1、燃气连续性泄漏扩散规律的研究【摘要】室内泄漏燃气的浓度场分布是非均匀变化的，当室内泄漏燃气浓度值达到其爆炸极限时，遇到点火源会引发爆燃甚至爆炸等危险事故。本文对室内燃气泄漏扩散规律进行了简单研究。 【关键词】燃气连续性泄漏扩散规律 中图分类号：TU996 文献标识码： A 文章编号： 本文分析了室内燃气泄漏和扩散规律，可以及时准确地预测燃气扩散危险区域，对消防人员有效组织抢险救援活动，减少事故损失是非常重要的。 一、数学模型的假设条件 受限空间内的燃气泄漏扩散过程受到众多因素的影响，本文对泄漏扩散过程进行了简化分析，基本假设条件如下: (1)泄漏燃气与室内空气形成的混合气体视为理想气体，满足理
2、想气体状态方程； (2)室内燃气泄漏扩散可认为是多组分气体相互作用的湍流，泄漏气体与室内介质形成的混合性气体不发生化学反应； (3)假定为连续源泄漏，认为设定的泄漏量为定值； (4)不考虑燃气泄漏扩散中自身的化学变化过程，把燃气的泄漏扩散过程视为单纯的物理扩散过程； (5)忽略泄漏扩散过程中燃气与环境之间的热量交换，并不考虑温差射流对泄漏扩散过程的影响； (6)在考虑室外风速对燃气泄漏扩散过程的影响时，认为风口垂直于泄漏空间设置，气体流向垂直于通风口。 二、扩散实验的设计 1、研究对象的选择 本文选取液化石油气作为研究对象。液化石油气是开采和炼制石油过程中，作为副产品而获得的一部分碳氢化合物。
3、液化石油气的主要成分是丙烷(C3H8)、丙烯(C3H6)、丁烷(C4H10。)和丁烯(C4H8)，行业上习惯分别成为 C3、C4。这些碳氢化合物在常态下呈气态，当压力升高或温度降低时容易转变为液态。液态液化石油气的闪点温度为 77180，沸点温度为 0.547，着火温度为 430460，相应温度都很低。气态液化石油气的发热值约为 92100121400KJ/Nm，液态液化石油气的发热值约为 4520046100KJfNm3，其燃烧温度可达 7002000。 研究选择的液化石油气组分为氢气 4.0%、乙烷 0.15%、丙烷 11.96%、丙烯 3.18%、异丁烷 36.23%、正丁烷 12.36
4、%、丁烯 30.36%、戊烷 0.76%，查相关资料并按照纯可燃气体混合物爆炸极限计算方法计算其爆炸极限体积浓度范围为 1.78%9.5%。 2、实验模型 实验台的设计思想是:设计具有一定通风条件的房间模型，在模型一侧设置一个燃气泄漏口，泄漏燃气经泄漏口进入房间，房间大部分采用有机玻璃搭建，以便于观察室内工况。在与泄漏口相对应的异侧开启小孔，以便能穿过浓度采集软管，从而布置浓度采集测点。实验小室的尺寸为长 X 宽 X 高=1.3X1.1X2.0m。 三、实验方案和实验步骤 1、实验方案 室内燃气管道的输送压力有中压和低压之分，当中压或低压燃气管道发生泄漏时，泄漏压力较高，泄漏量较大，在泄漏很短
5、的时间房间内燃气的浓度值就会达到较高的水平。而当房间内发生微量泄漏时，由于泄漏量较小，房间内泄漏燃气的浓度值也较小，此时泄漏燃气在扩散过程中受到的重力和浮力作用比较明显。出于安全方面考虑，并在充分利用实验室现有实验设备的前提下，决定选用输运性类似的二氧化碳代替实际液化石油气进行室内燃气泄漏扩散实验，通过实验研究在不同影响因素(泄漏量、泄漏时间、大型通风口设置、通风风速以及障碍物)下液化石油气泄漏扩散浓度场分布和爆炸极限浓度的分布规律。 2、实验步骤 (1)改造实验小室 根据实验方案对实验小室进行改造，充分利用小室已开启的泄漏口、风口、测试管通口，封堵好暂时不考虑但已经开好的孔洞。 (2)校验仪
6、器设备 首先检查浓度检测仪器的气路是否通畅，请专业人员利用量程气对仪器设备进行量程校正，并综合检查各仪器是否正常运行。 (3)对实验小室以及周围环境中的温度、风速等进行测量，监测小室空间与周围环境是否存在温差，因为实验中未考虑温差射流对燃气泄漏扩散规律的影响，需要对小室空间的温度进行控制，保证其与周围环境温度相差无几。 (4)按照设计的实验系统连接实验设备。固定稳压器、流量计以及压力计，检查气密性，将气瓶、稳压器、流量计、压力计以及泄漏口通过软管连接，并在室内布置测点，通过气体输送软管连接到浓度采集装置。将通风装置连接在通风口上，并对接口处进行密封，将设备连接电路。 (5)将实验小室整体进行密
7、封处理。 (6)根据不同的实验方案，对所要研究的影响因素进行设定。 (7)开启气瓶阀门，调节出口压力，并观察压力计显示压力值，待压力、流量稳定一段时间后，将泄漏口接入小室内，同时计时开始。 (8)做实验记录。考虑到实验设备的响应时间，仅同时选取两个测点进行实验测量，针对某一工况进行重复实验，并对实验数据进行取舍和修正。 四、不同影响因素下的结果对比分析 1、泄漏量的影响 通过模拟结果与实验结果对比可以得出:当泄漏量为仪 0.55m3/s 时，由于泄漏速率较大，具有明显的流体射流特性，与泄漏口中心处于同一平面的 E 测点的起始浓度较高，起始浓度已接近于爆炸下限，浓度增长幅较大，而位于平面 y=0
8、.4m 上的 D 测点起始浓度相对较低，浓度增长受到泄漏气体堆积的影响，变化幅度较小，而且由于射流气体碰到泄漏口异侧的墙壁后向反方向流动，因此平面 y=0.4m 上远离泄漏口处各点的浓度值较高，在初始时刻的体积浓度百分比一般要高 2%5%左右，浓度分布存在一个沿-x 方向减小的趋势，这种变化趋势通过实验进行了验证，因此结果具有一定的说服力。 2、泄漏时间的影响 在泄漏的初始时刻，在泄漏口附近会存在一个梭形的爆炸浓度区域，随着泄漏时间延长，梭形爆炸浓度区域的长度越来越短，直至达到较高浓度。泄漏燃气首先向房间底部扩散，浓度堆积速度要比房间上部的浓度堆积速度快，在泄漏很短的时间房间内液化石油气浓度即
9、可达到爆炸极限，由于通风口设置在房间的顶部，加速了房间上部液化石油气的排放，此时也加速了位于房间顶部的爆炸危险区域面积的缩小速度。经过初步模拟结果，在泄漏 60s 之后，房间内处于爆炸极限范围内的液化石油气浓度区域已经很小了。 3、大型通风口设置的影响 本小节主要讨论当房间内存在面积较大通风口时对室内燃气泄漏扩散规律的影响，所考虑的大型通风口是相对于研究其它影响因素时设定的圆形通风口而言的。根据实验室条件，通风口设置在房间侧面，几何中心坐标为(0.54m， 1.51m，0m)，通风口尺寸为宽 X 高=1.02m X 0.3m。 在房间内设置大型通风口，可以对扩散到通风口附近的泄漏气体起到明显的
10、稀释作用。比重大于空气的液化石油气泄漏后首先应该向房间底部堆积，在泄漏的初始阶段，房间上部的气体浓度本来就比较低，而通风口又设置在房间的上部，使得房间上部的液化石油气浓度值增加比较缓慢，处于爆炸极限范围内的浓度范围存在的时间就比较长，泄漏 35s后，当房间底部的气体浓度值比较高时，房间上部还有较大区域处于爆炸极限范围内，发生爆炸等严重危险事故机会延续时间越长，可能性也就越大。本文考虑的大型通风口设定为自由出流，在实际环境下，外界风速会加大对室内燃气的稀释作用，使得房间内处于爆炸极限的浓度范围持续时间更长，也就增大了危险性。 结束语 为了充分利用实验室现有实验条件，本文在搭建实验台时选取实验小室的尺寸是长 X 宽 X 高=1.3m X 1.1m X 2.0m，相对于实际的厨房比较小，而且受到时间限制，在对小室进行改造时采用的密封措施效果不是很理想。因此在以后的工作中应尝试利用与实际厨房大小相同或者按比例缩小的模型进行实验研究，将实验条件进行改进，并采用更加精确的仪器设备开展实验，减小实验误差。 参考文献 1 王国磊,田贯三,张增刚,贾文磊.燃气泄漏扩散过程的模拟研究J.山东建筑大学学报. 2010(06) 2 谭洪艳,李静,于恩禄.室内燃气泄漏的模拟与分析J.河南师范大学学报(自然科学版). 2011(02)
