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李 刚，黄庭川，张晓宇，刘宗阳
（东北大学 资源与土木工程学院，沈阳 110819）
国内冶金企业普遍采用转炉炼钢，因此在钢铁生产加工过程中会产生大量转炉煤气.当煤气输运管路系统发生故障时，法兰、安全阀及管道连接处均有可能发生煤气泄漏，一旦泄漏就可能导致火灾、中毒及爆炸事故的发生.2019年5月29日，南昌某钢厂室外转炉煤气管道泄漏发生燃烧爆炸，导致现场作业人员1死9伤，究其原因是该厂未合理划分爆炸危险区域且未采取相应的防爆措施[1].在划分爆炸危险区域的过程中，现有的国家标准在资料性附录中对某些典型场所给出了指导性建议，但现实生产过程中影响爆炸危险区域范围的因素较多，如何具体、定量地确定室外爆炸危险区域范围一直未得到改善和解决.危险区域范围划分过窄不安全，划分过宽经济上又不可行.因此，如何科学合理地划分室外有泄漏风险场所的爆炸危险区域范围是目前广大冶金企业气体防爆安全整改工作的重点疑难问题之一.
国内外众多学者针对危险性气体泄漏问题进行了大量的实验及数值模拟研究.Barley等[2]通过实验研究了泄漏口所处的高度、通风方式及泄漏速率对氢气在空间内扩散分布的影响，并将实验结果与模拟结果进行验证.Agarwal等[3]利用CFD软件模拟了风速对天然气泄漏的影响，发现了不同风速条件所对应的安全区域范围.Li等[4]利用Fluent建立海底输气管道泄漏引起可燃气体释放和扩散行为的模型，研究了不同的气体释放速率、水深及泄漏位置对扩散的影响.Li等[5]对密闭空间天然气泄漏进行数值模拟，得出室内不同泄漏点的天然气泄漏扩散特性及风速对泄漏区域的影响.Nagaosa等[6]提出了一种描述可燃气体扩散的数值公式，并引入计算流体力学来研究气体泄漏率对其浓度分布的影响.
然而，仅有少数学者针对危险性气体泄漏后形成的爆炸危险区域范围进行研究.目前，工业现场通常都依据现有国家标准推荐的少量典型示例进行爆炸危险区域划分，并在此基础上进行防爆电气选择，但这缺乏足够的理论和实验依据.本文中以某钢厂转炉煤气净化回收系统室外管道阀组的煤气泄漏为例，运用数值模拟方法研究在不同的环境风速、泄漏压力及泄漏孔径条件下转炉煤气泄漏情况及爆炸危险区域范围的变化，期望能为冶金企业爆炸危险区域的划分提供重要参考和依据.
1.1 数学模型
假定转炉煤气泄漏为连续泄漏，煤气泄漏后与空气形成混合物，且各组分之间不发生化学反应，在整个泄漏过程混合气体均呈湍流流动状态.根据以上假设，本文中该厂转炉煤气泄漏问题为无化学反应的单相多组分扩散问题，需求解的方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程和湍流模型方程，分别介绍如下：
1.2 模型验证
桑尼岛实验将氟利昂与氮气混合物在14 m高处释放，并在地面障碍物前后进行气体浓度实时监测，以得到不同时刻的气体浓度数据.为了探究数值模拟的有效性，Tauseef等[7]对第26次桑尼岛实验结果进行模拟.结果表明：采用与该气体扩散行为相一致的Realizablek-ε湍流模型能使最终实验数据与数值模拟误差仅有2.2%，相较于其他模型，该模型的预测更接近实验数据.因此，本文中采用 RANS控制方程，同时选择Realizablek-ε湍流模型及组分输运方程对转炉煤气的局部瞬时浓度进行监测，并利用理想气体状态方程来评估气体混合物的相关性质.
1.3 物理模型及网格划分
为探究转炉煤气泄漏后爆炸危险区域的变化规律，本文中以某钢厂转炉煤气净化回收系统管道阀组平台的转炉煤气泄漏为例，使用 SCDM 19.0建立物理模型，如图1所示.计算域为20 m×10 m的矩形区域，阀组平台距地面高度为5 m.根据实地观察和分析，可能的泄漏点多为阀组平台内法兰间缝隙、排气孔和管道接头.为了便于模拟，假定环境风与煤气泄漏喷射的初始方向一致，并将以上三处形状大小不同的泄漏口按面积分别等效为直径 10，40，100 mm的圆形孔口.使用Meshing将模型划分为四边形结构化网格，单元最小尺寸为0.01 m.由于泄漏口附近的速度梯度较大，故加密划分泄漏口附近网格，网格单元平均质量为0.982 06.
图1 物理模型（m）Fig.1 physical model
1.4 边界条件及参数设置
本文中主要研究非稳态条件下转炉煤气的泄漏扩散情况，煤气泄漏口设为压力入口，入口压力分别为2，5，10 kpa，与转炉煤气柜外输送管道、转炉煤气净化回收系统管道及转炉煤气调压站外部管道压力相对应.左侧空气入口设为速度入口，根据厂区实际情况及当地气候条件将入口速度分别设为 0，0.5，1，2，3，5 m／s.下边界设为壁面边界条件，其余边界均为大气环境，设为压力出口，相对压力（环境压力）为0.环境和壁面的温度均为300 K，模拟过程考虑浮力和重力加速度的影响.
2.1 煤气泄漏规律及爆炸危险区域范围
为探究室外转炉煤气泄漏的规律，本文中以转炉煤气净化回收系统室外管道阀组的煤气在无风条件下泄漏作为室外气体泄漏的标准场景.利用ANSYS Fluent 19.0对该场景下的泄漏扩散情况进行数值模拟.图2示出了泄漏时间分别为1，5，10，20 s的转炉煤气体积分数云图.在转炉煤气发生泄漏的初始阶段，由于管道内压力大于环境压力，泄漏口附近区域的初始动量占据主要地位，流动特性近似于射流[8].在沿程静止环境流体的阻滞作用下，煤气水平射出6 m后，初始动量作用逐渐减弱，这是因为转炉煤气的密度略大于空气，使得转炉煤气有向下扩散趋势[9].在大气湍流作用下，5 s后煤气从高浓度向低浓度区域扩散直至地面，且水平扩散距离大于20 m.与此同时，密度较小的空气不断地进入煤气的主体相中，引起一定程度的稀释.10 s后煤气扩散较为平稳，近地面处有少许波动.20 s后煤气浓度场趋于稳定，扩散范围不再变化.
图2 不同时刻转炉煤气体积分数Fig.2 The volume fraction of converter gas at different times
该钢厂所使用的转炉煤气是由多种气体组成的混合气体，各组分的体积分数分别为氢气1.5%、氧气0.4%、二氧化碳19.4%、氮气20.7%、一氧化碳58%，转炉煤气各组分体积分数之比为φ（CO2） ／φ（CO）＝ 0.33，φ（N2） ／φ（H2）＝ 13.8.由图3可知，CO2／CO混合爆炸极限为17%～70%、N2／H2混合爆炸极限为 64% ～76%[10].理查特里爆炸极限计算公式如下所示：
图3 混合气体爆炸极限图Fig.3 Explosion limit diagram of mixed gas
式中：Lm为混合气体的爆炸极限，%；
Ln为n气体的爆炸极限，%；
φn为n气体的体积分数，且φ1+φ2+φ3+…+φn＝100%.
经计算可得转炉煤气爆炸极限为20.4%～71.5%，体积分数介于此区间的转炉煤气遇点火源均可发生爆炸[11].图4示出了转炉煤气泄漏后的体积分数在爆炸危险区域范围随时间的变化情况.从图4可以看出：当泄漏时间为1 s时，爆炸危险区域分布于水平方向6.5 m范围内；
随着煤气的继续泄漏，爆炸危险区域向下扩散至地面并向两侧蔓延，水平方向最远扩散至9 m；
当泄漏20 s后，爆炸危险区域趋于稳定，泄漏口与爆炸危险区域最远距离不再变化，保持为11.8 m.
图4 不同时刻转炉煤气爆炸危险区域范围Fig.4 The scope of the converter gas explosion hazard area at different times
2.2 环境风速对爆炸危险区域范围的影响
为探究不同环境风速对煤气泄漏后爆炸危险区域范围的影响，选择风速 0，0.5，1，2，3，5 m／s六种工况进行模拟计算，假定泄漏孔径为40 mm，煤气泄漏压力为5 kpa.根据数值模拟结果和转炉煤气爆炸的极限范围，得到不同时刻的爆炸危险区域云图，由此绘制出六种风速下煤气泄漏后爆炸危险区域范围与泄漏时间对应的曲线，如图5所示.
图5 不同环境风速下爆炸危险区域范围随泄漏时间变化曲线Fig.5 Variation curve of explosion hazard area with leakage time under different environmental wind speed
由图5可知，在泄漏开始阶段，由于管道内存在初始压力，转炉煤气以射流形式泄漏到环境中，泄漏口附近气体流动速度较大，此时环境风速对转炉煤气爆炸危险区域范围的影响较小.对比图中泄漏时间为1 s的爆炸危险区域范围可知：当环境无风时，1 s内煤气爆炸危险区域范围可扩大至6.5 m；
随着风速的增大，爆炸危险区域范围也在增大；
当环境风速为5 m／s时，1 s内煤气爆炸危险区域范围可扩大至7.9 m.在继续泄漏的过程中，煤气的射流效应逐渐减弱，泄漏速率下降，风速对其扩散的影响增强，使得射流轴线和主要扩散区向地面及下风向偏移[4].
从图5还可以看出：当环境无风时，15 s内煤气爆炸危险区域范围随时间的增加均匀增大，之后便保持在一个相对稳定的状态，此时爆炸危险区域稳定在11.8 m范围内；
当环境风速为0.5 m／s时，风对煤气扩散起到了一定的促进作用，同时空气稀释作用加强，煤气射流卷吸气体，导致气体间产生碰撞，从而使煤气质量分数出现微小的波动[12].因此，在泄漏时间为 5～15 s时，煤气的爆炸危险区域范围有所波动，但整体呈扩大趋势，25 s后煤气扩散达到稳定状态，爆炸危险区域范围最大可达15.8 m.当环境风速增大至1 m／s时，爆炸危险区域范围最大达到16.2 m.由于风对泄漏的转炉煤气有稀释和输运的作用，随着环境风速的继续增大，强风会加速煤气扩散使空间内煤气的浓度大幅降低，泄漏口轴线上的煤气形态随风向变得细长，5 s后爆炸危险区域稳定在7.2 m范围内.当风速超过2 m／s时，无论风速如何增大，爆炸危险区域最终都会稳定在7.2 m范围之内.由此看出：较低风速有利于泄漏气云的扩散，同时也会增大爆炸危险区域范围；
强风则会稀释煤气，减小爆炸危险区域范围.
2.3 泄漏压力对爆炸危险区域范围的影响
假定在无风环境下，当泄漏孔径为40 mm时，对转炉煤气泄漏压力分别为2，5，10 kpa的三种工况进行模拟，探究不同泄漏压力对爆炸危险区域范围的影响.在三种泄漏压力下，煤气爆炸危险区域范围随泄漏时间变化的曲线如图6所示.
图6 不同泄漏压力下爆炸危险区域范围随泄漏时间变化曲线Fig.6 Variation curve of explosion hazard area range with leakage time under different leakage pressures
由图6可知，在泄漏初始阶段，转炉煤气以射流形式扩散，不同的泄漏压力导致煤气开始泄漏时具有的初始动量不同.当泄漏时间为1 s时，三种泄漏压力条件所对应的爆炸危险区域范围依次为5.95，6.5，7.5 m.随着泄漏压力的增大，煤气受浮力的影响减小，水平扩散距离增大，体积分数在爆炸极限范围内的区域同时增大.在三种不同泄漏压力的条件下，煤气爆炸危险区域蔓延至地面所需时间分别为8，5，4 s，此时对应的爆炸危险区域范围分别为10.5，9，8.4 m.在泄漏时间达到20 s后，泄漏压力对爆炸危险区域范围的影响逐渐减弱，三种泄漏压力条件对应的爆炸危险区域范围均趋于稳定，分别为 11.7，11.8，11.9 m，三者相差不大.
综上分析：在泄漏初始阶段，泄漏压力对爆炸危险区域范围影响较大，泄漏压力越大，爆炸危险区域范围就越大；
在自由扩散阶段，泄漏压力越小，转炉煤气受浮力的影响越明显，扩散到地面所需的时间也越长，但煤气在空间中的分布结构大致相同；
当泄漏到达稳定状态后，泄漏压力对爆炸危险区域范围影响较小，但随着泄漏压力的增大，爆炸危险区域与泄漏口之间的距离会稍有增大.
2.4 泄漏孔径对爆炸危险区域范围的影响
在无风环境和泄漏压力为5 kpa的条件下，探究泄漏孔径的变化对爆炸危险区域范围的影响.设定泄漏孔径分别为 10，40，100 mm，通过统计整理模拟结果，得出不同孔径下爆炸危险区域范围与泄漏时间的对应关系曲线如图7所示.
图7 不同泄漏孔径下爆炸危险区域范围随泄漏时间变化曲线Fig.7 Variation curve of explosion hazard area range with leakage time under different leakage apertures
对比图中三条曲线可以发现，当泄漏孔径为10 mm时，转炉煤气虽具有一定初始动量，但由于泄漏孔径较小，泄漏出的煤气在泄漏口附近保持较低浓度.在煤气的射流作用下，泄漏口水平轴线1.8 m范围内均属于爆炸危险区域.在泄漏发生10 s后，爆炸危险区域稳定在2 m范围内.当泄漏孔径增大至40 mm时，在泄漏压力不变的情况下，煤气的泄漏量增大，泄漏口附近的煤气浓度大幅提升，1 s内爆炸危险区域范围会达到7.1 m.由于受到负浮力作用[13]，煤气将继续向下扩散，爆炸危险区域范围也随之扩大，25 s后达到稳定状态，爆炸危险区域保持在11.8 m范围内.当泄漏孔径为100 mm时，爆炸危险区域在泄漏10 s时达到稳定状态，其最远端与泄漏口的距离达到23.5 m.由此可见，泄漏孔径的不同会直接影响转炉煤气泄漏量，导致爆炸危险区域范围大幅变化.随着泄漏孔径的增大，煤气的扩散范围增大，爆炸危险区域范围也在增大.
2.5 标准对比分析
根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》（GB 50058—2014）来划分比空气重的可燃物的爆炸危险区域，发现该标准中仅将第二级释放源15 m范围内划分为二区，却并未对环境风速、泄漏压力、可燃物泄出量的影响进行定量说明.
综合前文分析可知：当环境风速小于1 m／s时，爆炸危险区域范围最远可达16.8 m，现有国家标准并不能满足防爆要求，在现场危险区域划分时需作调整；
当环境风速增大至2 m／s以上时，标准可满足防爆要求；
在其他因素不变的情况下，仅改变泄漏压力对爆炸危险区域范围影响较小，三种泄漏压力下爆炸危险区域均在规定的15 m范围内，标准满足防爆要求；
泄漏孔径对爆炸危险区域范围影响显著，当泄漏孔径为100 mm时，爆炸危险区域远超标准规定的15 m范围，标准不满足防爆要求.因此，在实际生产过程中，应极力避免因检修或故障造成的大孔径泄漏情况.
（1）与转炉煤气泄漏方向相同的环境风对煤气扩散有促进作用，小于1 m／s的环境风会扩大爆炸危险区域范围，大于2 m／s的环境风因稀释作用会缩小爆炸危险区域范围，使爆炸危险区域最终稳定在7.2 m范围内.
（2）泄漏压力的变化对煤气泄漏初始阶段爆炸危险区域范围影响较大，对煤气在空间中分布的影响极小.泄漏压力越小，煤气受浮力影响越明显，煤气泄漏到地面所需时间越长.随着泄漏压力增大，爆炸危险区域的最远端与泄漏口的距离随之增大.
（3）泄漏孔径会直接影响转炉煤气泄漏量，其大小对爆炸危险区域范围影响显著.泄漏孔径越大，爆炸危险区域越大.当泄漏孔径为100 mm时，爆炸危险区域范围可达23.5 m.
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