张兰江，罗维东，黄重国，刘 立

(1.北京科技大学机械工程学院，北京 100083；2.聊城大学机械与汽车工程学院，山东聊城 252059)



CNG加气站固定储气设施的防火间距研究

张兰江1,2，罗维东1，黄重国1，刘 立1

(1.北京科技大学机械工程学院，北京 100083；2.聊城大学机械与汽车工程学院，山东聊城 252059)

CNG加气站的安全间距与城市安全及土地利用密切相关，为在满足安全要求的前提下降低安全间距，提高土地利用率，对CNG加气站的防火间距进行了研究。基于Chamberlain模型，对CNG加气站内固定储气设施发生燃气泄漏燃烧的热辐射进行数值分析，结合地下抗爆泄压式新型固定储气设施的研究成果，利用Matlab对不同形式的固定储气设施发生燃气泄漏燃烧事故时的热辐射情况做出相应的数值计算。计算结果表明，新型的固定储气设施(技术)可以有效地缩小其防火间距，提高CNG加气站的土地利用率。

燃烧计算；CNG加气站；防火间距；热辐射；固定储气设施

压缩天然气(简称CNG)加气站的建设与城市安全及土地利用密切相关，安全间距在天然气加气站总平面设计中至关重要[1-4]。CNG加气站安全间距的确定主要是基于减少偶然事故产生的灾害及影响和节约用地等综合考虑的结果，其主要的影响因素是火灾。目前CNG加气站的固定储气设施是指安装在固定位置的地上或地下储气瓶(组)和储气井的统称[5]，均储备25 MPa压力的天然气，存在的最为突出的问题是设施安全性差、储存困难。CNG加气站在规划上往往受到市内建成区用地紧张的限制，导致城市内加气站站点不足、布置不合理。因此，针对加气站开展安全间距和防火间距的相关研究是必要的。

1 防火间距的理论研究

防火间距是指为了防止着火，防止建筑的辐射热在一定时间内引燃相邻建筑，且便于消防扑救的安全距离。目前，消防规范对不同建筑物的防火间距做了明确的定量规定，其主要依据是考虑热辐射的作用，而不考虑飞火和对流的作用，其中热辐射对物体材料的伤害破坏准则如表1所示。

表1 热辐射伤害/破坏准则Tab.1 Thermal radiation damage/failure criteria

本文利用Chamberlain模型计算燃气的热辐射。Chamberlain模型是当前国际上较为流行的用于计算喷射火焰特性参数的一种方法。该模型经过了数年的研究, 经受了风洞实验和现场实验的检验。它把喷射火焰看作是一个表面热辐射能量均匀分布的实心截头锥体, 能计算多种环境条件或流动状态下喷射火焰的形状及其表面辐射能量[6-8]。根据Chamberlain模型，喷射火焰的热辐射强度主要按如下步骤计算。

1.1 计算泄漏下膨胀射流的初射速度uj

根据Chamberlain模型，膨胀射流的初射速度uj(单位为m/s)主要取决于压缩气体的初始温度Ts、压缩气体的初始压力Pinit、压缩气体的泊松常数k、泄漏口喷射面处的静压Pc以及膨胀射流的温度Tj、阻流马赫数Mj等主要的物理参数，即

(1)

1.2 喷射气体遇火燃烧的火焰外形尺寸和倾角计算

喷射气体燃烧时的火焰外形近似为一个截头圆锥体，其外形尺寸不仅与环境风速uw有关，而且还受泄漏口的形状和尺寸影响。

由于CNG高压储气设施发生泄漏时，气体流速在音速范围内(临界流)，根据文献[10]规定，喷射气体的质量流率m′ 满足式(2)关系，即

(2)

式中：Yd为流量系数，对于临界流Yd=1；Cd为泄漏系数，跟泄漏口的形状有关，圆形泄漏口取1，三角形泄漏口取0.95，长方形泄漏口取0.9；A为裂口面积，m2；Tg为泄漏气体的温度，K。

则泄露处有效源的等效直径为

(3)

式中：ρair为空气密度，取ρair=1.293 kg/m3。

1)喷射火焰顶部至喷射口中心的距离Lb(m)

Lb=YDs(0.51e-0.4uw+0.49)×

[1-6.07×10-3(θjv-90°)],

(4)

式中：θjv为泄漏口的轴线与水平面的夹角(°)；Y为辅助计算变量。

2)喷射火焰的倾角α(°)

若环境风速与射流速度的比值Rw≤0.05，喷射火焰的倾角α主要受射流控制，风速对其影响可以忽略不计，即：

(5)

若环境风速与射流速度的比值Rw>0.05，喷射火焰的倾角α不仅受射流控制，风速也对其有影响，此时：

(6)

3)喷射火焰的抬升距离b(m)

b=(0.185e-20Rw+0.015)Lb。

(7)

4)喷射火焰截头锥体的长度R1(m)

(8)

5)火焰截头锥体的底宽W1(m)

W1=Ds(13.5e-6Rw+1.5)×

(9)

6)喷射火焰截头锥体的顶宽W2(m)

W2=Lb(0.18e-1.5Rw+0.31)×

(1-0.47e-25Rw)。

(10)

7)喷射火焰截头锥体的表面积Af(m2)

(11)

1.3 计算射流火焰的表面热辐射能量

1)喷射火焰单位时间释放的热量Q′(J/s1)

Q′=m′×ΔHc，

(12)

式中：ΔHc为气体的燃烧热，一般天然气的燃烧热取ΔHc=3.8×107J/kg。

2)喷射火焰表面的辐射热量比率Fs

Fs=(0.21e-0.003 23uj+0.11)×F(Mg) ，

(13)

式中：F(Mg)是可燃气体分子量的函数，

3)喷射火焰理论(最大)表面热辐射值SEPmax(J·m-2·s-1)

(14)

1.4 计算喷射火焰的热辐射强度

为了便于计算说明，将喷射火焰的截头圆锥体转化为等效的倾斜圆柱体，对应的转换参数分别为

(15)

式中：X为泄漏口中心至目标的距离，m；x为火焰表面至目标的距离，m。

则利用Mudan提出的观测因子(视角系数)计算公式泄漏口下风处X(m)距离的视角系数Fview：

(16)

式中：Fv为目标在垂直方向上的几何系数；Fh为目标在水平方向上的几何系数。

根据Bagster的计算公式，大气热传递系数τα可由式(17)求得：

(17)

式中：Pw为环境温度下大气中的水蒸气压力，N/m2；Ew为环境温度下的饱和水蒸气压力，N/m2；RH为环境温度下的相对湿度，%。

因此，泄漏口某一距离X(m)处的辐射强度qW/m2计算如式(18)所示：

q=SEPmaxFviewτα。

(18)

2 CNG加气站固定储气设施燃气泄漏燃烧热辐射强度的数值计算

2.1 传统的数值计算

目前CNG加气站固定储气设施主要用储气瓶(瓶组)和高压气地下储气井。储气瓶(瓶组)采用大容积储气瓶卧式排列布局，结构形式如图1所示，具有易于制造、瓶阀少、接口少、安全性高、维护方便等优点。20世纪末发明的高压气地下储气井是受制于天然气储存行业技术装备发展水平的暂时选择，它是将177.8～273.1 mm直径的套管采用石油钻井方式打入地下80～300 m，将底部用水泥固封的CNG管式储存容器，储气井具有占地面积小、运行费用低、安全可靠、操作维护简便和事故影响范围小等优点[11]。根据对现有储气设施的燃气泄露研究，最容易发生燃气泄漏的位置为固定储气设施进/出气管口连接处，其中最危险的工况为泄漏燃气的射流方向为储气设施轴向方向，此工况所要求的防火间距最大。根据上述分析，本文选用高压气地下储气井为研究对象，利用Matlab计算极限工况下的热辐射强度，如表2—表4所示。

图1 高压储气瓶组结构图Fig.1 Structure of the high-pressure gas cylinders group

表2 CNG加气站固定储气设施泄漏计算参数列表Tab.2 Leakage calculation parameters list of CNG filling stations fixed storage facilities

表3 CNG储气设施泄漏燃烧计算结果Tab.3 Leakage combustion calculations ofCNG storage facilities

表4 距储气设施泄漏口某一距离X处的热辐射强度qTab.4 Thermal radiation intensityqat a distanceXfrom storage facilities leak orifice

可见，当目标距离在CNG固定储气设施泄露位置50 m处时，其喷射火焰的辐射强度为4.069 kW/m2，对该位置构建筑物的影响较小，与文献[5]中表4.0.8所规定的CNG固定储气设施到站外重要公共建筑物的防火间距为50 m的要求基本吻合。

2.2 基于二次泄压技术的数值计算

为了进一步减小CNG加气站的防火间距，提高土地的利用率，本文提出了一种智能感知型压缩天然气大容积瓶式抗爆泄压地下储气井，将瓶组式储气单元置于地下，配以抗爆泄压式结构和可燃气体检测器等传感元件，结构简单，安全可靠，实时监控，事故可控，维护便捷，经济效益显著[14]。

由于新型CNG储气设施设计了泄压结构(见图2)，

图2 新型CNG储气设施的结构示意图Fig.2 Structure of the new CNG storage facility

发生泄漏时，膨胀气体先通过地下结构泄压，从泄压口喷出的气体压力已远远小于泄漏发生时的初始压力。CNG泄漏时，泄漏速度极快，整个泄漏过程可以看成是一个绝热过程。该设施发生泄露燃烧时的热辐射强度的计算结果如表5—表7所示。

表5 新型CNG储气设施泄漏计算参数列表Tab.5 Leakage calculation parameters list of the new CNG storage facility

表6 新型储气设施泄漏燃烧计算结果Tab.6 Leakage combustion calculation of the CNGnew storage facility

表7 距储气设施泄漏口某一距离X处的辐射强度qTab.7 Thermal radiation intensityqat a distanceXfrom the new storage facility leak orifice

可见，与现有CNG加气站的固定储气设施相比，该新型储气设施在极限工况下发生泄漏燃烧时，其燃气喷射速度、火焰长度、火焰表面积以及热辐射强度等参数均明显减小。当目标距离在新型固定储气设施泄露位置25 m处时，其喷射火焰的辐射强度为4.071 kW/m2，按照文献[5]的相关标准，在同样的热辐射强度下其防火间距为25 m即可满足要求，可以大幅减小该储气设施对CNG加气站防火间距的要求。

3 结 语

图3 CNG储气设施泄漏气体燃烧的热辐射强度与目标距离的关系曲线Fig.3 Versus of heat radiation intensity and target distance for CNG storage facilities leakage gas combustion

从理论分析和数值模拟的角度对CNG加气站固定储气设施防火间距进行了定量分析研究。通过对现有CNG加气站固定储气设施和新型储气设施在发生燃气泄漏燃烧时热辐射强度的数值计算，证明在同样的工况下新型储气设施所产生的热辐射强度要小于现有的CNG储气设施(如图3所示)，所满足的防火间距要远远小于现有的CNG储气设施。本文为更科学、安全、合理、规范地确定CNG加气站固定储气设施的安全间距提供了一种新思路。在今后的研究工作中，还需设计相应的工程试验对上述固定储气设施的安全间距进行验证。

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Quantitative study on fire separation of fixed storage facility for CNG filling station

ZHANG Lanjiang1,2, LUO Weidong1, HUANG Zhongguo1, LIU Li1

(1.School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2.School of Mechanical and Automobile Engineering, Liaocheng University, Liaocheng, Shandong 252059, China)

The fixed storage facility safety distance of CNG filling station is closely related to urban safety and land use. In order to meet the safety requirement but reduce the safety distance and improve land usage rate, the safety distance of CNG filling station is studied. The burning gas leakage thermal radiation of the fixed storage facilities is numerically analyzed based on the Chamberlain model. On the basis of the research achievement of new antiknock pres-relief type fixed storage facilities, by using Matlab, the corresponding calculating of thermal radiation is conducted when gas leakage burning accident of different forms of fixed storage facilities occurs. The results show that the new fixed storage facility (technology) can effectively reduce the fire separation, and improve the land use rate of CNG filling stations.

combustion calculation; CNG filling station; fire separation; thermal radiation; fixed storage facility

1008-1534(2016)06-0509-06

2016-07-23;

2016-10-31；责任编辑：冯 民

张兰江(1980—)，男，山东昌乐人，博士研究生，主要从事能源装备新技术方面的研究与设计工作。

E-mail:landy_qd@163.com

A

10.7535/hbgykj.2016yx06012

张兰江，罗维东，黄重国，等.CNG加气站固定储气设施的防火间距研究 [J].河北工业科技,2016,33(6):509-514. ZHANG Lanjiang, LUO Weidong, HUANG Zhongguo,et al.Quantitative study on fire separation of fixed storage facility for CNG filling station[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(6):509-514.