出，随着进风速度变大，泄漏孔A、B附近燃气体积分数分布差异减小。说明通风对燃气稀释作用明显，能减弱燃气泄漏后的积聚效应，是避免燃气泄漏引发爆炸的有效途径。

图8 工况6下，不同进风速度下,最高体积分数点燃气体积分数达爆炸下限或平衡时参考面α的燃气体积分数分布云图(软件截图)

5 结论

通过集总参数法理论分析和COMSOL动态仿真，对一个典型居民厨房在不同泄漏量、不同通风量条件下燃气体积分数分布和达爆炸下限时间进行研究。主要结论如下。

① 未通风时，集总参数法与模拟仿真计算结果相差较小，随泄漏量(泄漏孔A、B流量之和)增加，从工况3(泄漏孔A流量为1.12 L/h，泄漏孔B流量为4.40 L/h)开始两者达爆炸下限的时间差距稳定在1.9 d。

② 模拟仿真计算结果表明，未通风时，燃气泄漏量为11.04、13.8 L/h时，分别经过约2.3、1.5 d，厨房内便存在燃气爆炸危险。

③ 通过模拟仿真得出，工况6(泄漏孔A流量为2.80 L/h，泄漏孔B流量为11.00 L/h)条件下，在不同进风速度下(未通风、门缝进风速度为0.01 m/s、门缝进风速度为0.03 m/s)，随着门缝进风速度变大，泄漏孔A、B附近燃气体积分数分布差异减小。通风对燃气稀释作用明显，能减弱燃气泄漏后积聚效应，是避免燃气泄漏引发爆炸的有效途径。