摘　要：浦鋼CRG管道3-程的CO均體積分?jǐn)?shù)達(dá)45.2％，大大超過(guò)GB50028-2006((城

鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)CO體積分?jǐn)?shù)的規(guī)定。采用FLUENT軟件模擬，以GB50028-2006規(guī)定的安全間距(即原安全間距)為參照，采取安全間距倍數(shù)修正的方法實(shí)現(xiàn)原安全間距的適用延續(xù)性。將原安全間距分別提高到2倍和4倍能滿(mǎn)足GB50028-2006對(duì)中毒和防火危害的防范。

關(guān)鍵詞：一氧化碳含量  燃?xì)夤艿?span lang="EN-US">  安全間距  計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)

Study on Safety Distance of Pipeline Carrying Gas wity High Content of CO

Abstract: The average V01UIne fraction of CO in CRG pipeline project of Pudong Steel Company is up to 452％．which is much higher than the requirement for volume fraction of CO specified in the Code扣r Design of City Gas Engineering(GB 50028—2006)．Using FLUENT software as simulation tool，refefred to the safety distance specified in the GB 50028-2006(hereafter referred to as original safety distance)，the expansion of applicability of the original safety distance is achieved by modifying its multiple．Increasing the original safety distance by two times or four times could meet the requirements for poisoning and fire prevention in the GB 50028-2006．

Key words: CO content；gas pipeline；safety distance；computational fluid dynamics

1　浦鋼CRG管道背景

1.1  項(xiàng)目概況

作為上海市2010年世博會(huì)配套搬遷項(xiàng)目，寶鋼集團(tuán)上海浦東鋼鐵有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)浦鋼)將從浦東區(qū)搬遷至羅涇地區(qū)。為了最大限度利用能源，產(chǎn)生盡可能高的效益，提高集團(tuán)整體能源供應(yīng)的可靠性，寶鋼集團(tuán)規(guī)劃建設(shè)一個(gè)貫穿浦鋼、寶鋼分公司、不銹鋼分公司、特殊鋼分公司及集團(tuán)內(nèi)其他企業(yè)的能源通廊。通過(guò)這一能源通廊，在集團(tuán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)氧氣、氮?dú)?、氬氣、煤氣、蒸汽、氫氣等能源的資源共享、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)配。在該能源通廊中，浦鋼至寶鋼分公司的一條COREX(一種無(wú)焦煉鐵的熔融還原煉鐵工藝，原名KR法)煤氣管道(簡(jiǎn)稱(chēng)CRG管道)非常重要，將浦鋼多余的燃?xì)廨斔椭翆氫摲止荆渲袕S(chǎng)區(qū)外的管道將沿市政道路進(jìn)行埋地敷設(shè)。

1.2　氣體參數(shù)

CRG是在COREX非高爐煉鐵反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的氣體，屬于人工煤氣，沒(méi)計(jì)輸送壓力為0.2 MPa，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的低熱值為8.231MJ／m³，其一氧化碳含量較高，氣體組成見(jiàn)表1。

目前，我國(guó)對(duì)非城鎮(zhèn)及城鎮(zhèn)的燃?xì)廨斔陀胁煌?guī)范要求，其中城鎮(zhèn)燃?xì)廨斔托璺?span lang="EN-US">GB50028-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，其對(duì)燃?xì)獾馁|(zhì)量有明確規(guī)定，要求人工煤氣符合GB／Tl3612-2006《人工煤氣》對(duì)CO體積分?jǐn)?shù)的限定，即CO體積分?jǐn)?shù)必須低于20％；而非城鎮(zhèn)燃?xì)廨斔蛣t需參照GB50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，其對(duì)CO體積分?jǐn)?shù)雖無(wú)限制，但其不適用城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)。

本工程中的CRG屬工業(yè)氣體，非城鎮(zhèn)居民生活使用，但廠(chǎng)區(qū)外的管道敷設(shè)必須途經(jīng)市政道路，該段管道雖處遠(yuǎn)郊且周邊規(guī)劃屬工業(yè)區(qū)，但畢竟涉及到市政及城鎮(zhèn)范疇，故本工程包含城鎮(zhèn)及非城鎮(zhèn)雙重屬性。城鎮(zhèn)燃?xì)庖?guī)范對(duì)管道的安全間距有嚴(yán)格規(guī)定，而非城鎮(zhèn)燃?xì)庖?guī)范無(wú)明確限定，考慮到輸氣安全性，仍應(yīng)嚴(yán)格參照GB50028-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》。但本工程CRG中的C0體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于GB50028-2006的規(guī)定，故按照GB50028-2006規(guī)定的安全間距不能達(dá)到安全防護(hù)要求，因此本文對(duì)CRG管道的安全間距進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)CRG的輸送仍能達(dá)到GB50028-2006規(guī)定的安全防護(hù)要求。

2　安全間距涉及的危害因素

筆者認(rèn)為，本工程CRG埋地管道與周邊建構(gòu)筑物及其他管道安全間距的確定主要控制3類(lèi)危害：有毒氣體的中毒影響，與C0、H₂S濃度有關(guān)；可燃?xì)怏w的防火(爆)影響，與C0、H₂濃度有關(guān)；管道對(duì)周邊建構(gòu)筑物的沉降影響及電塔設(shè)施對(duì)管道的雜散電流等影響，與輸氣各組分的濃度無(wú)關(guān)。

從以上3種危害因素看，與輸氣組分濃度無(wú)關(guān)的第3類(lèi)因素可直接參照GB50028-2006規(guī)定的安全間距，而與輸氣組分濃度有關(guān)的前兩類(lèi)因素需進(jìn)一步研究。

2.1  中毒危害因素

H₂S是CRG的致毒組分之一，GB8789-88《職業(yè)性急性硫化氫中毒診斷標(biāo)準(zhǔn)及處理原則》規(guī)定，體積分?jǐn)?shù)為10×10^-6以下屬建議暴露濃度，體積分?jǐn)?shù)為(20～50)×10^-6屬允許暴露濃度，而體積分?jǐn)?shù)為100×10^-6屬立即危害人健康濃度，體積分?jǐn)?shù)為(500～700)×10^-6為立即致死濃度。本工程CRG中H₂S體積分?jǐn)?shù)為100×10^-6，脫硫處理后可降至20×10^-6，基本消除H₂S的中毒危害，故不予考慮。

C0是CRG的主要組分，也是主要的致毒組分。C0對(duì)人體毒性極大，一旦泄漏入空氣中，尚未達(dá)到爆炸下限時(shí)，人體早已中毒。為防止中毒致死，必須保證人體血液中碳氧血紅蛋白濃度在65％以下，因此，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)吸入的空氣中C0體積分?jǐn)?shù)不能達(dá)到0.1％，但這一含量是理論極限，根據(jù)GB50028-2006的推薦，C0體積分?jǐn)?shù)不宜大于0.02％，因此研究考慮的C0中毒控制體積分?jǐn)?shù)為0.02％，即低于該含量均屬安全。，

2.2　防火(爆)危害因素

H₂是CRG的可燃組分之一，在4.0％～75.6％的爆炸極限范圍內(nèi)均可燃，但H，密度極小，一旦泄漏將快速上升，不會(huì)在工程的管廊周邊橫向蔓延，且CRG的可燃組分中H₂體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較小，故不予考慮。

C0是CRG的主要叮燃組分，在12.5％～74.0％的爆炸極限范圍內(nèi)均可燃，且其密度與空氣相近，泄漏后較難快速散失，會(huì)混入地面空氣中產(chǎn)生橫向蔓延，因此研究考慮的C0防火控制體積分?jǐn)?shù)取其爆炸下限l2.5％，即低于該含量均屬安全。

綜上兩類(lèi)危害因素，C0體積分?jǐn)?shù)是研究CRG管道安全間距的核心要素。

3　研究方法與手段

3.1  研究方法

以CRG泄漏為背景，并以CRG的泄漏量為依據(jù)進(jìn)行安全間距的研究。本工程CRG主要有兩種輸氣工況：正常流量為4.0×10⁴m³／h及最大流量為26.6×10⁴m³／h。當(dāng)管道遭受不可預(yù)計(jì)的外力影響時(shí)(如開(kāi)挖破壞)，事故泄漏量將等于輸氣量(不計(jì)吹掃放散量)，管道也可能因局部腐蝕造成微量泄漏(設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取安全措施嚴(yán)格杜絕)。因此，本研究將事故規(guī)模按泄漏量分為3個(gè)等級(jí)：微量泄漏、正常泄漏和最大泄漏。

由于泄漏將產(chǎn)生中毒及火災(zāi)(爆炸)兩種不同的危害，故將C0的控制體積分?jǐn)?shù)按0.02％和12.5％分別計(jì)算，前者是人員C0中毒控制濃度，作為管道與居民建筑的安全間距判斷依據(jù)，后者為CO混合空氣的爆炸下限，作為管道與非居民建筑的安全間距判斷依據(jù)。因?yàn)楸竟こ讨苓厽o(wú)較高的建筑物，故中毒影響的濃度擴(kuò)散高程取地上2m(考慮地面人員高度)至24m(考慮多層建筑)；管廊周邊為平地及低矮灌木(非深根植物)，如發(fā)生火災(zāi)將由地面擴(kuò)散，故防火影響的濃度擴(kuò)散高程取地上1m。因此濃度控制的安全距離分別取上述3個(gè)高程處的

水平間距。

將C0控制體積分?jǐn)?shù)上限20％與本工程CRG中C0的最大體積分?jǐn)?shù)54％(從提高安全考慮不取平均體積分?jǐn)?shù))分別作為管道輸送氣體的C0體積分?jǐn)?shù)，對(duì)比兩者分別達(dá)到控制濃度高程時(shí)的水平間距，以確定C0體積分?jǐn)?shù)提高后所應(yīng)達(dá)到的安全距離。

由于C0為主要危害源且GB50028-2006并未對(duì)其他氣體組分的安全間距加以限制，故僅改變C0體積分?jǐn)?shù)，其余氣體均視為惰性氣體，但需保證惰性氣體與C0的密度的和仍與CRG一致。另外，由于本工程設(shè)計(jì)管徑為DNl420mm，故破壞后的局部泄漏面積也較大(考慮土壤滲透阻力影響，應(yīng)大于管道截面)，且多數(shù)情況下泄漏將沿地表縱向滲出，故泄漏區(qū)域設(shè)定為2m×2m的平面。

3.2　研究手段

采用FLUENT數(shù)值計(jì)算軟件來(lái)模擬C0體積分?jǐn)?shù)變化對(duì)安全間距的影響。FLUENT是美國(guó)FLU-ENT公司開(kāi)發(fā)的基于有限元的CFD流場(chǎng)計(jì)算分析軟件，可模擬有重力條件下各種氣體組成的三維立體流場(chǎng)，在該領(lǐng)域占據(jù)世界領(lǐng)先地位。

FLUENT采用先建立空間模型，后設(shè)置計(jì)算參數(shù)的方法。建模可采用FLUENT附帶的GAMBIT建模子程序?qū)崿F(xiàn)，再調(diào)用至FLUENT主程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)賦值，并模擬計(jì)算。

4　軟件模擬

①空間模型

空間模型(見(jiàn)圖l)長(zhǎng)200m、寬200m、高l00m，在200m×200m的平面中心設(shè)置1個(gè)2m×2m

×2m的小立方體作為泄漏源，小立方體上二表面與200m×200m的平面平齊。泄漏氣體從小立方體的下表面向z方向散發(fā)，以模擬埋地管道的泄漏。由于此空間模型存在坐標(biāo)系的對(duì)稱(chēng)性，故為減少FLUENT的計(jì)算量，取模型的1／4進(jìn)行計(jì)算，其有限元網(wǎng)格致密度取1m。

②邊界條件

模擬的泄漏分別對(duì)應(yīng)微量、正常和最大3種情況，并將泄漏流量換算為泄漏口的出口流速，設(shè)置流速邊界條件。正常及最大流量的對(duì)應(yīng)流速分別為3m／s和20m／s，微量泄漏較難定義，將泄漏口的出口流速設(shè)為0.2m／s。泄漏氣體的溫度為20℃，環(huán)境大氣壓力為l01.325kPa。

③模擬結(jié)果及分析

圖1中y=0的平面的模擬結(jié)果見(jiàn)圖2～7。各圖中，左側(cè)圖對(duì)應(yīng)的CO初始體積分?jǐn)?shù)為20％，右側(cè)圖對(duì)應(yīng)的C0初始體積分?jǐn)?shù)為54％。

對(duì)不同高程的安全間距進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，得到表2、3。由表2、3可知，提高C0初始體積分?jǐn)?shù)后，安全防護(hù)范圍也增大了。從中毒危害看，將原安全間距(C0初始體積分?jǐn)?shù)為20％對(duì)應(yīng)的安全間距)至少提高l.65倍后，能達(dá)到原安全間距防范中毒危害的要求，而將原安全間距至少提高3.94倍后，能達(dá)到原安全間距防范火災(zāi)危害的要求?？梢?jiàn)，C0初始體積分?jǐn)?shù)提高對(duì)防火安全間距的影響更大。

FLUENT軟件雖具有很高的權(quán)威性，但該空間模型還較簡(jiǎn)單。危害氣體源僅考慮CO，忽略其他氣體（如H₂）的影響。可通過(guò)理論擴(kuò)散計(jì)算對(duì)微量泄漏工況進(jìn)行驗(yàn)證(無(wú)初速度和重力影響)。理論擴(kuò)散計(jì)算得知，對(duì)微量泄漏，2m高程處，C0體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.02％時(shí)7C0初始體積分?jǐn)?shù)為54％的安全間距是初始體積分?jǐn)?shù)為20％的安全間距的1.64倍，該值與其2m高程時(shí)的模擬安全間距對(duì)比倍數(shù)l.65極為接近，故可充分表明軟件模擬的置信性。

④研究結(jié)論

綜合模擬結(jié)果可知，對(duì)于本工程中的CRG，建議將GB50028-2006規(guī)定的安全間距提高到2倍以滿(mǎn)足GB50028-2006對(duì)C0的中毒防范要求，將GB50028-2006規(guī)定的安全間距提高到4倍以滿(mǎn)足GB50028-2006對(duì)C0的火災(zāi)防范要求。

GB 50028--2006規(guī)定的安全間距(中壓B)與本工程CRG管道研究推薦的安全間距對(duì)比見(jiàn)表4。

5　展望

本工程揭示了輸送特殊氣體時(shí)的規(guī)范滯后性。隨著循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，越來(lái)越多的工業(yè)副產(chǎn)能源將得到開(kāi)發(fā)利用，可能還將拓展至民用領(lǐng)域，但工業(yè)氣體不滿(mǎn)足城鎮(zhèn)燃?xì)庖?guī)范的適用條件，因此工程的實(shí)施推進(jìn)很難。今后可能還會(huì)暴露出規(guī)范不適用與優(yōu)化用能間的矛盾，因此急待修定甚至編制新規(guī)范，在確保安全的前提下，促進(jìn)城市燃?xì)馀c社會(huì)的和諧發(fā)展。

軟件模擬雖實(shí)現(xiàn)了將原安全間距修正后用于本工程CRG管道，但有關(guān)專(zhuān)家對(duì)原安全間距防范中毒與火災(zāi)危害的有效性提出質(zhì)疑，因此本文僅僅是實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的套用，并未驗(yàn)證原安全間距的有效性，故此方面值得深入研究。

此外，確保安全間距后如何提高管道自身的設(shè)計(jì)安全也是針對(duì)特殊氣體的后續(xù)研究課題。本工程擬在管道沿線(xiàn)設(shè)置若干組C0檢測(cè)報(bào)警探頭及人員在線(xiàn)檢測(cè)巡護(hù)，以實(shí)時(shí)監(jiān)控管道的運(yùn)行安全，因此安全間距與其他防范措施如何有效結(jié)合也值得深入研究。

本研究雖采用重力場(chǎng)、三維模型且將事故流量及高程分類(lèi)細(xì)化，但為提高運(yùn)算效率，仍引入較多假設(shè)，如摻人隋性氣體、設(shè)定泄漏口幾何尺寸等，100m高程內(nèi)未設(shè)置風(fēng)力梯度，因而實(shí)際的事故工況異于軟件模擬工況，如風(fēng)力較強(qiáng)時(shí)空間坐標(biāo)系出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)性，管道泄漏的氣體在地層內(nèi)橫向滲透將影響泄漏范圍及出口流速等。

值得一提的是，火災(zāi)防范時(shí)只將爆炸極限列為危害區(qū)間，這符合不發(fā)生明火時(shí)的氣體冷態(tài)擴(kuò)散情況，但一旦發(fā)生燃燒，C0的濃度場(chǎng)將發(fā)生極大變化，還將產(chǎn)生對(duì)人員窒息的煙氣。FLUENT作為一款功能強(qiáng)大的軟件，也能模擬燃燒情況(俗稱(chēng)熱態(tài)研究)，但這將大大增加參數(shù)設(shè)定的復(fù)雜性和計(jì)算過(guò)程冗時(shí)性，這是工程計(jì)算力求避免的，但應(yīng)是理論研究的改進(jìn)方向。

本文作者：孫永康，鐘怡

作者單位：上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司，上海200070