临街餐厅掺氢天然气泄漏爆炸模拟研究

2022-05-18 06:29臧子璇黄小美
煤气与热力 2022年5期
关键词:监测点峰值氢气

1 概述

氢气燃烧速度快、燃烧界限宽、质量热值高,天然气中掺入氢气可以改变天然气的燃烧特性。天然气掺氢是降低碳排放和实现大规模氢能运输的重要手段,但高成本、高安全隐患以及大众对氢认知度不够等是制约其发展的重要因素。

在理论和数值模拟研究领域,由于受限空间气体爆炸过程显示出了极强的复杂性和极大的破坏性,各项研究已对受限空间可燃气体爆源性质、爆炸过程、传播规律、影响因素等方面进行了深入广泛细致的研究。Sun等人

在钢制燃烧室中进行甲烷-空气混合物的爆炸试验,研究了初始压力、浓度、初始湍流对火焰发展的影响。Pedersen等人

采用CFD方法对两室封闭空间内天然气爆炸进行模拟研究,结果表明压力曲线有两个爆炸压力峰值。第1个爆炸压力峰值与防爆通风板泄压有关,第2个爆炸压力峰值随排气口结构、填充程度变化。Li等人

提出了一种用FLACS模拟封闭空间内湍流火焰的CFD模拟方法,并用FLUENT软件计算了低湍流爆炸波在自由空气中的传播,将其应用于预测由外部爆炸引起的爆炸室内的爆炸压力峰值,计算结果与实验结果吻合较好。Baalisampang等人

建立分析模型,评估火灾、爆炸产生的压力和热辐射对人体形成的危害后果。李红培

利用爆炸仿真软件建立了开放式厨房爆炸模型,并进行爆炸模拟,分析燃气浓度、泄压板尺寸、泄压压力等对爆炸压力的影响。卢捷等人

通过对有无障碍物的管道进行气体爆炸试验分析研究,得到由于障碍物的原因管道内燃气爆炸压力峰值增加20%。郑立刚等人

为研究不同点火位置下氢气/甲烷/空气预混气体的爆燃特性,改变点火位置和氢气添加比例,在实验平台上开展爆燃实验以及开展了氢气-空气预混气在透明方管内的爆燃实验研究,分析在一端开口一端封闭的狭长空间内,浓度和点火位置对氢气-空气预混气爆燃特性的影响。

人生如长河漫漫,会流过平原,亦会途经险道;流过春光,也会流经寒霜。毕淑敏曾在演讲中说:“人生没有意义,但你要为之确立一个意义。”生而为我,观大千世界,赏芸芸万物,在不断询问、不断上路中叩问自己生命之意义。

2019年我国共发生燃气事故722起,其中发生在餐厅等商户的事故逾100起

。临街餐厅通常将就餐区域布置在临街一侧,而厨房位于内侧,出于地形或者建筑功能布局的考虑,许多临街餐饮店只在临街侧设置餐厅门,其厨房属于没有直接对外门窗的内厨房,此类型空间自然通风不畅。

研究掺氢对临街餐厅内天然气泄漏爆炸的影响,对天然气掺氢系统运行的安全管理有积极意义,现有文献尚未发现此方面的研究,因此本文尝试采用数值模拟方法对餐厅空间掺氢天然气泄漏爆炸进行定量研究。

2 研究方法

① 研究对象

临街餐厅由就餐区和厨房组成。餐厅总长度

为9 m(其中就餐区长

为4.94 m,厨房长

为3.94 m,隔墙厚度

为0.12 m),宽度为4 m,高3 m。餐厅模型(软件截图)见图1。点火源为点源。

④参见 Ellwein/Hesse,Der ueberforderte Staat,1997,S.7,S.67.

③ 模型的建立

餐厅门为关闭状态,点火位置为靠近餐厅门侧(门里),计算域达到爆炸压力峰值时,不同掺氢比例工况

=0.75 m截面爆炸压力分布(软件截图)见图4,计算时段计算域不同掺氢比例工况最高温度见表1。

研究餐厅门启闭状态对可燃气体爆炸特性的影响时,4种掺氢比例、中部点火条件下,分析餐厅门开启和关闭时餐厅门外4 m处监测点爆炸压力的变化。

② 模拟软件

采用FLACS软件进行爆炸模拟研究,该软件由挪威Gex Con ( CMR/CMI) 公司开发,可以通过建立精确的燃烧、爆炸物理模型,研究爆炸压力、温度等多个参数在整个爆炸过程中的变化情况。该软件基于有限体积法在三维笛卡尔网格下求解可压缩N-S方程。使用标准的湍流模型,并利用SIMPLE算法,通过建立描述流体特性的质量、动量、能量及组分守恒方程,配合边界条件求解,可计算得出爆炸压力、火焰传播速度、温度、反应物浓度等多个爆炸参数。

第一阶段始于明万历年间。随着耶稣会传教士的到来,中国的学术思想有所触动。此时,欧洲文艺复兴运动推动了西方近代科学的兴起。来华的欧洲传教士在传播天主教教义的同时,大量传入欧洲的科学技术,其中包括近代天文学、数学、物理、医学、地理、水利等。亚里士多德、毕达哥拉斯、斯多葛、西塞罗等古希腊、罗马著名哲学家的著作也相继被传教士们译成中文。这是西学东渐的开始。梁启超在《中国近三百年学术史》中说:“明朝以八股取士,一般士大夫,除了皇帝钦定的《性理大全》外,几乎一书不读,学界本身,本来就像贫血症的人,衰弱得可怜。直到明万历未年,利玛窦等西洋人来到中国后,学术界的风气,才有了变换。”[22]

研究掺氢比例对可燃气体爆炸特性的影响时,假定掺氢天然气在餐厅内均匀分布,4种掺氢比例(在氢气和甲烷的混合气中氢气体积分数分别为0%、10%、20%、30%)、餐厅门关闭条件下,分析靠近餐厅门点火时爆炸压力峰值和最高温度的变化、中部点火时餐厅门外4 m处监测点爆炸压力的变化、3种点火位置(靠近封闭侧点火、中部点火、靠近餐厅门点火)达到爆炸压力峰值时间的变化。

本文以国内某大中型海岛作为案例,根据岛内电力需求预测、环境资源条件和供电方案技术可行性,对发展本地气电和与内陆联网的两种供电方案进行比较分析。

为了解爆炸对餐厅外部空间的影响程度,在餐厅物理模型(见图1)的基础上扩大餐厅外部空间模拟区域,该区域长×宽×高为49 m×24 m×7 m。爆炸模拟物理模型(软件截图)见图2。餐厅门所处的平面为零界面(图中黑色部分),坐标原点位置见图1b,餐厅地面为

=0平面,

正方向为竖直向上。临街方向称为前,远离街道方向称为后,厨房后墙称为封闭侧。

④ 网格划分与参数设置

根据所建模型的尺寸设置计算域,爆炸模拟的计算域不仅包括餐厅内部,还对餐厅外部压力波可能到达的范围进行网格划分,保证计算域完整地覆盖餐厅系统模型。在整个计算域内设置均匀网格,设置3个方向上的网格尺寸为0.1 m。在餐厅内部以及餐厅门外等关键部位设置监测点,监测爆炸反应过程爆炸压力、爆炸压力上升速率、温度和火焰传播速度的变化,监测点分布见图3。

将燃气区域空间设置为整个餐厅。点火位置均设在餐厅内部,分为靠近封闭侧、中部及靠近餐厅门。具体参数设置情况如下。

学习借鉴长江下游地区,特别是长三角发达地区对内对外开放的有益经验,在更大范围、更高水平上推进云南对内对外开放和经济合作,把云南打造成为沿边沿江开放型经济示范区。同时,依托云南在长江经济带的生态地位,大力发展生物医药和大健康产业,根据云南丰富多彩的民族文化旅游资源,大力发展旅游文化产业,把云南建设成为全国生态文明建设排头兵、民族文化旅游和生态旅游重要目的地。

a.监测点布置

采用中心布置并且考虑对人的损伤情况,选择

=1.2 m的截面,餐厅内部每隔2 m布置监测点,餐厅外部每隔4 m布置监测点。监测点坐标为:MP11(2,-40,1.2),MP7(2,-36,1.2)、MP5(2,-32,1.2)、MP4(2,-28,1.2)、MP2(2,-24,1.2)、MP15(2,-20,1.2)、MP13(2,-16,1.2)、MP14(2,-12,1.2)、MP12(2,-8,1.2)、MP1(2,-4,1.2)、MP3(2,0,1.2)、MP6(2,2,1.2)、MP8(2,4,1.2)、MP9(2,6,1.2)、MP10(2,8,1.2)。

新时期,我国在积极展开小学数学教学的过程中,应注重对学生综合素质的全面培养。这就要求小学数学教师结合小学数学学习特点有针对性地采取教学策略,从根本上提升教学质量。

初始大气压力为101 325 Pa,初始温度为20 ℃。

c.设置模型边界条件

爆炸所有参数选择欧拉“EULER”边界条件——将无黏流动方程(Euler方程)离散为边界元。这意味着在流出情况下动量方程和连续方程在边界上得到了求解。环境压力用作边界外的压力。

(5)共享共用支撑:系统的建立,为建立大型设备监测及共享使用机制提供了有力的数据支撑,可为相邻相同行业单位开展相同业务提供了硬件支持,提高使用效率,减少资金投入。

掺氢燃气管道以及送排风管道均牵引至厨房,送排风管道均长6.56 m,宽0.35 m,高0.25 m,灶台高度为0.8 m。上方安有吸油烟机,高度0.4 m。餐厅门中心点坐标为(2,0,1),高2 m,宽2 m。窗口位于门的正上方,上边缘与餐厅顶平齐,常开状态,宽1 m,高0.3 m。厨房另一边为储物柜(高2 m)、材料桌(高0.8 m)、清洁台(高0.8 m),其他具体尺寸见图1b。

d.气体组成设置

选择CH

、H

,并按掺氢比例分别为0%、10%、20%、30%的体积分数比设置掺氢天然气。

f.泄压板

e.点火条件设置

当掺氢天然气泄漏,达到爆炸下限时,点火。点火源坐标为靠近封闭侧(2,8.8,1)、中部(2,4.4,1)、靠近餐厅门(2,0,1)。延迟时间:0 ms。

强健学生的体魄、提高学生的身体素质,是学校体育的本质功能,经常参加体育锻炼可以改变学生不良的生活习惯,促进学生躯体健康。

积极情绪体验的积累是高尚情操形成的基础。衡量故事教学成功的一个表征是能否有效激发情感。根据认知心理学的研究,在故事讲述中大量运用表象、挖掘情感潜力,可以达到事半功倍的效果。

餐厅门关闭工况,将餐厅门设置成POPOUT泄压板,开启压力为10 kPa,超过该压力,则餐厅门视为完全破坏、对爆炸无阻碍。

3 结果与讨论

3.1 掺氢比例对爆炸特性的影响

① 爆炸压力峰值、最高温度

研究点火位置对可燃气体爆炸特性的影响时,掺氢比例为20%、餐厅门开启条件下,分析3种点火位置部分监测点爆炸压力的变化。

b.初始条件设置

由图4可知,随着掺氢比例增加,发生点火爆炸后,爆炸压力峰值随之增大,爆炸压力峰值时间缩短。在整个模拟中,靠近餐厅门点火时,首先引发室内气体爆炸,室内压力骤增,导致餐厅门开启,压力波向室外传播,部分工况室内甚至会出现负压,在图4所示时刻计算域的爆炸压力峰值均出现在向室外传播的过程中。由表1可知,餐厅内发生点火爆炸后,最高温度随掺氢比例增加而增加,说明掺氢比例增加会增大爆炸的危害程度。

② 监测点1爆炸压力变化

餐厅门为关闭状态,中部点火时不同掺氢比例监测点1爆炸压力变化见图5。从监测点1爆炸压力峰值的角度看,掺氢比例增加,爆炸压力峰值不断增大,爆炸强度越大;从监测点1达到爆炸压力峰值时间看,掺氢比例增加,达到爆炸压力峰值时间不断缩短,即爆炸压力上升速度提高。综上所述,掺氢对天然气爆炸起到加速作用,掺氢比例越大,爆炸强度越大,爆炸压力上升速度越快。

③ 达到爆炸压力峰值时间

餐厅门为关闭状态,3种点火位置不同掺氢比例下达到爆炸压力峰值时间见图6。可以看出,随着掺氢比例增加,3种点火位置时达到爆炸压力峰值时间均明显缩短,说明氢气的掺入会加速天然气爆炸,爆炸压力上升速度提高,从而增加爆炸危险性。靠近封闭侧点火时达到爆炸压力峰值时间最长。

3.2 点火位置对爆炸特性的影响

设定餐厅门为开启状态,为了降低后续实际实验的危险性,选择掺氢比例为20%的掺氢天然气,对点火位置分别为靠近封闭侧、中部和靠近餐厅门进行模拟。点火位置对部分监测点爆炸压力的影响见图7。可以看出,点火位置不同,相同监测点爆炸压力差别较大。

3.3 门的启闭状态对爆炸特性的影响

点火位置为中部点火,控制餐厅门启闭状态,门为泄压板。不同掺氢比例下餐厅门的启闭状态对监测点1爆炸压力的影响见图8。

由图8可以看出,餐厅门关闭状态下监测点1爆炸压力峰值明显高于开启状态。餐厅门开启时靠近餐厅门侧没有压力集聚的条件,火焰传播速度较关闭状态快。当餐厅门开启时,由于没有门的约束,使高温预热区气体得以迅速向室外扩散,同时预热区迅速扩张,也使火焰传播速度较关闭状态更快。在不同掺氢比例下,餐厅门关闭状态的爆炸压力峰值均高于开启状态。

4 结论

① 4种掺氢比例(在氢气和甲烷的混合气中氢气体积分数分别为0%、10%、20%、30%)、餐厅门关闭条件下:靠近餐厅门点火时,随着掺氢比例增加,爆炸压力峰值增大,达到爆炸压力峰值时间缩短,最高温度增加;中部点火时,掺氢对天然气爆炸起到加速作用,掺氢比例越大,爆炸强度越大,爆炸压力上升速度越快;3种点火位置(靠近封闭侧点火、中部点火、靠近餐厅门点火)下,靠近封闭侧点火达到爆炸压力峰值时间最长。

3.3 人文关怀改善教学满意度 良好的教学环境、教学技巧的合理运用、教师良好的综合素质都有助于护生们的临床知识的学习和经验的积累。护士长及带教老师们的关心和爱护、良好教学氛围的建立,引导护生们开拓思路、团结协作,更好地护理患者,也使护生的综合素质得以全面良好的发展和提高。

1.1一般资料选取了2015年1月至2016年1月我院的375例异常血液样本作为对照组,同期选取了正常血液样本350例作为观察组,对这些样本进行了血涂片检验,观察组共有192例男性和183例女性,患者年龄19岁到79岁,平均(44±12.97)岁。对照组有181例男性和169例女性,年龄20至81岁,平均(45±13.01)岁。两组一般性资料对比不存在统计学差异性,能够进行对比分析。

② 掺氢比例为20%、餐厅门开启条件下:点火位置不同,相同监测点爆炸压力差别较大。

③ 4种掺氢比例、中部点火条件下:餐厅门关闭状态餐厅门外4 m处监测点爆炸压力峰值明显高于餐厅门开启状态。

[1] SUN S,QIU Y,XING H,et al. Effects of concentration and initial turbulence on the vented explosion characteristics of methane-air mixtures[J]. Fuel,2020(1): 117103-1-9.

[2] PEDERSEN H H,TOMLIN G,MIDDHA P,et al. Modelling large-scale vented gas explosions in a twin-compartment enclosure[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2013(6): 1604-1615.

[3] LI J,HAO H. Internal and external pressure prediction of vented gas explosion in large rooms by using analytical and CFD methods[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2017,49: 367-381.

[4] BAALISAMPANG T,ABBASSI R,GARANIYA V,et al. Modelling an integrated impact of fire,explosion and combustion products during transitional events caused by an accidental release of LNG[J]. Process Safety and Environmental Protection,2019,128: 259-272.

[5] 李红培. 开放式厨房燃气泄漏爆炸模拟研究(硕士学位论文)[D]. 济南:山东建筑大学,2019:50-66.

[6] 卢捷,宁建国,王成,等. 煤气火焰传播规律及其加速机理研究[J]. 爆炸与冲击,2004(4):305-311.

[7] 郑立刚,苏洋,李刚,等. 点火位置对氢气/甲烷/空气预混气体爆燃特性的影响[J]. 化工学报,2017(12):4874-4881.

[8] 郑立刚,朱小超,于水军,等. 浓度和点火位置对氢气-空气预混气爆燃特性影响[J]. 化工学报,2019(1):408-416.

[9] 燃气爆炸团队. 2019年全国燃气爆炸数据分析报告[EB/OL]. [2020-01-08]. https://m.sohu.com/a/365467429_648681.

猜你喜欢
监测点峰值氢气
犊牛生长发育对成年奶牛高峰奶产量和峰值日的影响
天津南港LNG接收站沉降监测点位布设
滑县2020年耕地质量监测主要做法与成效
善恶只在一线间
AP1000核电站安全壳内氢气控制
长三角典型农业区耕地土壤重金属污染与潜在生态风险评价
云南省民用汽车保有量峰值预测
济南市细颗粒物(PM2.5)的时空分布特征分析研究
氢气书包